“

AVGUST/SEPTEMBER2015LETNIK 04 • ŠT. 02/03

Zveza Strojnih Inženirjev Slovenije

ZSIS

svetstrojništva08/09

PREDSTAVLJAMO:• Kanseiinženiring• Prenosprekooptičnihvlaken• Razvojzamerilnonapravozkončnimielementi

• OblikovanjeS-zobnikov• Portfeljskaanalizavitkosti• Waterscaleprecipitation• Umerjanjemerilnikovtlaka• Intervju:AnaKobal• Plininplinsketehnologije2015• GPE15• Opozarjanjezadajvozečihvoznikovnavarnostnorazdaljo

Mechanical EngineeringWorldAssociation of Mechanical Engineers of Slovenia

2

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

2

KAZALO

Na naslovnici: “Miza za struženje”Odgovorni urednik: Iztok GolobičUrednica: Andreja CigaleTehnični urednik: Žiga ZadnikLektoriranje: Andreja CigaleIme in sedež založnika: ZSIS, Karlovška cesta 3, 1000 LjubljanaLeto izida publikacije: 2015Leto natisa ali izdelave publikacije: letnik 04, št. 02/03Število natisnjenih izvodov: 150Informacije so točne v času tiska. Preverite www.zveza-zsis.si za posodobitve.

Svet strojništva (ISSN-2350-3505), revija, je vpisana v razvid medijev, ki ga vodi Ministrstvo za kulturo RS, pod zaporedno številko 872. Revija je brezplačna za člane Zveze strojnih inženirjev Slovenije, podjetja, izobraževalne ustanove in drugo zainteresirano javnost na območju Republike Slovenije.

Objavljeni avtorski prispevki v promocijskem delu revije Svet Strojništva izražajo mnenja in stališča avtorjev in ne izražajo nujno tudi mnenja uredniškega odbora ali izdajatelja. Avtorske pravice za revijo Svet strojništva so last izdajatelja. Uporabniki lahko prenašajo in razmnožujejo vsebino zgolj v informativne namene, ob pisnem soglasju izdajatelja.

Revija Svet strojništva je dosegljiva tudi na internetni strani v elek-tronski obliki pod www.zveza-zsis/svetstrojništva.Copyright © Svet strojništva.

2618

4

12

30

43

41

8

37

Mednarodni uredniški odbor, International editorial board:

1. Prof. Cristina H. Amon, University of Toronto2. Assoc. Prof. Daniel Attinger, Iowa State University 3. Assoc. Prof. Ivan Bajsić, University of Ljubljana4. Prof. Janez Diaci, University of Ljubljana  5. Assoc. Prof. Nazanin Emami, Luleå University of Technology6. Prof. Iztok Golobič, University of Ljubljana 7. Assist. Prof. Mirko Halilovič, University of Ljubljana 8. Assoc. Prof. Niko Herakovič, University of Ljubljana9. Prof. Matjaž Hriberšek, University of Maribor 10. Assoc. Prof. Matija Jezeršek, University of Ljubljana11. Prof. Mitjan Kalin, University of Ljubljana12. Assoc. Prof. Janez Kušar, University of Ljubljana 13. Asist. Prof. Nenad Miljkovic, University of Illinois14. Prof. Adian Morina, University of Leeds15. Prof. Marko Nagode, University of Ljubljana16. Prof. Greg F. Naterer, Memorial University of Newfoundland17. Prof. Zoran Ren, University of Maribor18. Prof. Khallil Sefiane, The University of Edinburgh19. Assoc. Prof. Roman Šturm, University of Ljubljana20. Prof. Bruno Trindade, University of Coimbra

SVET STROJNIŠTVA

UREDNIŠKI ODBOR

3

45

46

49

60

56

50

KAZALOUVODNIK

• Uvodnik avgust/september 2015

ZNANOST NA DLANI• Implementacija Kansei inžiniringa v razvoj-

no-konstrukcijski proces

• Prenos sončne svetlobe preko optičnih vlaken

• Razvoj in konstruiranje premikajočega podpornega sistema za merilno napravo z analizo ključnih elementov

• Osnove za oblikovanje S-zobnikov

• Portfeljska analiza vitkosti proizvodnjega procesa

• Water scale precipitation on heated surfaces: the effect of magnetic water treatment

