65
UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Robi POGOREVC OPTIMIZACIJA KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA PRALNEGA STROJA S POMOČJO RAČUNALNIŠKIH SIMULACIJ Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa Strojništvo Maribor, september 2010

OPTIMIZACIJA KONSTRUKCIJE NOSILCA - UM

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Robi POGOREVC

OPTIMIZACIJA KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA PRALNEGA STROJA S POMOČJO

RAČUNALNIŠKIH SIMULACIJ

Diplomsko delo

univerzitetnega študijskega programa

Strojništvo

Maribor september 2010

-II-

Fakulteta za strojništvo

OPTIMIZACIJA KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA PRALNEGA STROJA S POMOČJO

RAČUNALNIŠKIH SIMULACIJ

Diplomsko delo

Študent Robi POGOREVC

Vpisna številka 93636880

Študijski program Univerzitetni študijski program

Strojništvo

Smer Konstrukterstvo in gradnja strojev

Mentor red prof dr Zoran REN

Somentor izr prof dr Marko KEGL

Maribor 2010

-III-

-IV-

I Z J A V A

Podpisani Robi Pogorevc izjavljam da

je bilo predloţeno diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom

red prof dr Zorana Rena ter somentorstvom izr prof dr Marka Kegla

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

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjiţnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru

Maribor 30 9 2010 Podpis__________________________

-V-

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red prof dr Zoranu

Renu ter somentorju izr prof dr Marku Keglu za

pomoč in vodenje pri opravljanju diplomske

naloge

Posebno zahvalo namenjam kolektivu podjetja

Gorenje dd program PPA ki mi je omogočilo

izvedbo diplomske naloge ter mi nudilo tako

tehnično kot tudi strokovno podporo

Še posebej se ţelim zahvaliti g Mateju Mejaču

mentorju v podjetju ter vsem s katerimi smo

soustvarjali uspešno delovno klimo

Zahvaljujem se tudi domačim za moralno ter

finančno podporo skozi ves študij

-VI-

OPTIMIZACIJA KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA S POMOČJO RAČUNALNIŠKIH SIMULACIJ

Ključne besede konstruiranje optimizacija nosilec bobna pralnega stroja metoda končnih

elementov računalniško modeliranje

UDK 004896621-11(0432)

POVZETEK

Diplomsko delo obravnava postopek optimizacije konstrukcije nosilca bobna pralnega

stroja s pomočjo računalniških simulacij Zmanjšanje mase nosilca pomeni za podjetje

prihranek mnogih stroškov Na začetku je opisan postopek o pridobivanju podatkov iz

meritev potrebnih za preračun obremenitev ki delujejo na nosilec bobna Sledi opis

modeliranja različnih variant nosilca bobna ki so posamezno analizirane po metodi

končnih elementov in sicer s programsko opremo UGS NX Na koncu je predstavljena

izbira najboljše variante nosilca bobna pralnega stroja

-VII-

DESIGN OPTIMISATION OF LOAD CARRYING CROSS OF

WASHING MACHINE DRUM WITH COMPUTATIONAL

SIMULATIONS

Key words mechanical design optimization load carrying cross of washing machine drum

finite element method computer modeling

UDK 004896621-11(0432)

ABSTRACT

This diploma work presents the optimisation of the design carrier washing machine drum by

support of computer simulation To reduce mass of drum holders means to spare many costs

for the organization At the beginning the procedure for obtaining information from the

measurements needed for the calculation load acting on the carrier drum washing machine

is described In the next step there are introduced modelling procedure for the several

variants of drum loads which are separately computational simulated with ldquoUGS NXrdquo

software The most optimal variant is described in the conclusion

-VIII-

KAZALO

1 UVOD 1

11 Opis splošnega področja diplomskega dela 1

12 Opis obravnavanega problema 3

13 Namen in cilji diplomskega dela 4

14 Struktura diplomskega dela 5

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD 6

21 Tehnološka področja 7

22 Reference 7

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ 8

31 Osnove 3D-modeliranja 8

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50 8

33 Osnove metode končnih elementov 11

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA 13

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja 15

42 Izračun delujoče centrifugalne sile 20

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase 21

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile 22

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA 25

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna 25

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna 28

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna 29

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna 30

-IX-

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih variant

nosilca bobna po metodi končnih elementov 31

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja 32

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega stroja 38

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega stroja 42

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega stroja 45

6 SKLEP 49

7 VIRI IN LITERATURA 52

8 ŢIVLJENJEPIS 53

-X-

UPORABLJENI SIMBOLI

- število vrtljajev bobna pralnega stroja

L1 - dolţina polovice širine bobna

L2 - polmer bobna

me - ekscentrična masa

me3 - ekscentrična masa v tretji točki programa centrifuge

me4 - ekscentrična masa v četrti točki programa centrifuge

me5 - ekscentrična masa v peti točki programa centrifuge

F - skupna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fn - nadomestna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fc - centrifugalna sila

Fc1 - centrifugalna sila ki deluje na en krak nosilca bobna

Fc3 - centrifugalna sila ki se pojavi v tretji točki programa centrifuge

Fc4 - centrifugalna sila ki se pojavi v četrti točki programa centrifuge

Fc5 - centrifugalna sila ki se pojavi v peti točki programa centrifuge

FBP - sila bobna in perila

F1 - sila ki deluje pravokotno na prvi krak nosilca bobna pri obratovanju

F2 - sila ki deluje pravokotno na drugi krak nosilca bobna pri obratovanju

F3 - sila ki deluje pravokotno na tretji krak nosilca bobna pri obratovanju

- kotna hitrost

MA - moment okoli točke A

Rm - natezna trdnost

Rp02 - meja plastičnosti

E - modul elastičnosti

- gostota

- Poissonovo število

-XI-

UPORABLJENE KRATICE

PPA - Pralno-pomivalni aparati

MKE - Metoda končnih elementov

FEM - Finite Element Method Metoda končnih elementov

HZA - Hladilno-zmrzovalni aparati

KA - Kuhalni aparati

CAD - Computer Aided Design Računalniško podprto konstruiranje

CNC - Computer Numerical Control Računalniško numerično krmiljenje

2D - Risanje v dvodimenzionalnem prostoru

3D - Risanje v trodimenzionalnem prostoru

DOF - Degrees of Freedom Prostostne stopnje

STIWA - Stiftung Warentest Nemška organizacija za testiranje končnih izdelkov

CTETRA (4) - Four-Sided Solid Element with four grid points štirivozliščni volumski

tetraedri

DIN - Deutsches Institut fuumlr Normung

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

11 Opis splošnega področja diplomskega dela

Pred izumom pralnega stroja na električni pogon so morale gospodinje perilo prati ročno

kar je bilo zelo zamudno Zaradi tega so dobili izumitelji nalogo da izdelajo preprosto

napravo s katero bi laţje in hitreje oprali perilo Tako se je pojavil preprost pralni stroj ki je

prikazan na sliki 11 V njem se je perilo premikalo z ročnim vzvodom [1]

Slika 11 Pralni stroj z ročnim vzvodom

Vir httpenwikipediaorgwikiFileWashing_machinejpg

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

-II-

Fakulteta za strojništvo

OPTIMIZACIJA KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA PRALNEGA STROJA S POMOČJO

RAČUNALNIŠKIH SIMULACIJ

Diplomsko delo

Študent Robi POGOREVC

Vpisna številka 93636880

Študijski program Univerzitetni študijski program

Strojništvo

Smer Konstrukterstvo in gradnja strojev

Mentor red prof dr Zoran REN

Somentor izr prof dr Marko KEGL

Maribor 2010

-III-

-IV-

I Z J A V A

Podpisani Robi Pogorevc izjavljam da

je bilo predloţeno diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom

red prof dr Zorana Rena ter somentorstvom izr prof dr Marka Kegla

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

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjiţnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru

Maribor 30 9 2010 Podpis__________________________

-V-

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red prof dr Zoranu

Renu ter somentorju izr prof dr Marku Keglu za

pomoč in vodenje pri opravljanju diplomske

naloge

Posebno zahvalo namenjam kolektivu podjetja

Gorenje dd program PPA ki mi je omogočilo

izvedbo diplomske naloge ter mi nudilo tako

tehnično kot tudi strokovno podporo

Še posebej se ţelim zahvaliti g Mateju Mejaču

mentorju v podjetju ter vsem s katerimi smo

soustvarjali uspešno delovno klimo

Zahvaljujem se tudi domačim za moralno ter

finančno podporo skozi ves študij

-VI-

OPTIMIZACIJA KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA S POMOČJO RAČUNALNIŠKIH SIMULACIJ

Ključne besede konstruiranje optimizacija nosilec bobna pralnega stroja metoda končnih

elementov računalniško modeliranje

UDK 004896621-11(0432)

POVZETEK

Diplomsko delo obravnava postopek optimizacije konstrukcije nosilca bobna pralnega

stroja s pomočjo računalniških simulacij Zmanjšanje mase nosilca pomeni za podjetje

prihranek mnogih stroškov Na začetku je opisan postopek o pridobivanju podatkov iz

meritev potrebnih za preračun obremenitev ki delujejo na nosilec bobna Sledi opis

modeliranja različnih variant nosilca bobna ki so posamezno analizirane po metodi

končnih elementov in sicer s programsko opremo UGS NX Na koncu je predstavljena

izbira najboljše variante nosilca bobna pralnega stroja

-VII-

DESIGN OPTIMISATION OF LOAD CARRYING CROSS OF

WASHING MACHINE DRUM WITH COMPUTATIONAL

SIMULATIONS

Key words mechanical design optimization load carrying cross of washing machine drum

finite element method computer modeling

UDK 004896621-11(0432)

ABSTRACT

This diploma work presents the optimisation of the design carrier washing machine drum by

support of computer simulation To reduce mass of drum holders means to spare many costs

for the organization At the beginning the procedure for obtaining information from the

measurements needed for the calculation load acting on the carrier drum washing machine

is described In the next step there are introduced modelling procedure for the several

variants of drum loads which are separately computational simulated with ldquoUGS NXrdquo

software The most optimal variant is described in the conclusion

-VIII-

KAZALO

1 UVOD 1

11 Opis splošnega področja diplomskega dela 1

12 Opis obravnavanega problema 3

13 Namen in cilji diplomskega dela 4

14 Struktura diplomskega dela 5

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD 6

21 Tehnološka področja 7

22 Reference 7

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ 8

31 Osnove 3D-modeliranja 8

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50 8

33 Osnove metode končnih elementov 11

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA 13

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja 15

42 Izračun delujoče centrifugalne sile 20

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase 21

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile 22

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA 25

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna 25

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna 28

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna 29

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna 30

-IX-

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih variant

nosilca bobna po metodi končnih elementov 31

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja 32

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega stroja 38

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega stroja 42

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega stroja 45

6 SKLEP 49

7 VIRI IN LITERATURA 52

8 ŢIVLJENJEPIS 53

-X-

UPORABLJENI SIMBOLI

- število vrtljajev bobna pralnega stroja

L1 - dolţina polovice širine bobna

L2 - polmer bobna

me - ekscentrična masa

me3 - ekscentrična masa v tretji točki programa centrifuge

me4 - ekscentrična masa v četrti točki programa centrifuge

me5 - ekscentrična masa v peti točki programa centrifuge

F - skupna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fn - nadomestna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fc - centrifugalna sila

Fc1 - centrifugalna sila ki deluje na en krak nosilca bobna

Fc3 - centrifugalna sila ki se pojavi v tretji točki programa centrifuge

Fc4 - centrifugalna sila ki se pojavi v četrti točki programa centrifuge

Fc5 - centrifugalna sila ki se pojavi v peti točki programa centrifuge

FBP - sila bobna in perila

F1 - sila ki deluje pravokotno na prvi krak nosilca bobna pri obratovanju

F2 - sila ki deluje pravokotno na drugi krak nosilca bobna pri obratovanju

F3 - sila ki deluje pravokotno na tretji krak nosilca bobna pri obratovanju

- kotna hitrost

MA - moment okoli točke A

Rm - natezna trdnost

Rp02 - meja plastičnosti

E - modul elastičnosti

- gostota

- Poissonovo število

-XI-

UPORABLJENE KRATICE

PPA - Pralno-pomivalni aparati

MKE - Metoda končnih elementov

FEM - Finite Element Method Metoda končnih elementov

HZA - Hladilno-zmrzovalni aparati

KA - Kuhalni aparati

CAD - Computer Aided Design Računalniško podprto konstruiranje

CNC - Computer Numerical Control Računalniško numerično krmiljenje

2D - Risanje v dvodimenzionalnem prostoru

3D - Risanje v trodimenzionalnem prostoru

DOF - Degrees of Freedom Prostostne stopnje

STIWA - Stiftung Warentest Nemška organizacija za testiranje končnih izdelkov

CTETRA (4) - Four-Sided Solid Element with four grid points štirivozliščni volumski

tetraedri

DIN - Deutsches Institut fuumlr Normung

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

11 Opis splošnega področja diplomskega dela

Pred izumom pralnega stroja na električni pogon so morale gospodinje perilo prati ročno

kar je bilo zelo zamudno Zaradi tega so dobili izumitelji nalogo da izdelajo preprosto

napravo s katero bi laţje in hitreje oprali perilo Tako se je pojavil preprost pralni stroj ki je

prikazan na sliki 11 V njem se je perilo premikalo z ročnim vzvodom [1]

