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