• Procesno-merilni sistem za dinamično umerjanje merilnikov tlaka

V SREDIŠČU• Ana Kobal

JEZIKOVNI ODTENKI

NAVODILA AVTORJEM

INFORMATOR• Poletna šola strojništva - PŠS 2015

• MB študenti z dirkalnikom GPE15 do stopničk

ŠTUDENTSKI POGLEDI• Razvoj sistema za opozarjanje zadaj vozečih

voznikov na neupoštevanje varnostne razdalje

• Izdelava elementov za invalidski voziček

PLIN IN PLINSKE TEHNOLOGIJE 2015

3 3

Prelistajte Svet strojništva tudi na spletu: www.zveza-zsis.si/svetstrojnistva

Povabilo k sodelovanju: www.zveza-zsis.si/svetstrojnistva/sodelovanje

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

UVODNIK avgust/september 2015

Spoštovani,

pred vami je številka revije s pomembnim korakom naprej. Ob izkazani finančni podpori države Slovenije za poljudnoznanstveno revijo Svet strojništva, smo si zadali uresničitev vizije, da revijo približamo industriji, da prikažemo razvojno raziskovalno delo in dosežke generacije, ki si utira pot v mednarodni prostor in seveda, da revijo skladno z

njenim imenom odpremo mednarodnemu strojniškemu prostoru. Ustanovili smo mednarodni uredniški odbor, ki bo bdel nad

usmeritvijo revije in kakovostjo prispevkov.

Zahvaljujem se članom uredniškega odbora, ki verjamejo v naše cilje in uresničitev vizije. Odprli smo rubriko kratkih znanstvenih člankov ter zaprosili za vključitev v mednarodne podatkovne baze. Revija bo še naprej izhajala v tiskani in elektronski verziji z odprtim spletnim dostopom.

S spoštovanjem,

prof. Iztok Golobič predsednik ZSIS

UVODNIK

4

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

IMPLEMENTACIJA KANSEI INŽENIRINGA V RAZVOJNO-KONSTRUKCIJSKI PROCES

INTEGRATION OF KANSEI ENGINEERING INTO PRODUCT DEVELOPMENT PROCESS

Vanja Čok, prof. dr. Jožef Duhovnik, izr. prof. dr. Metoda Dodič Fikfak

Kratki znanstveni prispevek / Short scientific paper

izvlečekRazvoj izdelkov za globalni trg zahteva mehanizme, ki omogočajo preverbo odziva lokacijsko različnih kupcev na izdelek. Zanimalo nas je, kako z uporabo dopolnjene metodologije kansei inženiringa tipa 1 odkrijemo razlike med dvema skupinama kupcev. Obstoječa metodologija kansei inženiringa tipa 1 upošteva čustvene odzive določene skupine kupcev. Cilj je bil dopolniti metodologijo kansei inženiringa tipa 1, tako da bo metodologijo mogoče uporabiti za analizo dveh ali več skupin kupcev. S pilotno študijo smo analizirali obstoječi postopek kansei inženiringa tipa 1. V pilotni študiji smo ugotavljali tudi, kje se kansei inženiring tipa 1 vključuje v razvojno-konstrukcijski proces. Razvili smo metodološki model KCUL, ki upošteva čustvene odzive več skupin kupcev do vizualnih elementov izdelka v zgodnji fazi koncipiranja, natančneje v nivojih abstrakcije. Model KCUL (Kansei kultur) smo preverili in potrdili na skupini študentov iz Srednje Evrope in Južne Azije. V delu je razvita tudi metoda implementacije nadgrajenega kansei inženiringa tipa 1 v razvojno-konstrukcijski proces.

Ključne besede: Kansei inženiring, razvoj izdelkov, čustveni odziv kupca, percepcija kupca, kulturni vplivi, konceptualna faza.

Key words: Kansei engineering, product development process, early stage design phase, emotional response, customers.

abstractThe development of products for the global market requires mechanisms to enable check the customers with various locations background response on the product.The aim of the Doctoral Dissertation was to complement Kansei engineering type 1 methodology, so that the methodology can be used to analyze two or more customer groups. The current Kansei engineering type 1 methodology consider the emotional responses of only one group of customers.The primary objective of dissertation was to discover the differences between the two groups of customers with upgraded Kansei engineering type 1 methodology. In a pilot study, we analyzed the existing procedure Kansei engineering type 1. Second, we have investigated where Kansei engineering type 1 integrates into Product Design and Development process. We have developed a methodological model KCUL, taking into account the emotional reactions of several groups of customers at the visual elements of the product in an early stage of conception, specifically in the levels of abstraction. Model KCUL was verified and validated in research study on observed population of students from Central Europe and South Asia. In the Doctoral Dissertation was developed an implementation of upgraded Kansei engineering type 1 method into the product design and development process.