Slika 11 Pralni stroj z ročnim vzvodom

Vir httpenwikipediaorgwikiFileWashing_machinejpg

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

-III-

-IV-

I Z J A V A

Podpisani Robi Pogorevc izjavljam da

je bilo predloţeno diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom

red prof dr Zorana Rena ter somentorstvom izr prof dr Marka Kegla

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

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjiţnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru

Maribor 30 9 2010 Podpis__________________________

-V-

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red prof dr Zoranu

Renu ter somentorju izr prof dr Marku Keglu za

pomoč in vodenje pri opravljanju diplomske

naloge

Posebno zahvalo namenjam kolektivu podjetja

Gorenje dd program PPA ki mi je omogočilo

izvedbo diplomske naloge ter mi nudilo tako

tehnično kot tudi strokovno podporo

Še posebej se ţelim zahvaliti g Mateju Mejaču

mentorju v podjetju ter vsem s katerimi smo

soustvarjali uspešno delovno klimo

Zahvaljujem se tudi domačim za moralno ter

finančno podporo skozi ves študij

-VI-

OPTIMIZACIJA KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA S POMOČJO RAČUNALNIŠKIH SIMULACIJ

Ključne besede konstruiranje optimizacija nosilec bobna pralnega stroja metoda končnih

elementov računalniško modeliranje

UDK 004896621-11(0432)

POVZETEK

Diplomsko delo obravnava postopek optimizacije konstrukcije nosilca bobna pralnega

stroja s pomočjo računalniških simulacij Zmanjšanje mase nosilca pomeni za podjetje

prihranek mnogih stroškov Na začetku je opisan postopek o pridobivanju podatkov iz

meritev potrebnih za preračun obremenitev ki delujejo na nosilec bobna Sledi opis

modeliranja različnih variant nosilca bobna ki so posamezno analizirane po metodi

končnih elementov in sicer s programsko opremo UGS NX Na koncu je predstavljena

izbira najboljše variante nosilca bobna pralnega stroja

-VII-

DESIGN OPTIMISATION OF LOAD CARRYING CROSS OF

WASHING MACHINE DRUM WITH COMPUTATIONAL

SIMULATIONS

Key words mechanical design optimization load carrying cross of washing machine drum

finite element method computer modeling

UDK 004896621-11(0432)

ABSTRACT

This diploma work presents the optimisation of the design carrier washing machine drum by

support of computer simulation To reduce mass of drum holders means to spare many costs

for the organization At the beginning the procedure for obtaining information from the

measurements needed for the calculation load acting on the carrier drum washing machine

is described In the next step there are introduced modelling procedure for the several

variants of drum loads which are separately computational simulated with ldquoUGS NXrdquo

software The most optimal variant is described in the conclusion

-VIII-

KAZALO

1 UVOD 1

11 Opis splošnega področja diplomskega dela 1

12 Opis obravnavanega problema 3

13 Namen in cilji diplomskega dela 4

14 Struktura diplomskega dela 5

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD 6

21 Tehnološka področja 7

22 Reference 7

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ 8

31 Osnove 3D-modeliranja 8

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50 8

33 Osnove metode končnih elementov 11

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA 13

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja 15

42 Izračun delujoče centrifugalne sile 20

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase 21

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile 22

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA 25

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna 25

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna 28

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna 29

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna 30

-IX-

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih variant

nosilca bobna po metodi končnih elementov 31

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja 32

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega stroja 38

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega stroja 42

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega stroja 45

6 SKLEP 49

7 VIRI IN LITERATURA 52

8 ŢIVLJENJEPIS 53

-X-

UPORABLJENI SIMBOLI

- število vrtljajev bobna pralnega stroja

L1 - dolţina polovice širine bobna

L2 - polmer bobna

me - ekscentrična masa

me3 - ekscentrična masa v tretji točki programa centrifuge

me4 - ekscentrična masa v četrti točki programa centrifuge

me5 - ekscentrična masa v peti točki programa centrifuge

F - skupna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fn - nadomestna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fc - centrifugalna sila

Fc1 - centrifugalna sila ki deluje na en krak nosilca bobna

Fc3 - centrifugalna sila ki se pojavi v tretji točki programa centrifuge

Fc4 - centrifugalna sila ki se pojavi v četrti točki programa centrifuge

Fc5 - centrifugalna sila ki se pojavi v peti točki programa centrifuge

FBP - sila bobna in perila

F1 - sila ki deluje pravokotno na prvi krak nosilca bobna pri obratovanju

F2 - sila ki deluje pravokotno na drugi krak nosilca bobna pri obratovanju

F3 - sila ki deluje pravokotno na tretji krak nosilca bobna pri obratovanju

- kotna hitrost

MA - moment okoli točke A

Rm - natezna trdnost

Rp02 - meja plastičnosti

E - modul elastičnosti

- gostota

- Poissonovo število

-XI-

UPORABLJENE KRATICE

PPA - Pralno-pomivalni aparati

MKE - Metoda končnih elementov

FEM - Finite Element Method Metoda končnih elementov

HZA - Hladilno-zmrzovalni aparati

KA - Kuhalni aparati

CAD - Computer Aided Design Računalniško podprto konstruiranje

CNC - Computer Numerical Control Računalniško numerično krmiljenje

2D - Risanje v dvodimenzionalnem prostoru

3D - Risanje v trodimenzionalnem prostoru

DOF - Degrees of Freedom Prostostne stopnje

STIWA - Stiftung Warentest Nemška organizacija za testiranje končnih izdelkov

CTETRA (4) - Four-Sided Solid Element with four grid points štirivozliščni volumski

tetraedri

DIN - Deutsches Institut fuumlr Normung

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

11 Opis splošnega področja diplomskega dela

Pred izumom pralnega stroja na električni pogon so morale gospodinje perilo prati ročno

kar je bilo zelo zamudno Zaradi tega so dobili izumitelji nalogo da izdelajo preprosto

napravo s katero bi laţje in hitreje oprali perilo Tako se je pojavil preprost pralni stroj ki je

prikazan na sliki 11 V njem se je perilo premikalo z ročnim vzvodom [1]

Slika 11 Pralni stroj z ročnim vzvodom

Vir httpenwikipediaorgwikiFileWashing_machinejpg

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

-IV-

I Z J A V A

Podpisani Robi Pogorevc izjavljam da

je bilo predloţeno diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom

red prof dr Zorana Rena ter somentorstvom izr prof dr Marka Kegla

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

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjiţnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru

Maribor 30 9 2010 Podpis__________________________

-V-

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red prof dr Zoranu

Renu ter somentorju izr prof dr Marku Keglu za

pomoč in vodenje pri opravljanju diplomske

naloge

Posebno zahvalo namenjam kolektivu podjetja

Gorenje dd program PPA ki mi je omogočilo

izvedbo diplomske naloge ter mi nudilo tako

tehnično kot tudi strokovno podporo

Še posebej se ţelim zahvaliti g Mateju Mejaču

mentorju v podjetju ter vsem s katerimi smo

soustvarjali uspešno delovno klimo

Zahvaljujem se tudi domačim za moralno ter

finančno podporo skozi ves študij

-VI-

OPTIMIZACIJA KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA S POMOČJO RAČUNALNIŠKIH SIMULACIJ

Ključne besede konstruiranje optimizacija nosilec bobna pralnega stroja metoda končnih

elementov računalniško modeliranje

UDK 004896621-11(0432)

POVZETEK

Diplomsko delo obravnava postopek optimizacije konstrukcije nosilca bobna pralnega

stroja s pomočjo računalniških simulacij Zmanjšanje mase nosilca pomeni za podjetje

prihranek mnogih stroškov Na začetku je opisan postopek o pridobivanju podatkov iz

meritev potrebnih za preračun obremenitev ki delujejo na nosilec bobna Sledi opis

modeliranja različnih variant nosilca bobna ki so posamezno analizirane po metodi

končnih elementov in sicer s programsko opremo UGS NX Na koncu je predstavljena

izbira najboljše variante nosilca bobna pralnega stroja

-VII-

DESIGN OPTIMISATION OF LOAD CARRYING CROSS OF

WASHING MACHINE DRUM WITH COMPUTATIONAL

SIMULATIONS

Key words mechanical design optimization load carrying cross of washing machine drum

finite element method computer modeling

UDK 004896621-11(0432)

ABSTRACT

This diploma work presents the optimisation of the design carrier washing machine drum by

support of computer simulation To reduce mass of drum holders means to spare many costs

for the organization At the beginning the procedure for obtaining information from the

measurements needed for the calculation load acting on the carrier drum washing machine

is described In the next step there are introduced modelling procedure for the several

variants of drum loads which are separately computational simulated with ldquoUGS NXrdquo

software The most optimal variant is described in the conclusion

-VIII-

KAZALO

1 UVOD 1

11 Opis splošnega področja diplomskega dela 1

12 Opis obravnavanega problema 3

13 Namen in cilji diplomskega dela 4

14 Struktura diplomskega dela 5

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD 6

21 Tehnološka področja 7

22 Reference 7

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ 8

31 Osnove 3D-modeliranja 8

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50 8

33 Osnove metode končnih elementov 11

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA 13

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja 15

42 Izračun delujoče centrifugalne sile 20

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase 21

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile 22

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA 25

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna 25

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna 28

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna 29

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna 30

-IX-

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih variant

nosilca bobna po metodi končnih elementov 31

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja 32

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega stroja 38

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega stroja 42

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega stroja 45

6 SKLEP 49

7 VIRI IN LITERATURA 52

8 ŢIVLJENJEPIS 53

-X-

UPORABLJENI SIMBOLI

- število vrtljajev bobna pralnega stroja

L1 - dolţina polovice širine bobna

L2 - polmer bobna

me - ekscentrična masa

me3 - ekscentrična masa v tretji točki programa centrifuge

me4 - ekscentrična masa v četrti točki programa centrifuge

me5 - ekscentrična masa v peti točki programa centrifuge

F - skupna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fn - nadomestna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fc - centrifugalna sila

Fc1 - centrifugalna sila ki deluje na en krak nosilca bobna

Fc3 - centrifugalna sila ki se pojavi v tretji točki programa centrifuge

Fc4 - centrifugalna sila ki se pojavi v četrti točki programa centrifuge

Fc5 - centrifugalna sila ki se pojavi v peti točki programa centrifuge

FBP - sila bobna in perila

F1 - sila ki deluje pravokotno na prvi krak nosilca bobna pri obratovanju

F2 - sila ki deluje pravokotno na drugi krak nosilca bobna pri obratovanju

F3 - sila ki deluje pravokotno na tretji krak nosilca bobna pri obratovanju

- kotna hitrost

MA - moment okoli točke A

Rm - natezna trdnost

Rp02 - meja plastičnosti

E - modul elastičnosti

- gostota

- Poissonovo število

-XI-

UPORABLJENE KRATICE

PPA - Pralno-pomivalni aparati

MKE - Metoda končnih elementov

FEM - Finite Element Method Metoda končnih elementov

HZA - Hladilno-zmrzovalni aparati

KA - Kuhalni aparati

CAD - Computer Aided Design Računalniško podprto konstruiranje

CNC - Computer Numerical Control Računalniško numerično krmiljenje

2D - Risanje v dvodimenzionalnem prostoru

3D - Risanje v trodimenzionalnem prostoru

DOF - Degrees of Freedom Prostostne stopnje

STIWA - Stiftung Warentest Nemška organizacija za testiranje končnih izdelkov

CTETRA (4) - Four-Sided Solid Element with four grid points štirivozliščni volumski

tetraedri

DIN - Deutsches Institut fuumlr Normung

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

11 Opis splošnega področja diplomskega dela

Pred izumom pralnega stroja na električni pogon so morale gospodinje perilo prati ročno

kar je bilo zelo zamudno Zaradi tega so dobili izumitelji nalogo da izdelajo preprosto

napravo s katero bi laţje in hitreje oprali perilo Tako se je pojavil preprost pralni stroj ki je

prikazan na sliki 11 V njem se je perilo premikalo z ročnim vzvodom [1]

Slika 11 Pralni stroj z ročnim vzvodom

Vir httpenwikipediaorgwikiFileWashing_machinejpg

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

-V-

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red prof dr Zoranu

Renu ter somentorju izr prof dr Marku Keglu za

pomoč in vodenje pri opravljanju diplomske

naloge

Posebno zahvalo namenjam kolektivu podjetja

Gorenje dd program PPA ki mi je omogočilo

izvedbo diplomske naloge ter mi nudilo tako

tehnično kot tudi strokovno podporo

Še posebej se ţelim zahvaliti g Mateju Mejaču

mentorju v podjetju ter vsem s katerimi smo

soustvarjali uspešno delovno klimo

Zahvaljujem se tudi domačim za moralno ter

finančno podporo skozi ves študij

-VI-

OPTIMIZACIJA KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA S POMOČJO RAČUNALNIŠKIH SIMULACIJ

Ključne besede konstruiranje optimizacija nosilec bobna pralnega stroja metoda končnih

elementov računalniško modeliranje

UDK 004896621-11(0432)

POVZETEK

Diplomsko delo obravnava postopek optimizacije konstrukcije nosilca bobna pralnega

stroja s pomočjo računalniških simulacij Zmanjšanje mase nosilca pomeni za podjetje

prihranek mnogih stroškov Na začetku je opisan postopek o pridobivanju podatkov iz

meritev potrebnih za preračun obremenitev ki delujejo na nosilec bobna Sledi opis

modeliranja različnih variant nosilca bobna ki so posamezno analizirane po metodi

končnih elementov in sicer s programsko opremo UGS NX Na koncu je predstavljena

izbira najboljše variante nosilca bobna pralnega stroja

-VII-

DESIGN OPTIMISATION OF LOAD CARRYING CROSS OF

WASHING MACHINE DRUM WITH COMPUTATIONAL

SIMULATIONS

Key words mechanical design optimization load carrying cross of washing machine drum

finite element method computer modeling

UDK 004896621-11(0432)