UvodVpliv znanstvenih in tehnoloških inovacij posledično spreminja trende na področju snovanja izdelkov in konstruiranja. Do konca 20. stoletja je bil glavni izziv konstrukterjev in razvojnih inženirjev zagotoviti funkcionalnost oziroma delovanje izdelka. Kupec v današnjem času pa brezhibno delovanje izdelka dojema kot samoumevno, medtem ko o izbiri izdelka odločajo tiste značilnosti, ki vzbudijo pozitiven odziv pri kupcu. Kompleksnost razvoja izdelka se povečuje z zahtevami po krajših proizvodnih časih, višji kakovosti, všečnemu dizajnu, funkcijski in tehnološki dovršenosti ter prilagoditvi za medkulturno različne svetovne trge (Kušar et al., 2014). Do nedavnega so bila kupčeva čustva v tradicionalnem inženiringu zanemarjena. K temu je pripomoglo dejstvo, da je inženirstvo panoga, ki funkcionira po ustaljenih smernicah in je neodvisna od situacije. Različne metode, ki obravnavajo glas kupca in njegove zahteve so bile osredotočene na funkcionalne in ne na afektivne lastnosti izdelka. Izdelki, ki ne upoštevajo kupčevih skritih potreb, na današnjem globalnem trgu ne dosežejo širše uporabe ter uspešne prodaje. Kupec

ZNANOST NA DLANI

5

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

prepozna značaj izdelka, ki nastane kot posledica preučevanja (kupčevih) želja, občutenja in zaznavanja (Lokman, 2009). Zunanji videz izdelka vzbuja v ljudeh določen čustven odziv (Hlebanja, 2000). V naravi človeka je, da sprejema lepo in zavrača tisto, kar ni skladno z njegovim okusom in občutenjem (Hlebanja, 2000).

Pomen povezav med čustvi in občutki kupcev ter lastnostmi izdelka je velik. Vedno bolj sofisticirani kupci si želijo izdelka, ki ustreza njihovim osebnim občutkom ter odraža njihovo identiteto. Konstrukter s poznavanjem kupčevega kulturnega ozadja v sodelovanju s timom lažje prilagodi obliko in barvo izdelka ter s tem ustreže potrebam kupca. Zato je upoštevanje estetike izdelka pomemben del procesa konstruiranja (Bloch, 1995; Lewalski, 1988). V primeru, da so izdelki oz. stroji v fazi konstruiranja slabo zasnovani, jih kasneje tudi

populacije (Schütte, 2005, Nagamachi, 2011). Obenem smo ugotovili, da ni razvitega sistematičnega metodološkega modela za merjenje medkulturnih razlik v čustvenem odzivu kupcev. Posledično tudi ni razvitih mehanizmov za implementacijo nadgrajenih modelov KI v RK-proces. Poznavanje medkulturnih ali lokacijskih posebnosti, ki definirajo kupčeve vrednote, je ključno za odločitvene procese v začetni fazi, kjer se konstrukter skupaj z oblikovalcem odloča za oblikovno zasnovo izdelka. Cilj je bil, da razvijemo nov model nadgrajenega KI 1, ki bo omogočil zajem čustvenega odziva dveh ali več različnih ciljnih populacij. Osrednji cilj pa ni bil le to, da izboljšamo specifični RK-proces, pač pa, da uporabimo nadgrajen model KI kot orodje, ki bo izboljševalo idejne koncepte izdelkov. Zato smo razvili model implementacije nadgrajene

z najsodobnejšimi tehnološkimi postopki ne moremo več bistveno izboljšati in jim popraviti tržne vrednosti (Hlebanja, 2003).

Odkrivanje povezav med določenimi fizičnimi lastnostmi izdelka in psihološkimi občutki kupca je kompleksno (Nagamachi, 2010). Poznano orodje za identifikacijo čustvenega odziva kupca na določen izdelek ali storitev in integracijo informacij v nove lastnosti izdelka je kansei inženiring (v nadaljevanju KI). Orodje je v osnovi namenjeno snovalcem, razvojnikom, konstrukterjem, oblikovalcem in vsem, ki razvijajo končne izdelke ali storitve, kjer pride do interakcije med kupcem in izdelkom.

Ugotovili smo, da večina raziskav preučuje čustvene odzive do izdelka zgolj ene ciljne

metodologije KI (ki upošteva medkulturne razlike kupcev) v RK-proces Zlate zanka po Duhovniku (2004).

MetodologijaNajprej smo določili orodja, s katerimi lahko izmerimo čustvene odzive dveh različnih ciljnih populacij do vizualnih elementov izdelka. Možnost uporabe KI v razvojno-konstrukcijskem procesu smo preverjali tako, da smo se osredotočili na iskanje parametrov za določanje oblike in barve v dveh geografsko in kulturno različnih okoljih: akademski populaciji Srednjeevropejcev in J. Azijcev. Raziskavo smo opravili na skupno 137 vzorcih iz Slovenije, Hrvaške, Madžarske, Čenaja (Indija), Bangaloreja (Indija) in Mumbaja (Indija). Zaradi zagotavljanja homogenosti vzorca smo

slika 1: Postopek poenostavitve oblik obstoječih izdelkov ali idejnih skic z geometrizacijo

SCIENTIFIC PAPER

6

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

v raziskavo vključili zgolj študente podobnih študijskih smeri. S tem smo poskušali omejiti vpliv motečih dejavnikov, kot je npr. starost in socialni status ciljnih populacij, ter pridobiti čim bolj natančne razlike v čustvenih odzivih dveh starostno podobnih skupin. Oblike in barve smo določili iz vzorcev, pridobljenih v industrijskem projektu, ki smo ga v času izdelave doktorske disertacije izvajali v laboratoriju LECAD, UL Ljubljana. Slike obstoječih oz. reprezentativnih izdelkov smo s postopkom geometrizacije pretvorili v vzorce abstraktnih oblik in barv (slika-1). Sodelujoči v raziskavi so vizualno gradivo ovrednotili v kratkem vprašalniku.

Z univariatnimi in multivariatnimi statističnimi modeli (inferenčna statistika, linearni mešani modeli, Student-t test in faktorska analiza) smo ugotavljali, ali so statistično značilne razlike med dvema ciljnima populacijama v intenziteti čustvenih odzivov. Poleg tega nas je zanimalo, kakšne so razlike v zaznavanju ali pomenski strukturi čustvenih odzivov dveh ciljnih populacij ter kateri dejavniki pri anketirancih vplivajo na čustven odziv. Z empirično študijo smo preverili ali lahko izmerimo čustvene odzive dveh ali več ciljnih populacij z nadgrajenim modelom KI.

rezultati in razpravaUgotovili smo, da se razlike pojavljajo predvsem v čustvenih odzivih do nasičenosti barv, kot so zelena, modra, bela in magenta, kjer smo opazili pri J. Azijcih statistično značilne višje povprečne vrednosti. Splošno so J. Azijci višje ocenjevali okrogle oblike v primerjavi s Srednjeevropejci. S faktorsko analizo smo odkrili, da se skupini razlikujeta v strukturi faktorjev. Preiskovanci z J Azije imajo faktorske uteži na drugih spremenljivkah kot preiskovanci Sr. Evrope. S tem lahko potrdimo, da nastaja razlika v zaznavanju in pomenski strukturi med dvema ciljnima populacijama.

Pri analizi vplivnih dejavnikov na čustveni odziv smo odkrili vrsto dejavnikov, ki vplivajo na čustveni odziv posameznika. Ugotovili smo, da je potrebno pri ugotavljanju vplivov na čustveno zaznavanje vedno izvajati tako dvakratno in po potrebi trikratno interakcijo. V primeru, da se vpliv

dejavnika ne izkaže za pomembnega pri preverbi fiksnih vplivov, se lahko izkaže pomemben pri interakcijah dejavnikov. Poleg tega so statistično značilne dvakratne interakcije oblike in lokacije, kar pomeni, da so oblike različno ocenjene glede na lokacijo ocenjevalca (posameznika). Statistično značilna je dvakratna interakcija kansei pridevnikov in oblik, kar pomeni, da imajo posamezniki različne asociacije na različne oblike. Pri analizi, povezani z barvami, imajo statistično značilen vpliv na oceno posameznika različne barve, kar

pomeni, da obstajajo razlike v preferenci barv. Splošno na čustveni odziv vpliva kulturni kontekst v soodvisnosti s pomenom, ki ga kupci pripišejo obliki ali barvi. Torej so vsi trije dejavniki ključni pri ocenjevanju lastnosti izdelka. Razlika med spoloma se tudi pri interakcijah izkaže za statistično neznačilno. S statističnimi metodami smo dokazali, da je potrebno pri določanju barv in oblik izdelka upoštevati kupčevo specifično kulturno in geografsko področje.

Rezultate raziskave smo upoštevali pri obliki in konstrukciji peletnega gorilnika Vortex (slika 2).

zaključekS pilotno študijo in kasneje preizkusom KCUL-modela smo potrdili učinkovitost metodologije, ki prispeva k lažjemu prepoznavanju ključnih razlik medkulturno oziroma lokacijsko različnimi kupci. Pomemben prispevek metode je ravno v sistematičnosti in povezavi značilnosti kupca z vizualnimi elementi izdelka. Metoda se implementira v zgodnjo fazo RK-procesa Zlate zanke po Duhovniku (2004), ko se na abstraktnem nivoju išče nove rešitve oz. idejne koncepte. Vse faze nadgrajenega modela so namenjene

slika 2: Peletni gorilnik Vorteks (vir: http://www.pelet-nigorilnik.si/, vpogled 1. 2. 2015)