ABSTRACT

This diploma work presents the optimisation of the design carrier washing machine drum by

support of computer simulation To reduce mass of drum holders means to spare many costs

for the organization At the beginning the procedure for obtaining information from the

measurements needed for the calculation load acting on the carrier drum washing machine

is described In the next step there are introduced modelling procedure for the several

variants of drum loads which are separately computational simulated with ldquoUGS NXrdquo

software The most optimal variant is described in the conclusion

-VIII-

KAZALO

1 UVOD 1

11 Opis splošnega področja diplomskega dela 1

12 Opis obravnavanega problema 3

13 Namen in cilji diplomskega dela 4

14 Struktura diplomskega dela 5

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD 6

21 Tehnološka področja 7

22 Reference 7

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ 8

31 Osnove 3D-modeliranja 8

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50 8

33 Osnove metode končnih elementov 11

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA 13

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja 15

42 Izračun delujoče centrifugalne sile 20

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase 21

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile 22

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA 25

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna 25

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna 28

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna 29

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna 30

-IX-

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih variant

nosilca bobna po metodi končnih elementov 31

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja 32

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega stroja 38

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega stroja 42

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega stroja 45

6 SKLEP 49

7 VIRI IN LITERATURA 52

8 ŢIVLJENJEPIS 53

-X-

UPORABLJENI SIMBOLI

- število vrtljajev bobna pralnega stroja

L1 - dolţina polovice širine bobna

L2 - polmer bobna

me - ekscentrična masa

me3 - ekscentrična masa v tretji točki programa centrifuge

me4 - ekscentrična masa v četrti točki programa centrifuge

me5 - ekscentrična masa v peti točki programa centrifuge

F - skupna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fn - nadomestna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fc - centrifugalna sila

Fc1 - centrifugalna sila ki deluje na en krak nosilca bobna

Fc3 - centrifugalna sila ki se pojavi v tretji točki programa centrifuge

Fc4 - centrifugalna sila ki se pojavi v četrti točki programa centrifuge

Fc5 - centrifugalna sila ki se pojavi v peti točki programa centrifuge

FBP - sila bobna in perila

F1 - sila ki deluje pravokotno na prvi krak nosilca bobna pri obratovanju

F2 - sila ki deluje pravokotno na drugi krak nosilca bobna pri obratovanju

F3 - sila ki deluje pravokotno na tretji krak nosilca bobna pri obratovanju

- kotna hitrost

MA - moment okoli točke A

Rm - natezna trdnost

Rp02 - meja plastičnosti

E - modul elastičnosti

- gostota

- Poissonovo število

-XI-

UPORABLJENE KRATICE

PPA - Pralno-pomivalni aparati

MKE - Metoda končnih elementov

FEM - Finite Element Method Metoda končnih elementov

HZA - Hladilno-zmrzovalni aparati

KA - Kuhalni aparati

CAD - Computer Aided Design Računalniško podprto konstruiranje

CNC - Computer Numerical Control Računalniško numerično krmiljenje

2D - Risanje v dvodimenzionalnem prostoru

3D - Risanje v trodimenzionalnem prostoru

DOF - Degrees of Freedom Prostostne stopnje

STIWA - Stiftung Warentest Nemška organizacija za testiranje končnih izdelkov

CTETRA (4) - Four-Sided Solid Element with four grid points štirivozliščni volumski

tetraedri

DIN - Deutsches Institut fuumlr Normung

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

11 Opis splošnega področja diplomskega dela

Pred izumom pralnega stroja na električni pogon so morale gospodinje perilo prati ročno

kar je bilo zelo zamudno Zaradi tega so dobili izumitelji nalogo da izdelajo preprosto

napravo s katero bi laţje in hitreje oprali perilo Tako se je pojavil preprost pralni stroj ki je

prikazan na sliki 11 V njem se je perilo premikalo z ročnim vzvodom [1]

Slika 11 Pralni stroj z ročnim vzvodom

Vir httpenwikipediaorgwikiFileWashing_machinejpg

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

-VI-

OPTIMIZACIJA KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA S POMOČJO RAČUNALNIŠKIH SIMULACIJ

Ključne besede konstruiranje optimizacija nosilec bobna pralnega stroja metoda končnih

elementov računalniško modeliranje

UDK 004896621-11(0432)

POVZETEK

Diplomsko delo obravnava postopek optimizacije konstrukcije nosilca bobna pralnega

stroja s pomočjo računalniških simulacij Zmanjšanje mase nosilca pomeni za podjetje

prihranek mnogih stroškov Na začetku je opisan postopek o pridobivanju podatkov iz

meritev potrebnih za preračun obremenitev ki delujejo na nosilec bobna Sledi opis

modeliranja različnih variant nosilca bobna ki so posamezno analizirane po metodi

končnih elementov in sicer s programsko opremo UGS NX Na koncu je predstavljena

izbira najboljše variante nosilca bobna pralnega stroja

-VII-

DESIGN OPTIMISATION OF LOAD CARRYING CROSS OF

WASHING MACHINE DRUM WITH COMPUTATIONAL

SIMULATIONS

Key words mechanical design optimization load carrying cross of washing machine drum

finite element method computer modeling

UDK 004896621-11(0432)

ABSTRACT

This diploma work presents the optimisation of the design carrier washing machine drum by

support of computer simulation To reduce mass of drum holders means to spare many costs

for the organization At the beginning the procedure for obtaining information from the

measurements needed for the calculation load acting on the carrier drum washing machine

is described In the next step there are introduced modelling procedure for the several

variants of drum loads which are separately computational simulated with ldquoUGS NXrdquo

software The most optimal variant is described in the conclusion

-VIII-

KAZALO

1 UVOD 1

11 Opis splošnega področja diplomskega dela 1

12 Opis obravnavanega problema 3

13 Namen in cilji diplomskega dela 4

14 Struktura diplomskega dela 5

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD 6

21 Tehnološka področja 7

22 Reference 7

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ 8

31 Osnove 3D-modeliranja 8

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50 8

33 Osnove metode končnih elementov 11

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA 13

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja 15

42 Izračun delujoče centrifugalne sile 20

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase 21

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile 22

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA 25

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna 25

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna 28

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna 29

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna 30

-IX-

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih variant

nosilca bobna po metodi končnih elementov 31

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja 32

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega stroja 38

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega stroja 42

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega stroja 45

6 SKLEP 49

7 VIRI IN LITERATURA 52

8 ŢIVLJENJEPIS 53

-X-

UPORABLJENI SIMBOLI

- število vrtljajev bobna pralnega stroja

L1 - dolţina polovice širine bobna

L2 - polmer bobna

me - ekscentrična masa

me3 - ekscentrična masa v tretji točki programa centrifuge

me4 - ekscentrična masa v četrti točki programa centrifuge

me5 - ekscentrična masa v peti točki programa centrifuge

F - skupna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fn - nadomestna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fc - centrifugalna sila

Fc1 - centrifugalna sila ki deluje na en krak nosilca bobna

Fc3 - centrifugalna sila ki se pojavi v tretji točki programa centrifuge

Fc4 - centrifugalna sila ki se pojavi v četrti točki programa centrifuge

Fc5 - centrifugalna sila ki se pojavi v peti točki programa centrifuge

FBP - sila bobna in perila

F1 - sila ki deluje pravokotno na prvi krak nosilca bobna pri obratovanju

F2 - sila ki deluje pravokotno na drugi krak nosilca bobna pri obratovanju

F3 - sila ki deluje pravokotno na tretji krak nosilca bobna pri obratovanju

- kotna hitrost

MA - moment okoli točke A

Rm - natezna trdnost

Rp02 - meja plastičnosti

E - modul elastičnosti

- gostota

- Poissonovo število

-XI-

UPORABLJENE KRATICE

PPA - Pralno-pomivalni aparati

MKE - Metoda končnih elementov

FEM - Finite Element Method Metoda končnih elementov

HZA - Hladilno-zmrzovalni aparati

KA - Kuhalni aparati

CAD - Computer Aided Design Računalniško podprto konstruiranje

CNC - Computer Numerical Control Računalniško numerično krmiljenje

2D - Risanje v dvodimenzionalnem prostoru

3D - Risanje v trodimenzionalnem prostoru

DOF - Degrees of Freedom Prostostne stopnje

STIWA - Stiftung Warentest Nemška organizacija za testiranje končnih izdelkov

CTETRA (4) - Four-Sided Solid Element with four grid points štirivozliščni volumski

tetraedri

DIN - Deutsches Institut fuumlr Normung

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

11 Opis splošnega področja diplomskega dela

Pred izumom pralnega stroja na električni pogon so morale gospodinje perilo prati ročno

kar je bilo zelo zamudno Zaradi tega so dobili izumitelji nalogo da izdelajo preprosto

napravo s katero bi laţje in hitreje oprali perilo Tako se je pojavil preprost pralni stroj ki je

prikazan na sliki 11 V njem se je perilo premikalo z ročnim vzvodom [1]

Slika 11 Pralni stroj z ročnim vzvodom

Vir httpenwikipediaorgwikiFileWashing_machinejpg

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

-VII-

DESIGN OPTIMISATION OF LOAD CARRYING CROSS OF

WASHING MACHINE DRUM WITH COMPUTATIONAL

SIMULATIONS

Key words mechanical design optimization load carrying cross of washing machine drum

finite element method computer modeling

UDK 004896621-11(0432)

ABSTRACT

This diploma work presents the optimisation of the design carrier washing machine drum by

support of computer simulation To reduce mass of drum holders means to spare many costs

for the organization At the beginning the procedure for obtaining information from the

measurements needed for the calculation load acting on the carrier drum washing machine

is described In the next step there are introduced modelling procedure for the several

variants of drum loads which are separately computational simulated with ldquoUGS NXrdquo

software The most optimal variant is described in the conclusion

-VIII-

KAZALO

1 UVOD 1

11 Opis splošnega področja diplomskega dela 1

12 Opis obravnavanega problema 3

13 Namen in cilji diplomskega dela 4

14 Struktura diplomskega dela 5

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD 6

21 Tehnološka področja 7

22 Reference 7

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ 8

31 Osnove 3D-modeliranja 8

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50 8

33 Osnove metode končnih elementov 11

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA 13

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja 15

42 Izračun delujoče centrifugalne sile 20

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase 21

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile 22

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA 25

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna 25

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna 28

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna 29

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna 30

-IX-

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih variant

nosilca bobna po metodi končnih elementov 31

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja 32

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega stroja 38

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega stroja 42

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega stroja 45

6 SKLEP 49

7 VIRI IN LITERATURA 52

8 ŢIVLJENJEPIS 53

-X-

UPORABLJENI SIMBOLI

- število vrtljajev bobna pralnega stroja

L1 - dolţina polovice širine bobna

L2 - polmer bobna

me - ekscentrična masa

me3 - ekscentrična masa v tretji točki programa centrifuge

me4 - ekscentrična masa v četrti točki programa centrifuge

me5 - ekscentrična masa v peti točki programa centrifuge

F - skupna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fn - nadomestna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fc - centrifugalna sila

Fc1 - centrifugalna sila ki deluje na en krak nosilca bobna

Fc3 - centrifugalna sila ki se pojavi v tretji točki programa centrifuge

Fc4 - centrifugalna sila ki se pojavi v četrti točki programa centrifuge

Fc5 - centrifugalna sila ki se pojavi v peti točki programa centrifuge

FBP - sila bobna in perila

F1 - sila ki deluje pravokotno na prvi krak nosilca bobna pri obratovanju

F2 - sila ki deluje pravokotno na drugi krak nosilca bobna pri obratovanju

F3 - sila ki deluje pravokotno na tretji krak nosilca bobna pri obratovanju

- kotna hitrost

MA - moment okoli točke A

Rm - natezna trdnost

Rp02 - meja plastičnosti

E - modul elastičnosti

- gostota

- Poissonovo število

-XI-

UPORABLJENE KRATICE

PPA - Pralno-pomivalni aparati

MKE - Metoda končnih elementov

FEM - Finite Element Method Metoda končnih elementov

HZA - Hladilno-zmrzovalni aparati

KA - Kuhalni aparati

CAD - Computer Aided Design Računalniško podprto konstruiranje

CNC - Computer Numerical Control Računalniško numerično krmiljenje

2D - Risanje v dvodimenzionalnem prostoru

3D - Risanje v trodimenzionalnem prostoru

DOF - Degrees of Freedom Prostostne stopnje

STIWA - Stiftung Warentest Nemška organizacija za testiranje končnih izdelkov

CTETRA (4) - Four-Sided Solid Element with four grid points štirivozliščni volumski

tetraedri

DIN - Deutsches Institut fuumlr Normung

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

11 Opis splošnega področja diplomskega dela

Pred izumom pralnega stroja na električni pogon so morale gospodinje perilo prati ročno

kar je bilo zelo zamudno Zaradi tega so dobili izumitelji nalogo da izdelajo preprosto

napravo s katero bi laţje in hitreje oprali perilo Tako se je pojavil preprost pralni stroj ki je

prikazan na sliki 11 V njem se je perilo premikalo z ročnim vzvodom [1]