ZNANOST NA DLANI

7

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

prepoznavanju in analizi čustvenega odziva na vizualne elemente izdelka dveh različnih ciljnih populacij. Določili smo orodja, s katerimi lahko raziščemo strukturo čustvenih odzivov ter prepoznamo pomembne dejavnike, ki vplivajo na zaznavanje elementov oblik in barv.

afektivne lastnosti ali vrednosti (ang. affective values, features): so tiste lastnosti izdelka ali storitve, ki vzbudijo čustveni odziv kupca (bodisi neugodje ali ugodje).

afektivni (čustveni) inženiring (ang. affective engineering): je področje, ki preučuje interakcijo med uporabnikom in izdelkom. Osredotoča se na odnose med fizičnimi lastnostmi izdelka in njegovim vplivom na čustveni odziv uporabnika.

estetika (ang. aesthetics): je filozofska teorija o lepoti in umetnosti kot ustvarjanje lepote. Izraz izhaja iz starogrške besede aisthesis - čutni občutek. V filozofskem nauku se nanaša na čutno spoznanje in nauk o presojanju lepega (Butina, 1997).

geometrizacija (ang. geometrization): vizualna poenostavitev vzorcev izdelkov za lažji popis sestavnih elementov oblike.

kansei inženiring (ang. Kansei engineering, jap. Kansei kougaku): je področje, ki se ukvarja z zbiranjem kupčevih skritih »subjektivnih« čustvenih potreb in njihovim prevajanjem v parametre za izdelavo novih izdelkov (Schütte, 2005).

Ki (ang. Ke) : okrajšava za kansei inženiring.

semantične dimenzije (ang. semantic space): nematerialen, pomenski obseg lastnosti izdelka, entitete ali storitve.

rK proces (ang. r&D process): je okrajšava za razvojno-konstrukcijski proces.

reference• Bloch, P. H., 1995. Seeking the Ideal form: Product

Design and Consumer Response. Journal of Marketing, 59(3), str. 16 – 29.

• Duhovnik, J., Balić, S., 2004. Detail Functionality Analysis Using Design Golden Loop, in 4th International Seminar and Workshop, EDIProD’.

• Hlebanja, J., 2003. Metodika konstruiranja, Fakulteta za strojništvo.

• Lokman, A. M., 2009. Emotional User Experience in Web Design: The Kansei Engineering Approach, Universiti Teknologi MARA(UiTM) Malaysia.

• Lewalski, Z. M., 1988. Product Esthetics: An interpretation for Designers, Carson City, NV: Design & Development Engineering Press.

• Nagamachi, M., Lokman, A. M., 2010. Innovations of Kansei engineering, Taylor & Francis.

• Nagamachi, M., 2011. Kansei/Affective engineeering, Taylor&Francis Group, str. 3 – 4.

• Schütte, S., 2005. Engineering Emotional Values in Product Design, Kansei engineering in Development, Linköping.

slika 3: Monografija Uvod v kansei inženiring

Model smo dopolnili v koncipiranju in pripravi vzorcev za vrednotenje z metodo KI; obsegu semantičnih dimenzij ter pri ugotavljanju razlik med dvema ciljnima populacijama. Nadgrajeni model KI 1 imenovan KCUL-model s svojim postopkom kot dopolnilna metodologija prispeva k novi vrsti metod, ki odkrivajo skrite »čustvene« potrebe kupcev v odnosu do izdelkov.

Teden dni po zaključku doktorskega dela je bila v laboratoriju Lecad izdana tudi monografija z naslovom Uvod v kansei inženiring. V knjigi je podrobneje opisano področje kansei inženiringa, njegove aplikacije in vrste.

terminološki slovarčekabstrakcija (ang. abstraction): v procesu abstrahiranja se odstranjuje nebistveno, posamično, manj pomembno in naključno. Ohranja pa se bistveno, splošno in nujno (Butina, 1997). V razvojno-konstrukcijskem procesu se pojem uporablja za miselni proces, pri katerem pride do razločevanja med idejami in objekti (Duhovnik in Tavčar, 2000).

SCIENTIFIC PAPER

8

PRENOS SONČNE SVETLObE PREKO OPTIČNIH VLAKENSUNLIGhT TRANSMISSION ThROUGh OPTICAL FIbERS

Janez Rus, dr. Tomaž Požar

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

Kratki znanstveni prispevek / Short scientific paper

izvlečekPojavlja se vprašanje, ali je možno zunanjo sončno svetlobo učinkovito brez energetskih pretvorb uvesti tudi v notranje prostore, kjer izgradnja oken ni mogoča. Članek obravnava eno od možnih rešitev, in sicer zajem sončne svetlobe z lečo in njen prenos v notranje prostore preko optičnih vlaken. Izdelan je bil testni prototip z uporabo zbiralne leče in optičnega vlakna debeline 3 mm. Pri treh različnih intenzitetah sončne svetlobe je bila izmerjena izhodna moč, izkoristki posameznih optičnih komponent in celotni izkoristek prenosa sončne svetlobe. Ugotovljeno je bilo, da lahko že z uporabo osnovnih optičnih komponent dosežemo zadostno izhodno svetlobno moč za osvetljevanje notranjih prostorov.

Ključne besede: svetloba, optika, zbiralne leče, optična vlakna, osvetljevanje

abstractThere is a question if it is possible to transmit outdoor sunlight efficiently without energy conversion also into interior, where illumination through windows is not possible. This article deals with one of possible solutions: collecting the sunlight with lens and its transfer into interior through optical fibers. A test prototype was constructed by using a condenser lens and 3 mm optical fiber. Output power, efficient of optical components and total efficient of sunlight transfer were measured at three different sunlight intensities. We concluded that it is possible to get enough output power for interior illumination just by using basic optical components.

Key words: light, optics, condenser lenses, optical fibers, illumination

UvodNa kvadratni meter zemeljske površine vpada povprečno okoli 1 kW svetlobne moči. Zanima nas, ali je možno, da bi s to svetlobo neposredno brez energetskih pretvorb (sončne celice) osvetljevali tudi prostore, kjer zaradi arhitekturne zasnove zgradbe ni mogoč neposreden stik prostora z zunanjostjo, ki bi omogočal izgradnjo oken. Takšni prostori so navadno hodniki in sanitarni prostori, kjer se tudi ob sončnem vremenu za razsvetljevanje pogosto uporablja električna energija.Prednost osvetljevanja z naravno svetlobo je tudi v boljši kakovosti svetlobe. Človeško oko je namreč evolucijsko prilagojeno na sončni spekter [1].Za prenos sončne svetlobe v notranje prostore je trenutno najpogosteje v uporabi t. i. svetlobni tunel. Pri tej rešitvi je možno preko zrcalnih odbojev na notranji strani cevi debeline približno 20 cm prenašati svetlobo do razdalj okoli 2-3 m [2].Prednost prenosa svetlobe po optičnih vlaknih bi bila predvsem v tem, da bi bilo možno svetlobo na tak način voditi na daljše razdalje. Optična vlakna bi lahko vodili po obstoječih elektroinštalacijskih vodilih.Namen raziskave je ugotovitev, kakšne so tehnične možnosti izvedbe produkta na tem področju. Želimo ugotoviti, ali lahko že z uporabo osnovnih optičnih komponent dosežemo zadostno izhodno svetlobno moč za osvetljevanje notranjih prostorov.

Materiali in metodeUporabili smo optično vlakno premera 3 mm in dolžine 3 m. Na mestu vstopa svetlobe v optično

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvoAškerčeva 61000 Ljubljana

ZNANOST NA DLANI

9

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

vlakno smo gostoto svetlobnega toka povečali z uporabo leče iz komercialno dostopne lupe efektivnega premera 7,2 cm in goriščne razdalje 20 cm. Na sliki 1 je prikazano držalo za lečo in optično vlakno.

Meritve smo izvedli ob 18:00 (gostota vpadle sončne svetlobe: 450 W/m2) in ob 17:00 (gostota vpadle sončne svetlobe: 590 W/m2) v zaprtem prostoru ob svetlobi, ki je prihajala skozi okno, ter ob 14:45 (gostota vpadle sončne svetlobe: 840 W/m2) ob neposredni sončni svetlobi.

Intenziteto neposredne sončne svetlobe smo izračunali iz svetlobne moči, ki je vpadala na vstopno površino merilnika svetlobne moči ob usmeritvi direktno proti Soncu.

Moč za lečo smo izmerili tako, da smo namesto snopa optičnih vlaken pod lečo vpeli merilnik svetlobne moči. Konvergirana svetloba je v celoti vpadala na aktivno območje merilnika (sliki 2 in 3).

Pri meritvi moči za vlaknom smo pri nespremenjenih svetlobnih pogojih snop optičnih vlaken namestili malo pred gorišče leče tako, da so

slika 1: Držalo za optično vlakno in zbiralno lečo Fig. 1: Holder for optical fiber and condenser lens

slika 2: Meritev svetlobne moči za lečoFig. 2: Measurement of light power behind the lens

slika 3: Sončna svetloba zbrana na aktivni površini merilnika močiFig. 3: Sunlight collected on active area of power meter

slika 4: Vstopno mesto optičnega vlaknaFig. 3: Entry point of the optical fiber

SCIENTIFIC PAPER

10

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

s pomočjo leče zbrani žarki ravno še enakomerno osvetljevali vstopno površino optičnega vlakna (slika 4). Izhod iz optičnega vlakna smo usmerili v merilnik moči (slika 5).