Slika 11 Pralni stroj z ročnim vzvodom

Vir httpenwikipediaorgwikiFileWashing_machinejpg

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

-VIII-

KAZALO

1 UVOD 1

11 Opis splošnega področja diplomskega dela 1

12 Opis obravnavanega problema 3

13 Namen in cilji diplomskega dela 4

14 Struktura diplomskega dela 5

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD 6

21 Tehnološka področja 7

22 Reference 7

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ 8

31 Osnove 3D-modeliranja 8

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50 8

33 Osnove metode končnih elementov 11

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA PRALNEGA

STROJA 13

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja 15

42 Izračun delujoče centrifugalne sile 20

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase 21

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile 22

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA BOBNA 25

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna 25

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna 28

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna 29

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna 30

-IX-

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih variant

nosilca bobna po metodi končnih elementov 31

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja 32

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega stroja 38

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega stroja 42

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega stroja 45

6 SKLEP 49

7 VIRI IN LITERATURA 52

8 ŢIVLJENJEPIS 53

-X-

UPORABLJENI SIMBOLI

- število vrtljajev bobna pralnega stroja

L1 - dolţina polovice širine bobna

L2 - polmer bobna

me - ekscentrična masa

me3 - ekscentrična masa v tretji točki programa centrifuge

me4 - ekscentrična masa v četrti točki programa centrifuge

me5 - ekscentrična masa v peti točki programa centrifuge

F - skupna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fn - nadomestna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fc - centrifugalna sila

Fc1 - centrifugalna sila ki deluje na en krak nosilca bobna

Fc3 - centrifugalna sila ki se pojavi v tretji točki programa centrifuge

Fc4 - centrifugalna sila ki se pojavi v četrti točki programa centrifuge

Fc5 - centrifugalna sila ki se pojavi v peti točki programa centrifuge

FBP - sila bobna in perila

F1 - sila ki deluje pravokotno na prvi krak nosilca bobna pri obratovanju

F2 - sila ki deluje pravokotno na drugi krak nosilca bobna pri obratovanju

F3 - sila ki deluje pravokotno na tretji krak nosilca bobna pri obratovanju

- kotna hitrost

MA - moment okoli točke A

Rm - natezna trdnost

Rp02 - meja plastičnosti

E - modul elastičnosti

- gostota

- Poissonovo število

-XI-

UPORABLJENE KRATICE

PPA - Pralno-pomivalni aparati

MKE - Metoda končnih elementov

FEM - Finite Element Method Metoda končnih elementov

HZA - Hladilno-zmrzovalni aparati

KA - Kuhalni aparati

CAD - Computer Aided Design Računalniško podprto konstruiranje

CNC - Computer Numerical Control Računalniško numerično krmiljenje

2D - Risanje v dvodimenzionalnem prostoru

3D - Risanje v trodimenzionalnem prostoru

DOF - Degrees of Freedom Prostostne stopnje

STIWA - Stiftung Warentest Nemška organizacija za testiranje končnih izdelkov

CTETRA (4) - Four-Sided Solid Element with four grid points štirivozliščni volumski

tetraedri

DIN - Deutsches Institut fuumlr Normung

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

11 Opis splošnega področja diplomskega dela

Pred izumom pralnega stroja na električni pogon so morale gospodinje perilo prati ročno

kar je bilo zelo zamudno Zaradi tega so dobili izumitelji nalogo da izdelajo preprosto

napravo s katero bi laţje in hitreje oprali perilo Tako se je pojavil preprost pralni stroj ki je

prikazan na sliki 11 V njem se je perilo premikalo z ročnim vzvodom [1]

Slika 11 Pralni stroj z ročnim vzvodom

Vir httpenwikipediaorgwikiFileWashing_machinejpg

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

-IX-

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih variant

nosilca bobna po metodi končnih elementov 31

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja 32

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega stroja 38

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega stroja 42

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega stroja 45

6 SKLEP 49

7 VIRI IN LITERATURA 52

8 ŢIVLJENJEPIS 53

-X-

UPORABLJENI SIMBOLI

- število vrtljajev bobna pralnega stroja

L1 - dolţina polovice širine bobna

L2 - polmer bobna

me - ekscentrična masa

me3 - ekscentrična masa v tretji točki programa centrifuge

me4 - ekscentrična masa v četrti točki programa centrifuge

me5 - ekscentrična masa v peti točki programa centrifuge

F - skupna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fn - nadomestna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fc - centrifugalna sila

Fc1 - centrifugalna sila ki deluje na en krak nosilca bobna

Fc3 - centrifugalna sila ki se pojavi v tretji točki programa centrifuge

Fc4 - centrifugalna sila ki se pojavi v četrti točki programa centrifuge

Fc5 - centrifugalna sila ki se pojavi v peti točki programa centrifuge

FBP - sila bobna in perila

F1 - sila ki deluje pravokotno na prvi krak nosilca bobna pri obratovanju

F2 - sila ki deluje pravokotno na drugi krak nosilca bobna pri obratovanju

F3 - sila ki deluje pravokotno na tretji krak nosilca bobna pri obratovanju

- kotna hitrost

MA - moment okoli točke A

Rm - natezna trdnost

Rp02 - meja plastičnosti

E - modul elastičnosti

- gostota

- Poissonovo število

-XI-

UPORABLJENE KRATICE

PPA - Pralno-pomivalni aparati

MKE - Metoda končnih elementov

FEM - Finite Element Method Metoda končnih elementov

HZA - Hladilno-zmrzovalni aparati

KA - Kuhalni aparati

CAD - Computer Aided Design Računalniško podprto konstruiranje

CNC - Computer Numerical Control Računalniško numerično krmiljenje

2D - Risanje v dvodimenzionalnem prostoru

3D - Risanje v trodimenzionalnem prostoru

DOF - Degrees of Freedom Prostostne stopnje

STIWA - Stiftung Warentest Nemška organizacija za testiranje končnih izdelkov

CTETRA (4) - Four-Sided Solid Element with four grid points štirivozliščni volumski

tetraedri

DIN - Deutsches Institut fuumlr Normung

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

11 Opis splošnega področja diplomskega dela

Pred izumom pralnega stroja na električni pogon so morale gospodinje perilo prati ročno

kar je bilo zelo zamudno Zaradi tega so dobili izumitelji nalogo da izdelajo preprosto

napravo s katero bi laţje in hitreje oprali perilo Tako se je pojavil preprost pralni stroj ki je

prikazan na sliki 11 V njem se je perilo premikalo z ročnim vzvodom [1]

Slika 11 Pralni stroj z ročnim vzvodom

Vir httpenwikipediaorgwikiFileWashing_machinejpg

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

-X-

UPORABLJENI SIMBOLI

- število vrtljajev bobna pralnega stroja

L1 - dolţina polovice širine bobna

L2 - polmer bobna

me - ekscentrična masa

me3 - ekscentrična masa v tretji točki programa centrifuge

me4 - ekscentrična masa v četrti točki programa centrifuge

me5 - ekscentrična masa v peti točki programa centrifuge

F - skupna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fn - nadomestna sila ki deluje pravokotno na krak nosilca bobna

Fc - centrifugalna sila

Fc1 - centrifugalna sila ki deluje na en krak nosilca bobna

Fc3 - centrifugalna sila ki se pojavi v tretji točki programa centrifuge

Fc4 - centrifugalna sila ki se pojavi v četrti točki programa centrifuge

Fc5 - centrifugalna sila ki se pojavi v peti točki programa centrifuge

FBP - sila bobna in perila

F1 - sila ki deluje pravokotno na prvi krak nosilca bobna pri obratovanju

F2 - sila ki deluje pravokotno na drugi krak nosilca bobna pri obratovanju

F3 - sila ki deluje pravokotno na tretji krak nosilca bobna pri obratovanju

- kotna hitrost

MA - moment okoli točke A

Rm - natezna trdnost

Rp02 - meja plastičnosti

E - modul elastičnosti

- gostota

- Poissonovo število

-XI-

UPORABLJENE KRATICE

PPA - Pralno-pomivalni aparati

MKE - Metoda končnih elementov

FEM - Finite Element Method Metoda končnih elementov

HZA - Hladilno-zmrzovalni aparati

KA - Kuhalni aparati

CAD - Computer Aided Design Računalniško podprto konstruiranje

CNC - Computer Numerical Control Računalniško numerično krmiljenje

2D - Risanje v dvodimenzionalnem prostoru

3D - Risanje v trodimenzionalnem prostoru

DOF - Degrees of Freedom Prostostne stopnje

STIWA - Stiftung Warentest Nemška organizacija za testiranje končnih izdelkov

CTETRA (4) - Four-Sided Solid Element with four grid points štirivozliščni volumski

tetraedri

DIN - Deutsches Institut fuumlr Normung

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

11 Opis splošnega področja diplomskega dela

Pred izumom pralnega stroja na električni pogon so morale gospodinje perilo prati ročno

kar je bilo zelo zamudno Zaradi tega so dobili izumitelji nalogo da izdelajo preprosto

napravo s katero bi laţje in hitreje oprali perilo Tako se je pojavil preprost pralni stroj ki je

prikazan na sliki 11 V njem se je perilo premikalo z ročnim vzvodom [1]

Slika 11 Pralni stroj z ročnim vzvodom

Vir httpenwikipediaorgwikiFileWashing_machinejpg

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

-XI-

UPORABLJENE KRATICE

PPA - Pralno-pomivalni aparati

MKE - Metoda končnih elementov

FEM - Finite Element Method Metoda končnih elementov

HZA - Hladilno-zmrzovalni aparati

KA - Kuhalni aparati

CAD - Computer Aided Design Računalniško podprto konstruiranje

CNC - Computer Numerical Control Računalniško numerično krmiljenje

2D - Risanje v dvodimenzionalnem prostoru

3D - Risanje v trodimenzionalnem prostoru

DOF - Degrees of Freedom Prostostne stopnje

STIWA - Stiftung Warentest Nemška organizacija za testiranje končnih izdelkov

CTETRA (4) - Four-Sided Solid Element with four grid points štirivozliščni volumski

tetraedri

DIN - Deutsches Institut fuumlr Normung

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

11 Opis splošnega področja diplomskega dela

Pred izumom pralnega stroja na električni pogon so morale gospodinje perilo prati ročno

kar je bilo zelo zamudno Zaradi tega so dobili izumitelji nalogo da izdelajo preprosto

napravo s katero bi laţje in hitreje oprali perilo Tako se je pojavil preprost pralni stroj ki je

prikazan na sliki 11 V njem se je perilo premikalo z ročnim vzvodom [1]

Slika 11 Pralni stroj z ročnim vzvodom

Vir httpenwikipediaorgwikiFileWashing_machinejpg

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

11 Opis splošnega področja diplomskega dela

Pred izumom pralnega stroja na električni pogon so morale gospodinje perilo prati ročno

kar je bilo zelo zamudno Zaradi tega so dobili izumitelji nalogo da izdelajo preprosto

napravo s katero bi laţje in hitreje oprali perilo Tako se je pojavil preprost pralni stroj ki je

prikazan na sliki 11 V njem se je perilo premikalo z ročnim vzvodom [1]

Slika 11 Pralni stroj z ročnim vzvodom

Vir httpenwikipediaorgwikiFileWashing_machinejpg

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-2-

Na sliki 12 je prikazan prvi pralni stroj z električnim pogonom izumljen v ZDA okoli

leta 1930 [1]

Slika 12 Pralni stroj z električnim pogonom

Vir httppurpleslinkycomtriviahistorywhen-was-the-washing-machine-invented

V šestdesetih letih so si pralne stroje pri nas lahko privoščili le najpremoţnejši in še te

so uvozili iz tujine v sedemdesetih letih pa so jih licenčno pričeli izdelovati v Gorenju

Razvoj je napredoval tako daleč da danes boben pralnega stroja preko ploščatega jermena

ţene zmogljiv elektromotor Celoten aparat z vgrajeno elektroniko sam nadzoruje cikle

pranja splakovanja oţemanja in celo sušenja V razvitem svetu verjetno ni več

gospodinjstva ki bi perilo pralo ročno Sedaj za pranje perila ne potrebujemo nobenih

posebnih spretnosti in fizičnega napora saj nam proizvajalci ponujajo pestro izbiro različnih

modelov za še tako zahtevne kupce

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-3-

Na sliki 13 je prikazan sodoben pralni stroj

Slika 13 Pralni stroj Gorenje WA72145BK

Vir httpwwwnakupovanjenetgorenje-pralni-stroj-wa72145bk-pr-1188069

Tempo ţivljenja je iz leta v leto hitrejši zato so razvojni inţenirji primorani iskati

inovativne a hkrati preproste rešitve Ustvariti skušajo čim bolj varen ter uporabniku

prijazen pralni stroj Da bi dobili ţelene rezultate je potrebno nenehno izvajati meritve

testiranja in preizkuse Za to pa so potrebni različni merilni inštrumenti ter ostala dodatna

oprema ki je zelo draga

12 Opis obravnavanega problema

Vedno večja konkurenca na globalnem trgu zahteva od projektantov ter proizvajalcev

tehnične in investicijske opreme ter objektov vse večjo ekonomičnost in produktivnost

Energetska kriza sedemdesetih let je vzpodbudila strokovnjake da so se poleg shranjevanja

energije in pridobivanja njenih alternativnih virov začeli ukvarjati predvsem z razvojem

metod in tehnologij za varčnejšo porabo energije in surovin ter racionalnejšo proizvodnjo

Ekološka osveščenost ponekod ţe kar potreba sili modernega človeka da deluje na naravo