Ob sončnem vremenu znaša prenesena svetlobna moč na izhodu iz vlakna približno 0,7 W (sliki 6 (a) in (b)).

V tabeli 2 so prikazani povprečni izkoristki prenosa moči sončne svetlobe posameznih optičnih elementov. Izkoristki so definirani kot razmerje med izhodno in vhodno svetlobno močjo.

rezultatiV prvem stolpcu tabele 1 je izmerjena svetlobna moč, ki vpada na merilnik z aktivno površino 5 cm2. Iz te smo izračunali svetlobno moč, ki vpada na vstopno površino leče (2. stolpec). V 3. stolpcu je prikazana svetlobna moč za lečo in v 4. svetlobna moč na izhodu iz sistema. Vsaka meritev predstavlja povprečje desetih meritev povprečne moči v času 10 s.

tabela 1: Prenesena svetlobna močtable 1: Transmitted light power

Moč Sonca [W] (5 cm2)

Moč Sonca [W] (41 cm2)

Moč za lečo [W]

Moč za vlaknom [W]

Meritev 1 (18:00) 0,23 1,87 1,21 0,47

Meritev 2 (17:00) 0,29 2,36 1,32 0,43

Meritev 3 (14:45) 0,41 3,34 1,95 0,69

a)

b)

ZNANOST NA DLANI

slika 5: Meritev izhodne svetlobne močiFig. 5: Measurement of output light power

slika 6: Izhodna svetloba (približna svetlobna moč: 0,7 W)Fig. 6: Output light (approximate light power: 0.7 W)

11

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

Celotni izkoristek prenosa sončne svetlobe z lečo in optičnim vlaknom debeline 3 mm znaša približno 20 %.

razpravljanjePri prenosu sončne svetlobe nastane največ izgub zaradi Fresnelovih odbojev na vsakem prehodu svetlobe v drugo snov. Ker je vstopna površina optičnega vlakna razmeroma majhna, je gorišče težko ustrezno locirati na vstopno površino vlakna. Če slika Sonca ne pada v celoti na vstopno površino vlakna, nastanejo izgube tudi iz tega razloga. Izgube nastanejo tudi zaradi linijskih izgub v optičnem vlaknu.

Z izdelavo prototipa in meritvami izhodne moči smo dokazali, da je možno že z uporabo osnovnih optičnih komponent (leča, optično vlakno) doseči dovolj velik izkoristek prenosa svetlobe, ki bi bil potencialno primeren tudi za komercialno uporabo. S sistemom za prenos svetlobe smo ob dnevni sončni svetlobi, ki je vpadala na zajemno površino premera 7,2 cm, dosegli izhodno svetlobno moč 0,7 W, kar bi že lahko zadostovalo za osvetljevanje manjšega prostora.

Pri komercialni izvedbi bi moral celoten zbiralni sistem preko dneva slediti soncu in s tem ohranjati gorišče leče na vstopnem mestu optičnega vlakna. To bi bilo možno izvesti s povratno zanko dveh pozicionirnih motorjev s senzorjem svetlobne moči.

tabela 2: Izkoristki prenosa moči sončne svetlobetable 2: Efficiencies of sunlight power transmission

Izkoristek leče Izkoristek snopa Celotni izkoristek

Meritev 1 (18:00) 0,65 0,39 0,25

Meritev 2 (17:00) 0,56 0,33 0,18

Meritev 3 (14:45) 0,58 0,35 0,21

Če bi želeli povečati preneseno moč, bi zunanjo zajemno površino najlažje povečali z uporabo več vzporednih sistemov. To pomeni, da bi z več lečami svetlobo zbirali v več optičnih vlaken. Z uporabo ene same leče z večjo površino bi se lahko začela pojavljati težava s pretiranim segrevanjem optičnega vlakna.