čim manj škodljivo in jo čim manj izrablja Tako ekonomska potreba po preţivetju človeka

kakor ekološka osveščenost o njegovem zdravem in srečnem ţivljenju v neokrnjenem okolju

sta zahtevali bistveno spremembo človekove miselnosti in njegovih navad Spremenil se je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-4-

tudi tok razvoja znanosti ki je prvotno sluţila samo človeku in njegovim potrebam danes pa

vse bolj celotnemu ţivemu vesoljnemu stvarstvu katerega del je tudi človek

Na tehničnih področjih se je rodilo spoznanje da je potrebno razvijati takšno znanost

ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč tudi varčnih ter ekološko

prijaznih tehnik in tehnologij porabo energije in surovin načrtovanje proizvodnih procesov

izdelkov ter trţenje pa je potrebno smotrno načrtovati in optimirati Razvoj in uporaba

optimizacijskih metod torej postajata vse večji potrebi modernega tehničnega človeka Kljub

temu da se z optimizacijskimi metodami še vedno preteţno ukvarjajo le v različnih

znanstveno-raziskovalnih okoljih pa postaja optimiranje vse bolj uporabna znanstvena

disciplina v sodobni inţenirski praksi

Odkar obstaja graditeljstvo in odkar se gradijo konstrukcije so se le-te načrtovale in

gradile vselej znotraj okvirja ki ga je na eni strani pogojevala zahteva po funkcionalnem

stabilnem in estetsko zasnovanem objektu na drugi strani pa potreba po racionalni in

ekonomični gradnji ter eksploataciji objekta Graditelji so ne glede na dobo v kateri so

ţiveli vedno ţeleli premagati omenjeno osnovno protislovje V točki kjer bi se popolnoma

zoţil omenjeni okvir oziroma kjer bi se zdruţile vse prej omenjene funkcije bi namreč

dobili optimalni objekt oziroma konstrukcijo

13 Namen in cilji diplomskega dela

V diplomski nalogi smo opisali postopek optimiranja nosilca bobna pralnega stroja in sicer

gre za projekt podjetja Gorenje dd program PPA (pralno-pomivalni aparati) ki mi kot

svojemu štipendistu v času srednješolskega visokošolskega ter univerzitetnega

izobraţevanja nudi moţnost opravljanja prakse v okviru njihove dejavnosti

Kot vemo cene surovin vztrajno rastejo s tem pa tudi stroški podjetij Pri sodobnih

gospodinjskih aparatih se zahteva vedno večja zmogljivost in hkrati čim niţja cena končnega

izdelka zato je potrebno sestavne dele pralnega stroja konstrukcijsko optimizirati tako da se

doseţe čim manjša masa Poleg tega je potrebno elemente prilagoditi na obremenitvene

pogoje To prinaša pri velikoserijski proizvodnji prihranek mnogih stroškov V letu 2010 se

je podraţila aluminijeva zlitina AlSi9Cu3 kar za 35 Zaradi tega je nujna potreba po

zmanjšanju mase izdelka Sodobna računalniška tehnologija omogoča simulacije preizkusa

in numerične analize takšnih elementov Na takšen način je mogoče izvesti virtualni

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-5-

preizkus in s simulacijo opazovati prenašanje sil po elementu ter iskanje kritičnih točk

vendar pa je za to potrebno veliko znanja na področju simulacij in numeričnih analiz

Cilj diplomskega dela je bil najti čim bolj optimalno konstrukcijo nosilca bobna

pralnega stroja s pomočjo analize po MKE in s to metodo tudi določiti kritična mesta

nosilca Zadali smo si nalogo da maso nosilca bobna zmanjšamo za 10 od obstoječe Na

sliki 14 je prikazan 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

Slika 14 3D-model obstoječega nosilca ki povezuje boben z gredjo

14 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih glavnih poglavij uvod predstavitev podjetja

Gorenje dd teoretična izhodišča meritve in analitični preračun nosilca bobna pralnega

stroja optimizacija konstrukcije nosilca bobna sklep viri in literatura Vsako izmed teh

poglavij ima še podpoglavja

V grobem bi diplomsko delo lahko razdelili na dva dela in sicer na analitični in

numerični del V analitičnem delu so predstavljene analitične poti za preračun

obravnavanega nosilca bobna v numeričnem pa so analitični preračuni koristili za

optimizacijo nosilca s pomočjo analize po metodi končnih elementov v programskem paketu

za 3D-modeliranje UGS NX 50 in solverju NX NASTRAN 50

obstoječi trikraki

nosilec

boben

gred

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-6-

2 PREDSTAVITEV PODJETJA GORENJE DD

Gorenje dd se je razvilo iz majhne tovarne v vasi Gorenje leta 1950 v danes eno izmed

najuspešnejših slovenskih podjetij Odlikujejo ga lastna tehnologija in visoka kvaliteta

izdelkov izvozna naravnanost (90 ) predvsem pa dobro poznavanje ţelja kupcev skrb za

zaposlene in šolanje kadrov Zaposluje 10907 ljudi ki v enem letu proizvedejo nekaj manj

kot tri milijone velikih gospodinjskih aparatov Izvoz vršijo po celem svetu in sicer v

sedemdesetih drţavah ki so povezane v skupen sistem na podlagi kapitalskih deleţev Na

sliki 21 je prikazan glavni vhod v podjetje Gorenje dd

Slika 21 Glavni vhod podjetja Gorenje

Osnovna dejavnost je proizvodnja bele tehnike ki zajema proizvodnjo hladilno-

zamrzovalnih aparatov (HZA) kuhalnih aparatov (KA) in pralno-pomivalnih aparatov

(PPA) Okoli petinosemdeset odstotkov proizvedenega programa predstavljajo pod lastno

blagovno znamko (Gorenje ATAG Sidex Korting Gorenje Pacifik Etna Pelgrim hellip)

Izdelava in montaţa sta v veliki meri avtomatizirani ter delno robotizirani V prihodnje ima

podjetje namen vlagati v tehnologije ki bodo to stopnjo še povečevale

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-7-

21 Tehnološka področja

Tehnološka področja podjetja Gorenje dd so

hladilno-zamrzovalni aparati (06 mio kosov letno Velenje 04 mio kosov letno

Valjevo Srbija)

pralni in sušilni stroji (07 mio kosov letno Velenje)

kuhalni aparati (09 mio kosov letno Velenje 03 mio kosov letno Mora Moravia

Češka)

grelniki vode (lokacija Ljubljana ndash Slovenija lokacija Stara Pazova ndash Srbija)

Pomoţne dejavnosti pa so strojegradnja orodjarstvo izdelava grelnikov vode

izdelava pohištva računalniki in oprema trgovina storitvene dejavnosti gostinstvo in

turizem

22 Reference

Struktura prodaje aparatov za dom po svetu

Nemčija 18

Francija 15

Italija 11

Anglija 11

Španija 8

Romunija 7

Skandinavija 6

Poljska 5

ZDA 4

Nizozemska 3

Belgija 2

Avstrija 2

Ukrajina Portugalska Madţarska Romunija Slovaška Hrvaška Bolgarija

Slovenija Litva Latvija Estonija 9

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-8-

3 OPIS UPORABLJENIH INŽENIRSKIH ORODIJ

31 Osnove 3D-modeliranja

Danes je uporaba CAD-programske opreme za inţenirska dela skoraj neizbeţna Rešujejo se

zapleteni in obseţni problemi ki jih v tako kratkem času kot jih narekuje konkurenca ni

mogoče rešiti brez ustrezne programske opreme Večina CAD-programov ţe omogoča

modeliranje avtomatsko izdelavo načrtov 3D-animacije preračune modelov ter razne

analize [2]

Takšni programi so

UGS NX

Inventor

ProENGINEER

Catia

SolidWORKS itd

Osnova vseh teh programskih paketov je izključno 3D-modeliranje ki ga pred 2D-

risanjem odlikujeta predvsem popoln pregled nad modelom ter hitra in popolna izdelava 2D-

načrtov S pomočjo izdelanega 3D-modela je mogoča tudi izdelava programa za avtomatsko

izdelavo izdelkov na CNC-strojih

S takšno ponudbo CAD-programov je inţenirsko delo veliko bolj učinkovito Seveda

je potrebno poudariti da mora hitremu razvoju programov slediti tudi zmogljivejša

računalniška strojna oprema ki je osnovni pogoj za učinkovito delo

V nadaljevanju so opisana tista inţenirska orodja ki smo jih uporabili pri svojem delu

32 Predstavitev programskega paketa UGS NX 50

UGS NX 50 je sodoben program za 3D-konstruiranje Odlikujejo ga enostavna uporaba

pregleden uporabniški vmesnik enostavna in učinkovita izdelava velikih sestavov moţnost

izdelave druţin posameznih komponent (Parts) sestavov (Assembly) in gradnikov

(Features) [3]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-9-

Program UGS NX 50 sestavljajo

osnovni modul 3D-modeliranje (Modeling prt)

modul za oblikovanje pločevine (NX Sheet Metal prt)

modul za proizvodnjo (Manufacturing prt)

modul za simulacijo gibanja (Motion Simulation)

modul za analizo in simulacijo (Advanced Simulation) in

modul za izdelavo tehniške dokumentacije (Drafting prt)

V podjetju Gorenje dd imajo večino naštetih modulov

Uporabniški vmesnik UGS NX ima več podoken preko katerih izbiramo posamezne

ukaze in gradnike Slika 31 prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50

Slika 31 Prikaz okna CAD-programa UGS NX 50

Programski paket NX ima na voljo moţnost analize in simulacij v modulu Advanced

Simulation (napredno simuliranje) To je obseţen vsestranski modelirnik in solver končnih

delovno območje

koordinatni

sistem

drevo modela

modulna

orodja

sistemska

navodila

padajoči meniji izbira ukazov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-10-

elementov ter izdelek za vizualizacijo rezultatov ki je namenjen potrebam izkušenih

analitikov Advamced Simulation vsebuje celovito zbirko pre- in postorodij ter podpira

široko paleto produktov za učinkovito vrednotenje rešitev

Slika prikazuje uporabniški vmesnik UGS NX 50 in sicer modul za analize in

simulacije (Advanced Simulation)

Slika 32 Modul za MKE-analizo (Advanced Simulation) v programskem paketu UGS

Advanced Simulation zagotavlja brezhibno pregledno podporo za številne v industriji

standardne oz največkrat uporabljane solverje kot so NX Nastran MSC Nastran ABAQUS

in ANSYS Ko naredite mreţo ali solucijo v Advanced Simulation uporabnik določi solver

ki ga ima namen uporabiti za rešitev in vrsto analize katero ţeli izvajati Program nato

ponudi vso mreţenje robne pogoje in solucijske moţnosti ki uporabljajo terminologijo

oziroma jezik uporabljenega solverja in za izbrano vrsto analize Poleg tega lahko uporabnik

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-11-

brez predhodnega izvaţanja podatkovnih datotek in uvajanja rezultatov reši svoj model ter

vidi rezultate direktno v Advanced Simulation

Advanced Simulation ponuja vso funkcionalnost ki je na voljo v Design Simulation

ter številne dodatne funkcije ki podpirajo procese napredne analize

33 Osnove metode končnih elementov

Klasične metode reševanja inţenirskih problemov zveznih domen (trdna telesa tekočine

elektromagnetno polje temperaturno polje itd) temeljijo na reševanju vodilnih

diferencialnih enačb ki opisujejo obnašanje domen pri različnih vplivih in katerih natančno

rešitev je mogoče določiti samo za enostavne probleme Z diferencialnimi enačbami

predstavlja opisno obnašanje zveznih domen v osnovi neskončno število neznanih vrednosti

osnovnih spremenljivk (pomik sila deformacija napetost temperatura hitrost itd) oziroma

prostostnih stopenj (angleško Degrees of Freedom ndash DOF) ki jih za zahtevnejše probleme ni

mogoče določiti tako da bi v popolnosti zadovoljevale vodilne diferencialne enačbe v

celotnem območju obravnavane domene Zato v tem primeru uporabljamo približne

numerične modele ki temeljijo na diskretizaciji zvezne domene pri čemer z ustreznimi

matematičnimi postopki pretvorimo vodilne diferencialne enačbe v zbir algebrajskih enačb

[4]

Metoda končnih elementov (MKE angleško Finite Element Method (FEM)) je

numerična metoda ki temelji na razdelitvi (mreţenju diskretizaciji) obravnavane zvezne

domene na manjše dele ki jih imenujemo končni elementi Mreţa končnih elementov je

medsebojno povezana v karakterističnih točkah oziroma vozliščih v katerih vrednotimo

končno število računsko določljivih neznanih osnovnih spremenljivk S pomočjo

interpolacijskih funkcij predpostavimo variacijo osnovnih spremenljivk znotraj končnih

elementov v odvisnosti od njihovih vozliščnih vrednosti Interpolacijske funkcije morajo

zadovoljevati določene pogoje vzdolţ robov elementov da se diskretizirani računski model

pri določenih robnih in začetnih pogojih obnaša čim bolj podobno odzivu zvezne domene

(slika 33) Natančnost numerične rešitve je tem večja čim podrobnejša je diskretizacija

oziroma čim večje je število končnih elementov ali stopnja interpolacijskih funkcij [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-12-

Geometrijski model Numerični model

Slika 33 Princip metode končnih elementov

Sestavljene konstrukcije pogojujejo diskretizacijo z velikim številom končnih

elementov pri čemer je potrebno numerično določiti veliko število neznank kar je brez

uporabe računalnikov zelo zamudno Zaradi tega je bilo izdelano veliko število namenskih

računalniških programov za analize inţenirskih problemov po metodi končnih elementov od

katerih so v inţenirski strojniški praksi najbolj razširjeni Abaqus ANSYS in NX

NASTRAN [4] Metodo končnih elementov uporabljamo v mehaniki deformabilnih teles za

reševanje statičnih in dinamičnih problemov za reševanje splošnih problemov raznih

domen kot so preračun temperaturnih domen analiza toka tekočin ali elektromagnetna

polja

razdelitev na elemente

materialne lastnosti

lastnosti elementov

Robni pogoji

Obremenitve

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-13-

4 DOLOČITEV OBREMENITVE NOSILCA BOBNA

PRALNEGA STROJA

Preden smo se lahko sploh lotili modeliranja geometrije ter izvajanja numerične analize

nosilca bobna pralnega stroja je bilo potrebno določiti obremenitve Za določitev teh smo

najprej izračunali centrifugalno silo ki je odvisna od ekscentrične mase me števila obratov

bobna n ter polmera bobna L2 Skica na sliki 41 prikazuje model obremenitve zaradi

centrifugalne sile ki deluje na boben in jo lahko karakteriziramo z rezultirajočo

centrifugalno silo Fc na razdalji L1

Slika 41 Skica ki prikazuje delovanje centrifugalne sile

Sila ki deluje na nosilec se pojavi zaradi visokih vrtljajev (1400 min-1

) in

neenakomerno porazdeljenega perila v bobnu Elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovoljuje maksimalno ekscentričnost mase 04 kg ki rezultira v dodatni

nesimetrični obremenitvi bobna s centrifugalno silo To pomeni da elektronski nadzor pri tej

masi še dovoljuje maksimalne obrate bobna in ne pride do njihove redukcije oziroma

zmanjšanja Če bi se pojavila večja ekscentrična masa od dovoljene boben ne bi dosegel

maksimalnih obratov Za celotno razumevanje je potrebno poznati potek in način izvajanja

centrifuge

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-14-

Program centrifuge je prikazan na sliki 42

Slika 42 Diagram poteka samostojne centrifuge

Program centrifuge poteka v več korakih Razlog za to je da se perilo pravilno

razporedi saj bi nerazporejeno perilo povzročilo preveč skoncentrirano maso in posledično

preveliko centrifugalno silo Posledice bi bile premikanje pralnega stroja po prostoru ali

uničenje oziroma okvara komponent Tako stroj najprej zavrti boben za kratek čas s 500

min-1

Tehogenerator s svojim sistemom meri ali je ekscentričnost mase manjša od

predpisane in sicer manj od 04 kg Razporejanje mase se ponovi z obrati 700 min-1

Sledi

ponovno preverjanje ekscentričnosti Tretje razporejanje in merjenje se izvede v naslednjem

koraku pri 400 min-1

Če je tehogenerator zaznal dovoljeno ekscentrično maso preide stroj v

fazo centrifuge vendar najprej le do obratov 900 min-1

Tukaj poteka še zadnje merjenje

ekscentričnosti in če je v predvidenih mejah se obrati dvignejo do najvišjih 1400 min-1

[6]

Do sedaj so se za izračun centrifugalne sile vedno uporabljali predpisana ekscentrična

masa 04 kg za prazen boben ter najvišji obrati bobna [6] Zaradi velikih vrtljajev in

posledično velikih centrifugalnih sil je v določenih primerih prišlo do brušenja bobna ob kad

in do končne odpovedi pralnega stroja oziroma zloma nosilca bobna Zaradi tega smo se v

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-15-

podjetju odločili da v laboratoriju za stabilnost pralnih strojev opravimo meritve in sicer

nas je zanimalo kakšno ekscentrično maso dovoljuje elektronski nadzor pralnega stroja če

je v bobnu polno perila Zanimal nas je tudi podatek če se maksimalna centrifugalna sila res

pojavi pri maksimalnih vrtljajih

41 Meritve ekscentričnosti mase perila pri obratovanju pralnega stroja

Meritve so potekale v laboratoriju na pralnem stroju tipa Gorenje WA73121 Najprej smo

izbrali merilne točke v diagramu programa samostojne centrifuge prikazane na sliki 43

Slika 43 Določitev merilnih točk v diagramu poteka samostojne centrifuge

Pred izvajanjem programa centrifuge je bilo potrebno omočiti 7 kg suhega perila

prikazano na sliki 44 Omočeno perilo je tehtalo 20285 kg

3

5

4

2

1

0

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-16-

Slika 44 Omočenje in tehtanje perila

V vsaki točki smo program centrifuge prekinili vzeli perilo iz pralnega stroja ter ga

stehtali Med prekinitvami je bilo potrebno perilo vedno znova omočiti V preglednici 1 so

zapisani podatki o masah perila in sicer se je postopek ponovil trikrat da smo dobili

povprečne vrednosti

Preglednica 1 Podatki o masah perila po posamezni točki

Suho

perilo

(omočeno perilo) Točka 0

(kg)

Točka 1

(kg)

Točka 2

(kg)

Točka 3

(kg)

Točka 4

(kg)

Točka 5

(kg)

Cikel 1 7 kg 202 187 155 142 130 111

Cikel 2 7 kg 202 191 163 143 129 110

Cikel 3 7 kg 202 185 159 143 126 113

Povprečje mas

perila 188 159 143 128 111

Na podlagi podatkov iz preglednice 1 je bilo potrebno za vsako točko poiskati

maksimalno ekscentrično maso Zaradi laţjega poteka meritev smo maso perila iz

posameznih točk nadomestili s silikonskimi uteţmi ter jih enakomerno razporedili po obodu

bobna Prav tako je silikonska uteţ nadomeščala ekscentrično maso ki jo je bilo potrebno

poiskati s preizkušanjem Kombinacija je prikazana na sliki 45

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-17-

Slika 45 Razporejen silikon po obodu bobna ter silikonska ekscentrična masa

Najprej smo iskali ekscentrično maso v peti točki kjer je povprečna masa perila

znašala 11173 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Za ekscentrično maso smo na začetku pritrdili silikon mase 05 kg V

tem primeru se je moral program centrifuge izvršiti do konca S pomočjo laserskega

merilnika števila vrtljajev DTndash10 L smo ugotavljali ali bo elektronski nadzor dovolil obrate

bobna pralnega stroja ki so predpisani v izbrani točki ne da bi prišlo do zmanjšanja oziroma

redukcije vrtljajev

Pri tej merilni napravi gre za optični merilnik števila vrtljajev s točkovno natančnim

merilnim laserjem Merjenje poteka na osnovi odbijanja od samolepilne nalepke ki smo jo

nalepili na gnano jermenico bobna Merilnik števila vrtljajev oddaja rdeč laserski ţarek ki

se odbija z oznake Svetlobna dioda v merilniku registrira odbito svetlobo laserja in jo

ovrednoti Princip je prikazan na sliki 46

Slika 46 Prikaz merjenja vrtljajev bobna

samolepilna oznaka

za odbijanje

laserski ţarek

optični merilnik

ekscentrična masa

iz silikona silikon ki

nadomešča perilo

vzmet za

pritrjevanje

samolepilna oznaka

za odbijanje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-18-

V tem primeru se je program centrifuge izvršil kar pomeni da boben s pritrjeno

ekscentrično maso 05 kg dosega predpisane vrtljaje Nato smo postopoma večali

ekscentrično maso in opazovali doseţeno število vrtljajev Postopek smo ponavljali tako

dolgo dokler se število maksimalnih vrtljajev ni pričelo manjšati Tako smo našli

maksimalno dopustno ekscentrično maso Rezultati meritev so prikazani v preglednici 2

Preglednica 2 Rezultati meritev za peto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

1345 1340

1046 1346

1047 1345

1047

1345 Povprečno št obratov 1344

1340

Maksimalna ekscentrična masa za peto točko je tako 075 kg Da smo lahko potrdili to

maso pri predpisanih vrtljajih smo opravili tri cikle meritev Takšen postopek merjenja kot

se je izvajal za peto se je izvajal tudi za ostale merilne točke

Naslednje meritve so se izvajale za četrto točko kjer je povprečna masa perila znašala

12883 kg V boben je bilo potrebno enakomerno razporediti silikon in sicer

Rezultati meritev največje ekscentričnosti mase so prikazani v preglednici 3

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-19-

Preglednica 3 Rezultati meritev za četrto točko

Ekscentrična masa

(em )

Število obratov n

( 1min )

Določena

ekscentrična masa em

( 1min )

1345 1340

1046 1348

1047 1346

1340

Povprečno št obratov 1345

Po predvidevanjih se ekscentrična masa iz točke 5 ki znaša pri 111 kg

silikona poveča na maso pri 129 kg silikona v točki 4

V tretji točki je znašala povprečna masa perila 14354 kg V boben je bilo potrebno

enakomerno razporediti silikon in sicer Rezultati opravljenih meritev

so prikazani v preglednici 4

Preglednica 4 Rezultati meritev za tretjo točko

Ekscentrična masa

( em )

Število obratov n

( 1min )

Določena ekscentrična

masa em ( 1min )

870 861

850 850

861 865

852

Povprečno št obratov 858

Za to točko je znašala ekscentrična masa 1 kg pri vrtljajih bobna 861 min-1

V točkah 1

in 2 meritve nismo opravili saj so se ţe v tretji točki pojavljale močnejše vibracije pralnega

stroja Teţji kot je bil silikon v bobnu do večjega prekrivanja ekscentrične mase je

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-20-

prihajalo V realnih razmerah do teh primerov ne pride Meritev za prvo in drugo točko

nismo izvajali tudi zato da ne bi prišlo do končne odpovedi pralnega stroja

42 Izračun delujoče centrifugalne sile

Po vseh pridobljenih podatkih iz meritev smo lahko preverili ter izračunali v kateri točki se

pojavi največja centrifugalna sila in če se le-ta pojavi pri najvišjih obratih kot je bilo

upoštevano v preračunih za obstoječe nosilce do sedaj

Formula za izračun centrifugalne sile bobna je sledeča [5]

(41)

me kg ndash ekscentrična masa

L2 m ndash polmer bobna

ω rads ndash kotna hitrost bobna

n s-1 ndash število obratov bobna

u ms ndash obodna hitrost bobna

Za merilno točko tri je tako velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Za merilno točko štiri je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-21-

Za merilno točko pet pa je velikost centrifugalne sile zaradi ekscentričnosti mase enaka

Iz rezultatov je razvidno da se največja centrifugalna sila pojavi v merilni točki 4 kjer

so najvišji obrati bobna dopustna ekscentrična masa pa je 09 kg

Po najnovejših informacijah vsa vodilna podjetja ki izdelujejo pralne stroje

uporabljajo kriterije po StiWa testu Gre za nemško organizacijo Stiftung Warentest kjer

testirajo ter analizirajo različne končne izdelke raznolikih proizvajalcev Ta organizacija

postavlja kriterije po katerih naj bi se proizvajalci končnih izdelkov tudi zgledovali Če

testirajo različne pralne stroje objavijo rezultate v reviji Testsieger

Po StiWa testu se za preračun centrifugalne sile na boben upošteva ekscentrična masa

08 kg pri številu obratov bobna 1400 min-1

[6]

43 Ugotovitve ter določitev ekscentrične mase

Po testiranjih ki smo jih opravljali v podjetju smo ugotovili da se največja centrifugalna

sila pojavi v primeru točke 4 ko je ekscentrična masa 09 kg pri maksimalnih obratih 1345

min-1

V praksi kadar imamo v bobnu perilo do takšne ekstremne ekscentrične mase ne

pride Ekscentrična masa se skozi cikel med točko štiri in pet kjer so konstantni obrati

spreminja od 09 kg do 075 kg zato smo za nadaljnji preračun vzeli povprečno vrednost

Izračun povprečne vrednosti ekscentrične mase je tako

(42)

me kg - povprečna ekscentrična masa

me4 kg - ekscentrična masa v četrti točki

me5 kg - ekscentrična masa v peti točki

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-22-

Povprečna vrednost ekscentrične mase je tako 825 kg Ker so bili rezultati meritev

skoraj enaki StiWa testu ki določa ekscentrično maso 08 kg pri številu vrtljajev 1400 min-1

[6] smo slednjo uporabili kot izhodišče za nadaljnje preračune obremenitev ki delujejo na

nosilec bobna

44 Izračun nadomestne sile zaradi delovanja neuravnoteţene

centrifugalne sile

Z določitvijo ekscentrične mase smo lahko nadaljevali z izračunom nadomestne sile zaradi

delovanja neuravnoteţene centrifugalne sile

Prva predpostavka je da se celotna centrifugalna sila porazdeli na dva kraka nosilca

bobna pralnega stroja Vzrok za to je potek meritev saj smo silikonsko uteţ ki je

nadomeščala ekscentrično maso pritrdili med dva kraka nosilca kot je razvidno s slike 47

Podoben postopek meritev opravljajo tudi pri StiWa testu

Slika 47 Poloţaj ekscentrične mase

Najprej je bilo potrebno izračunati centrifugalno silo z upoštevanjem ekscentrične

mase 08 kg ki smo jo izbrali po kriteriju StiWa

silikon ki nadomešča

ekscentrično maso

poloţaj krakov nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-23-

Deleţ centrifugalne sile ki deluje na en krak je torej

(43)

Skica na sliki 48 prikazuje model prenosa obremenitve na nosilec

Slika 48 Prenos sile na nosilec bobna

Za izračun nadomestne sile Fn ki deluje pravokotno na dva kraka smo nastavili

momentno enačbo okoli točke A

(44)

(45)

(46)

Fn

Fc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-24-

Upoštevati je bilo potrebno tudi silo bobna in perila FBP ki je odvisna od njune mase

ki prav tako deluje pravokotno na vsak krak nosilca bobna To silo so v podjetju izračunali

ţe prej zato je nismo ponovno določevali njena vrednost pa je 190 N

Na sliki 49 so prikazane sile ki delujejo na posamezni krak nosilca med

obratovanjem

Slika 49 Delovanje obremenitev na posamezne krake obstoječega nosilca pri obratovanju

Sili F1 in F2 sta enaki in sestavljeni iz nadomestne sile Fn ter sile bobna in perila FBP

Sila F3 pa je enaka sili FBP

F3

F2

F1

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-25-

5 DOLOČITEV OPTIMALNE KONSTRUKCIJE NOSILCA

BOBNA

51 Izdelava različnih konstrukcijskih variant nosilca bobna

Najprej je bilo potrebno s pomočjo programskega paketa za 3D-modeliranje UGS NX 50

zmodelirati nekaj konstrukcijskih variant nosilca bobna V diplomski nalogi smo predstavili

le tri variante dejansko pa jih je bilo ovrednotenih pet

Namen je bil poiskati čim bolj optimalno obliko ter zmanjšati maso nosilca vsaj za 10

od obstoječe ki znaša 10798 kg V smislu racionalizacije bi to pomenilo bistveno manjše

stroške saj je znano da optimiranje konstrukcije nosilca bobna in izdelava ter priprava

novih orodij za litje predstavljajo velike stroške Zelo pomembno je da se z zmanjšanjem

mase vsi ti stroški poplačajo hkrati pa še vedno predstavljajo velike prihranke

Pri iskanju idej za novo obliko nosilca smo si pomagali s podrobnim ogledom nekaj

konkurenčnih nosilcev Na slikah od 51 do 55 so poleg obstoječega nosilca prikazani še

različni nosilci drugih proizvajalcev pralnih strojev

Slika 51 Obstoječi nosilec pralnega stroja Gorenje

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-26-

Slika 52 Nosilec bobna pralnega stroja Ariston

Slika 53 Nosilec bobna pralnega stroja Hoover

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-27-

Slika 54 Nosilec bobna pralnega stroja Electrolux

Slika 55 Nosilec bobna pralnega stroja Siemens

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-28-

511 Modeliranje prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Najprej smo se osredotočili na dovoljene prostorske dimenzije nosilca saj mora biti le-ta

prilagojen dnu bobna Na sliki 56 je prikazan sklop

Slika 56 Prilagajanje obstoječega nosilca z dnom bobna

Poleg tega smo morali upoštevati potreben prostor med dnom kadi pralnega stroja ter

nosilcem da pri obratovanju ne bi prišlo do medsebojnega brušenja

Pri prvi varianti smo obdrţali omega obliko kraka obstoječega nosilca Na sliki 57 sta

prikazana prereza obstoječega kraka ter krak prve variante nosilca bobna

Slika 57 Prereza krakov (omega oblika) nosilca bobna

obstoječi trikraki nosilec

dno bobna

prerez prve variante prerez obstoječega kraka

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-29-

Med profilom posameznega kraka smo zmodelirali luknje v obliki trikotnikov ter

večkotnikov Na sliki 58 je prikazana kombinacija teh lukenj z ene in druge strani nosilca

bobna

Slika 58 Model prve konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

512 Modeliranje druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri drugi varianti se je porodila ideja da bi osnovni profil kraka nadomestili z obliko dvojne

omege kar je prikazano na sliki 59

Slika 59 Prerez kraka (oblika dvojne omege) nosilca bobna

luknja v obliki trikotnika (pogled s sprednje strani)

luknja v obliki večkotnika

(pogled z zadnje strani)

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-30-

Rebra okoli pesta smo razporedili podobno kot so na obstoječem nosilcu le da na

notranji strani Druga varianta je prikazana na sliki 510

Slika 510 Model druge konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

513 Modeliranje tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

Pri tretji varianti se je ohranila oblika profila kraka (dvojna omega) iz druge variante le da

smo dodali zaključne robove Prerez profila je prikazan na sliki 511

Slika 511 Prerez kraka tretje konstrukcijske variante nosilca bobna

dodan rob

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-31-

V tem primeru nismo dodali reber okoli pesta Model je prikazan na sliki 512

Slika 512 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna v dveh pogledih

52 Izdelava numeričnih modelov in računalniške simulacije posameznih

variant nosilca bobna po metodi končnih elementov

Kot smo ţe povedali ima programski paket UGS NX 50 moţnost analize in simulacije v

modulu Advanced Simulation (napredno simuliranje) Sodobni predprocesorji omogočajo

generiranje mreţe končnih elementov na izdelan 3D-model S tem je prihranjeno določanje

osnovnih dimenzij mreţe končnih elementov V tem 3D-paketu je za preračun moţno izbrati

solver (Nastran Ansys Abaqus) in vrsto analize (statična linearna oziroma nelinearna

dinamična termična itd)

V tej fazi smo lahko pričeli z optimiranjem konstrukcije nosilca bobna Vsako varianto

nosilca oziroma geometrijske modele je bilo potrebno pretvoriti v numerične modele Za

tem je sledil preračun napetosti ki se pojavijo zaradi delovanja obremenitev na nosilec

bobna in sicer s pomočjo izbranega solverja V naših primerih sta bila izbrana solver NX

NASTRAN in statični tip analize

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-32-

Numerična metoda nam zelo olajša optimiranje konstrukcije Če z rezultati nismo

zadovoljni lahko popravimo geometrijski model (s tanjšanjem oziroma debeljenjem sten z

dodajanjem ali odvzemanjem reber itd) do zadovoljive mere

V nadaljevanju sta podrobneje prikazana postopek pretvarjanja geometrijskega v

numerični model ter izvajanje preračuna s pomočjo izbranega solverja

521 Numerična analiza obstoječega nosilca bobna pralnega stroja

Za referenco in da smo lahko na koncu primerjali rezultate med obstoječim nosilcem ter

novimi variantami je bilo potrebno izvesti numerično analizo tudi za obstoječega Na sliki

513 je prikazan geometrijski model obstoječega nosilca

Slika 513 Geometrijski model obstoječega nosilca

3D-model nosilca bobna je bil uvoţen v aplikacijo Advanced Simulation ki omogoča

izvajanje simulacije Nato je bilo potrebno izbrati vrsto analize ndash izbrali smo statični tip

Sledilo je avtomatsko generiranje mreţe razvidno s slike 514 Izbrani so bili elementi

CTETRA (4) ki so štirivozliščni volumski tetraedri s kvadratno interpolacijsko funkcijo [4]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-33-

Program sam izračuna predlagano velikost elementov 625 mm (overall Element Size)

vendar je bila izbrana nekoliko bolj fina mreţa z elementi velikosti 5 mm

Slika 514 Izbira končnih elementov

Zamreţen model obstoječega nosilca na sliki 515 je tako sestavljen iz 271655

CTETRA (4) elementov ter 82828 vozlišč v mreţi

izbira elementov

velikost elementov

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-34-

Slika 515 Zamreţen obstoječi nosilec

V nadaljevanju je bilo potrebno vnesti materialne lastnosti nosilca bobna ki so podane

v preglednici 5 Nosilec je izdelan z metodo tlačnega litja iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 po

standardu DIN EN 1706 [7]

Preglednica 5 Materialne lastnosti

Skupina

zlitine

Oznaka

zlitine

Natezna

trdnost

Rm

(MPa)

Meja

plastičnosti

Rp02

(MPa)

Modul

elastičnosti

E (MPa)

Gostota

ρ

(kgm3)

Poissonovo

število

ν

AlSi9Cu3 EN AC-

46000 240 140 75000 2750 033

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-35-

V nadaljevanju računalniške simulacije je bilo potrebno določiti mesto vpetja nosilca

Na površini kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred je bila določena fiksna

podpora (Fixed Constraint) Mesto vpetja lahko vidimo na sliki 516

Slika 516 Določitev podpore na mestu vpetja gredi na nosilec bobna

V četrtem poglavju tega diplomskega dela smo ţe določili sile ki delujejo na krake

nosilca bobna Te sile smo predpisali kot enakomerno porazdeljene po površini kontakta

bobna in krakov nosilca na mesta spojev Na sliki 517 sta prikazana mesto ter smer

delovanja skupne sile na krak nosilca bobna

fiksna

podpora

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-36-

Slika 517 Določitev mesta ter smeri delovanja sile na krak nosilca bobna

Sledila je izvedba računalniške simulacije deformiranja obstoječega modela nosilca

po MKE katere rezultati so pomiki vozlišč numeričnega modela in napetosti Na sliki 518

sta prikazana maksimalna von Misesova napetost ki se pojavi v nosilcu ter mesto

koncentracije napetosti

Slika 518 Prikaz kritičnega mesta na nosilcu

smer ter mesto

delovanja sile

maksimalna napetost

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-37-

V barvni skali so napetosti razporejene od najniţjih do meje plastičnosti ki jo podajajo

za izbran material Večje napetosti kot se pojavijo bolj je na modelu obarvano rdeče

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost za ta primer je 1325 MPa kar pomeni da

je pod mejo plastičnosti ki znaša 140 MPa [7]

Na sliki 519 je prikazan največji pomik nosilca bobna ki ima v tem primeru vrednost

2206 mm

Slika 519 Največji pomik kraka obstoječega nosilca

Vsi podatki in rezultati iz računalniške simulacije obstoječega nosilca so nam

koristili za nadaljnje preračune ter primerjavo z novimi variantami nosilcev bobna pralnega

stroja Za nove konstrukcijske variante smo omejili tudi pomik kraka nosilca ki naj ne bi

presegal 2 mm [6]

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-38-

522 Optimiranje konstrukcije prve variante nosilca bobna pralnega

stroja

Postopek pretvarjanja geometrijskega v numerični model je za vse variante ki smo jih

zmodelirali enak kot za obstoječo konstrukcijo nosilca bobna

Začetna masa prve variante nosilca bobna je znašala 0952 kg kar je za dobrih 11

manj od obstoječega nosilca Na sliki 520 je prikazana prva varianta z vrednostjo mase ki

jo izračuna program

Slika 520 Prva konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-39-

Ta model je predstavljal ţeleno maso vendar je bilo potrebno preveriti napetosti ki se

pojavijo pri obremenitvi nosilca Slika 521 prikazuje rezultate opravljene računalniške

simulacije nosilca bobna po metodi končnih elementov

Slika 521 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Rezultati računalniške simulacije so pokazali da se v nosilcu pojavi največja

primerjalna napetost 242 MPa ki pa je precej višja od dopustne napetosti 140 MPa Kritična

mesta se pojavljajo na stičiščih lukenj s stenami profila zato smo se odločili da modelu

dodamo rebra ki so prikazana na sliki 522

Slika 522 Dodana rebra v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna

kritična mesta

rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-40-

Model z dodanimi rebri je imel maso 0988 kg kar je dobrih 8 manj od obstoječega

nosilca Kljub dodanim rebrom je simulacija pokazala še vedno prevelike primerjalne

napetosti v nosilcu prikazane na sliki 523 in sicer 165 MPa

Slika 523 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Ker rezultati še vedno niso bili zadovoljivi smo model popravili z zoţenjem krakov

nosilca odebelitvijo sten profila ter dodatkom večkotne luknje na krak Spremenjeni model

prikazan na sliki 524 je imel maso 101 kg kar je 7 manj od obstoječega nosilca

Slika 524 Spremenjena oblika prve konstrukcijske variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-41-

Rezultati računalniške simulacije tega modela so pokazali da je maksimalna napetost

138 MPa tik pod mejo plastičnosti (slika 525) Dobro bi bilo dodati še kakšna rebra vendar

bi s tem dodatno povečali maso nosilca ki pa je ţe sedaj prevelika

Slika 525 Napetosti v prvi konstrukcijski varianti nosilca bobna s spremenjeno obliko

Največji pomik kraka nosilca je za prvo konstrukcijsko varianto enak 136 mm (slika

526)

Slika 526 Največji pomik kraka nosilca prve konstrukcijske variante

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-42-

523 Optimiranje konstrukcije druge variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri drugi varianti kjer smo za obliko kraka uporabili dvojno omego je znašala začetna masa

0993 kg kar je za dobrih 8 manj od obstoječega nosilca (slika 527)

Slika 527 Druga konstrukcijska varianta nosilca bobna z vrednostjo mase

Po računalniški simulaciji deformacije tega modela smo prišli do zelo dobrega

rezultata saj je znašala vrednost maksimalne napetosti 82 MPa (slika 528) To je pomenilo

veliko rezervo za nadaljnje optimiranje nosilca bobna

Slika 528 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-43-

Modelu smo spremenili debelino stene s prejšnjih 25 mm na 23 mm ter debelino

reber Na sliki 529 je prikazan spremenjen nosilec katerega masa znaša 0975 kg kar je

dobrih 10 manj od obstoječega nosilca

Slika 529 Spremenjene debeline sten in reber na drugi konstrukcijski varianti nosilca

Računalniška simulacija je pokazala da se koncentracije napetosti pojavljajo ob stiku

reber s steno profila nosilca (slika 530) Vrednost maksimalne von Misesove primerjalne

napetosti ki se pojavi v nosilcu je 135 MPa

Slika 530 Napetosti v drugi konstrukcijski varianti nosilca bobna s tanjšimi stenami

stene profila

rebra

koncentracija napetosti

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-44-

Pri tej varianti smo ugotovili da predstavlja ideja o profilu z dvojno omego zelo dobre

rezultate Koncentracija napetosti se pojavlja na mestu stičišč reber s stenami

S slike 531 razberemo da je največji pomik kraka nosilca 14 mm kar je veliko manj

od obstoječega nosilca

Slika 531 Največji pomik kraka nosilca druge konstrukcijske variante nosilca bobna

Kljub temu da smo s tem modelom dosegli ţeleni cilj smo preverili še simulacijo

tretje variante nosilca bobna

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-45-

524 Optimiranje konstrukcije tretje variante nosilca bobna pralnega

stroja

Pri tretji varianti smo upoštevali idejo iz druge variante in sicer je bil uporabljen profil

kraka nosilca v obliki dvojne omege Prav tako smo ohranili debelino stene profila 23 mm

Posebnost te konstrukcijske variante je ta da se notranje stene profila kraka dvojne omege

stikajo z zunanjo steno pesta kjer je v nosilec pri tlačnem litju vstavljena gred (slika 532)

Slika 532 Model tretje konstrukcijske variante nosilca bobna pralnega stroja

zunanja stena

pesta

notranja stena profila

stičišče

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-46-

Masa tega modela je 0928 kg kar je pribliţno 14 manj od obstoječega nosilca Na

sliki 533 so prikazani rezultati računalniške simulacije

Slika 533 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna

Maksimalna von Misesova primerjalna napetost ki se pojavi v modelu je 127 MPa S

to konstrukcijsko varianto smo dosegli izjemne rezultate Ker se je koncentracija napetosti

pojavila na stičiščih prikazanih na sliki 533 smo to varianto poskušali še izboljšati

Stanjšali smo stene profila krakov z 23 mm na 2 mm ter dodali rebra kot je prikazano na

sliki 534

Slika 534 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna z dodanimi rebri

koncentracija

napetosti

dodana rebra

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-47-

Model z dodatnimi rebri je imel maso 0907 kg kar je za okoli 16 manj od

obstoječega nosilca

Slika 535 Napetosti v tretji konstrukcijski varianti nosilca bobna z dodanimi rebri

Z računalniško simulacijo smo dobili še boljše rezultate saj je vrednost maksimalne

von Misesove primerjalne napetosti v tem primeru 105 MPa (slika 535) To pomeni da smo

lahko konstrukcijo nosilca optimirali še naprej vendar pod pogojem da zaradi livarskih

razlogov sten ne tanjšamo pod debelino 2 mm [6] Ker so se koncentracije napetosti pojavile

na stikih reber s stenami profila smo poskušali spremeniti lego reber kot je prikazano na

sliki 536 Prilagodili smo tudi nekatere dimenzije Prenovljen model je imel maso 0888 kg

kar je za 1776 manj od obstoječega nosilca

Slika 536 Tretja konstrukcijska varianta nosilca bobna s spremenjenimi rebri

koncentracija napetosti

spremenjena lega reber

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-48-

Rezultati računalniške simulacije (slika 537) so bili ustrezni saj je napetost enako

porazdeljena skoraj po celotni dolţini kraka nosilca in znaša največja von Misesova

primerjalna napetost 108 MPa

Slika 537 Napetosti tretje konstrukcijske variante nosilca bobna s spremenjenimi rebri

Tudi največji pomik 195 mm (slika 539) je v ţelenih mejah in sicer pod 2 mm

Slika 539 Največji pomik kraka nosilca bobna tretje konstrukcijske variante

S to konstrukcijsko varianto nosilca smo dosegli velik uspeh saj nam je uspelo

zmanjšali maso v primerjavi z obstoječim nosilcem za skoraj 18 Poleg tega se pri tej

varianti pojavi maksimalna primerjalna napetost 108 MPa kar je precej manj od meje

plastičnosti ki je 140 MPa Pomik kraka nosilca bobna pa je prav tako pod mejo 2 mm in

znaša 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-49-

6 SKLEP

Računalniško podprti sistemi so danes nujni na vseh področjih delovnega procesa Če se

osredotočimo na samo inţenirsko delo brez teh skoraj ni mogoče snovati hitrih rešitev ter

predlogov Ţivimo v globalnem svetu polnem zahtev po vedno boljših in cenovno

ugodnejših proizvodih ter storitvah ki so na voljo v čim krajšem moţnem času Potrebno je

razvijati takšno znanost ki bo vodila ne samo v razvoj učinkovitih in konkurenčnih temveč

tudi varčnih in ekološko prijaznih tehnik ter tehnologij Porabo energije in surovin

načrtovanje proizvodnih procesov izdelkov ter trţenje je potrebno smotrno načrtovati in

optimirati Razvoj ter uporaba optimizacijskih metod postajata vse večji potrebi modernega

tehničnega človeka in vse bolj uporabna znanstvena disciplina v sodobni inţenirski praksi

V okviru diplomske naloge ki se nanaša na optimiranje nosilca bobna pralnega stroja

in gre za eno izmed storitev programa PPA podjetja Gorenje dd sem se imel moţnost

vključiti v njihov projekt in prispevati svoje znanje Sami začetki ndash pred pripravo

diplomskega dela ndash so temeljili na spoznavanju in uporabi CAD-programa UGS NX 50 in

podprograma Advanced Simulation (teh programov predhodno nisem uporabljal) kar je

trajalo pribliţno šest tednov Po začetnem uvajanju so mi mentor v podjetju in sodelavci

predstavili mojo zadolţitev pri projektu ki pa je predstavljala tudi temo moje diplomske

naloge Poiskati je bilo potrebno čim bolj optimalno rešitev nosilca bobna pralnega stroja s

pomočjo analize MKE in zmanjšati maso vsaj za 10 od obstoječe

Pred preračunom obremenitev ki delujejo na krak nosilca med obratovanjem je bilo

potrebno preveriti v kateri točki se pri programu centrifuge pojavijo največje obremenitve

Meritve so se opravljale v laboratoriju za stabilnost podjetja Gorenje dd Za laţje

opravljanje meritev so se namesto perila in ekscentrične mase uporabljale silikonske uteţi

Rezultati so pokazali da se največje obremenitve na nosilec pojavijo pri najvišjih obratih

bobna pralnega stroja 1400 min-1

Pri teh vrtljajih je elektronski nadzor pralnega stroja s

tehogeneratorjem dovolil povprečno ekscentrično maso 0825 kg kar je skoraj enako

ekscentrični masi po StiWa kriteriju ki ima vrednost 08 kg To smo uporabili kot izhodišče

za nadaljnje preračune obremenitev

Po ogledu nekaj konkurenčnih izdelkov je sledila gradnja različnih variant numeričnih

modelov nosilca v naslednjem zaporedju

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-50-

pridobitev modela bobna ter obstoječega nosilca bobna pralnega stroja iz

CAD-programa UGS NX 50

določitev potrebnih dimenzij ter referenc s pomočjo skupnega sestava v

programu UGS NX 50

modeliranje različnih variant nosilca v CAD-programu UGS NX 50

V naslednjem koraku so potekale simulacije in analize posameznih variant nosilca

bobna po metodi končnih elementov in sicer v modulu Advanced Simulation programa

UGS NX 50 kot solver NX NASTRAN 50 Za referenco in primerjanje rezultatov

obstoječega nosilca z novimi variantami se je opravila numerična analiza tudi za obstoječi

nosilec Masa le-tega je znašala 10798 kg

Pri prvi varianti je bila uporabljena omega oblika kraka iz obstoječega nosilca

namesto reber pa so bile zmodelirane nekakšne kotne luknje Masa tega modela je bila sicer

za 11 manjša od obstoječe a so obremenitve presegale dopustno napetost 140 MPa S

postopnim spreminjanjem oblike nosilca so se napetosti delno zmanjšale in odpravile

vendar pa je bila kljub izboljšavam pri tej varianti kjer je simulacija pokazala napetosti in

pomike v dovoljenih mejah masa manjša le za 7 od obstoječega nosilca

Pri drugi varianti smo uporabili novo idejo in sicer smo za profil kraka nosilca

uporabili obliko dvojne omege rebra pa smo postavili od zunanje stene pesta do notranje

stene profila kraka nosilca Po postopnem spreminjanju oblike te variante smo dosegli

ţelene rezultate ndash maso ki je bila zmanjšana za pribliţno 10 od obstoječega nosilca ter

napetost 135 MPa s pomikom 14 mm

Kljub temu da smo z modelom pri drugi varianti ţe dosegli ţeleni cilj smo preverili še

simulacijo tretje variante nosilca bobna saj je teţnja razvoja iskanje vedno boljših doseţkov

idej in rešitev ki lahko predstavljajo še boljše lastnosti ter prinašajo določene prednosti

Pri tretji varianti ki se je izkazala za najbolj optimalno rešitev smo ohranili obliko

kraka dvojne omege le da smo stene profila krakov povezali z zunanjo steno pesta Z

optimiranjem te variante (s spreminjanjem debeline sten profila krakov ter lego reber) smo

prišli do izjemnega doseţka saj nam je uspelo zmanjšati maso nosilca bobna skoraj za 18

od obstoječe Masa modela je pri tej varianti znašala 0888 kg maksimalna napetost v

nosilcu je bila 108 MPa kar je za 32 MPa manj od dopustne vrednosti Pomik krakov

nosilca bobna pa je bil prav tako pod mejo 2 mm in je znašal 195 mm

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-51-

Za laţje medsebojno primerjanje različnih nosilcev so rezultati le-teh prikazani v

preglednici 6

Preglednica 6 Primerjava rezultatov

Nosilec bobna Masa nosilca bobna Maksimalna napetost Maksimalen

pomik

Obstoječi nosilec 10798 kg 1315 MPa 2206 mm

Prva varianta 101 kg 138 MPa 136 mm

Druga varianta 0975 kg 135 MPa 14 mm

Tretja varianta 0888 kg 108 MPa 195 mm

Najbolj optimalna rešitev ki jo predstavlja model iz tretje variante bo podjetju

Gorenje dd prinesla precejšnjo racionalizacijo stroškov v proizvodnji pralnih strojev

Primerjalno lahko namreč preračunamo če primerjamo maso obstoječega nosilca z maso

nosilca iz tretje variante ki je bistveno manjša in vključuje še ostale izboljšave (nizko

maksimalno napetost ter optimalen pomik krakov nosilca) da je stroškovno gledano vsak

sedmi nosilec izdelan po tretji varianti zastonj Ti rezultati so pomenili velik doseţek in s

tem uspešno zaključen projekt

Sodelovanje pri projektu je potrdilo dejstvo da sodobno računalniško podprti sistemi

omogočajo urgentno in transparentno iskanje novih idej ter iskanje optimalne rešitve

Pomembno je da kot uporabniki nenehno sledimo novostim sodobne tehnologije ki je v

neprestanem razvoju ter si na ta način olajšamo oz izboljšamo svoje delo in hkrati odlično

prispevamo k razvoju in izdelavi tehnološko oblikovno in funkcionalno izpopolnjenih

izdelkov ter storitev ki lahko konkurirajo na svetovnih trţiščih

Za podjetje Gorenje dd program PPA lahko trdimo da prav gotovo sledi tem

trendom kar je razvidno tudi iz njihovega dosedanjega dela in referenc

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-52-

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Gadgets History of the Washing Machine [svetovni splet] Softpedija Dostopno na

WWWhttpgadgetssoftpediacomnewsHistory-of-the-Washing-Machine-031-

01html [162010]

[2] Dolšak Bojan Računalniško modeliranje proizvodov skripta Maribor Fakulteta za

strojništvo 2001

[3] Ming C Leu Akul Joshi NX5 for enginering design [svetovni splet] Rolla

Missouri University of Science and Technology 2008 Dostopno na WWW

httpwwwscribdcomdoc2530046UGNX5-tutorial-1-Leu-1 [562010]

[4] Ren Zoran Ulbin Miran MKE praktikum NASTRAN navodila za vaje [svetovni

splet] Maribor Fakulteta za strojništvo 2002 Dostopno na WWW httplaceuni-

mbsiNum_meth_konstPraktikumMKE20Praktikum20za20NASTRANpdf

[1562010]

[5] Kraut Bojan Krautov strojniški priročnik 14 slovenska izdaja izdajo pripravila

Joţe Puhar Joţe Stropnik Ljubljana Littera picta 2003

[6] Katalogi standardov v podjetju Gorenje dd program PPA Velenje Gorenje dd

[7] DIN EN 1706 Cemical composition of cast aloys SIST Ljubljana 2003

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-53-

8 ŽIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek Robi Pogorevc

Rojen 21 6 1984 v Slovenj Gradcu

Naslov Tolsti Vrh 40a 2382 Mislinja

Državljanstvo slovensko

Strokovni naziv strojni tehnik

ŠOLANJE

1991ndash1999 Osnovna šola Mislinja

1999ndash2003 Šolski center Velenje

Pridobil naziv strojni tehnik

Za četrti predmet poklicne mature izdelal

svoje lastno vozilo poimenovano raquoFormula

Robinzonelaquo

2003ndash2007 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo visokošolski študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

Sodeloval pri projektu raquoFormula Studentlaquo in

tekmoval na svetovnem prvenstvu v Angliji

V podjetju Gorenje dd program Indop

pridobil znanje iz 3D-programskega paketa

Inventor 8 Diplomiral in pridobil naziv

diplomirani inţenir strojništva

Univerza v Mariboru ndash Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-54-

2007ndash2010 Univerza v Mariboru Fakulteta za

strojništvo univerzitetni študijski program

strojništvo smer konstrukterstvo in gradnja

strojev

DELOVNE IZKUŠNJE

Do danes Pridobival praktične izkušnje v podjetjih

- Kovinarstvo Sovič Stane Sovič sp

- Gorenje dd program Indop

- Gorenje dd program PPA