Z obravnavanim konceptom je mogoče zajeti le neposredno sončno svetlobo. Zanimivo bi se bilo osredotočiti tudi na razpršeno svetlobo, ki pa prihaja iz vseh strani in jo je zato posledično bistveno težje zajeti.

reference[1] H. Laurens: Sunlight And Health; American Association for the Advancement of science; The Scientific Monthly, Vol. 42, No. 4, pp. 312-324, Apr., 1936

[2] Podjetje Solatube. Dostopno na: http://www.solatube.com/, ogled 15. 8. 2015

[3] P. Halley: Fibre Optic Sistem, prva izdaja pod naslovom Les Systèmes à Fibres Optiques, Editions Eyroless, Paris, 1985

[4] Janez Rus: Prenos sončne svetlobe preko optičnih vlaken, zaključna naloga, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2015

SCIENTIFIC PAPER

12

RAZVOJ IN KONSTRUIRANJE PREMIKAJOČEGA PODPORNEGA SISTEMA ZA MERILNO NAPRAVO Z

ANALIZO KLJUČNIH ELEMENTOVRESEARCh AND DEVELOPMENT OF ThE MOVING SUPPORT SySTEM

FOR MEASURING EqUIPMENT wITh ThE ANALySIS OF KEy ELEMENTSBlaž Močan, Klemen Turk,

Nikola Vukašinović, Jožef Duhovnik

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

Kratki znanstveni prispevek / Short scientific paper

izvlečekPredstavljen je postopek razvoja in konstruiranja premičnega podpornega sistema za merilno napravo za neporušitveno kontrolo zvarov v podvodnem okolju, ki je nastal v okviru mednarodnega projekta NARIP/EGPR pod okriljem laboratorija LECAD. Prikazan je razvojno-konstrukcijski proces, ki se prične z opredelitvijo problema in določitvijo funkcijskih zahtev. Na podlagi zahtev smo izdelali grobi koncept rešitve, ki smo ga prikazali s skico. V zadnji fazi razvojno-konstrukcijskega procesa smo razvili detajlno rešitev, ki izpolnjuje vse funkcijske zahteve, opredeljene v prvi fazi. V razvoju smo poseben poudarek posvetili napetostnemu in togostnemu stanju ključnih elementov konstruiranega sistema. Z numerično analizo po metodi končnih elementov smo zato s programom Ansys preverili napetosti in deformacije pri različnih obremenitvenih scenarijih, za glavna vertikalna vodila in pritrdilne elemente konstrukcije. Pritrdilni moduli konstrukcije izkazujejo večje deformacije, zato so le ti izboljšani z dodatkom ojačitvenih reber. Analizirani elementi pa so popisani tudi s tehnično dokumentacijo.

Ključne besede: metoda končnih elementov, reaktorska tlačna posoda, podvodna naprava, napetosti in deformacije

abstractThe work shows the development and construction process of the moving support system for

measurement equipment for non-destructive weld inspection in an underwater environment, which was part of an international project NARIP/EGPR, under LECAD. The development and construction process is shown, beginning with defining the problem and functional requirements. Based on the requirements we made a rough concept of the solution, which was shown with a sketch. In the last phase of the development-construction process we developed a detailed solution, which suffices all functional requirements set in the first phase of the development process. In the development process we gave special focus to stress and deformation status of key elements of the construction. With numerical analysis, using final the element method in the program Ansys we checked for stress and deformation which occurs during different load scenarios for the vertical rails as well as for the fixation modules. The fixation modules showed greater deformations, so we added strengthening ribs on the sides to improve the deformation state. The analyzed elements are also defined in the technical documentation.

Key words: final element method, reactor pressure vessel, underwater device, stress and deformation

UvodV tehniki obstaja mnogo kompleksnih aplikacij, ki za varno, zanesljivo in trajno delovanje zahtevajo redno pregledovanje in vzdrževanje. Ena izmed njih je reaktorska tlačna posoda, ki se nahaja v primarnih ciklih jedrskih elektrarn. Med delovanjem elektrarne, je posoda v najslabšem primeru podvržena temperaturnemu šoku pri 157 bar in 324 °C [1], posledica česar je nastanek ali rast mikrorazpok oziroma napak v materialu. Te napake se večinoma pojavijo na kritičnih

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana

ZNANOST NA DLANI

13

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

mestih – na zvarih tlačne posode. Med pregledom temperatura vode pade na približno 30 °C, tlak pa se na površini izenači z atmosferskim, kar neznatno vpliva na mehanske lastnosti nerjavečega jekla [2], iz katerega je narejeno ogrodje.

Materiali in metodeDelo je razdeljeno na dva dela. Prvi del predstavlja metoda razvojno-konstrukcijskega procesa celotne naprave, v drugem delu pa je z metodo končnih elementov izvedena analiza povesov in napetosti. Problem je, da je zaradi geometrije modela, obremenitev materiala, okolja ter robnih pogojev preveč kompleksen in s tem prezahteven za analitično obravnavo. Zaradi tega smo problem diskretizirali in ga rešili s pomočjo metode končnih elementov v programu Ansys [3].

Razvojno-konstrukcijski proces:

Razvojno konstrukcijski proces smo pričeli s prepoznavanjem problema in opredelitvijo funkcijskih zahtev in želja. Te se nanašajo na težo naprave, premikanje, zahteve natančnosti pri premikanju in merjenju, hitrosti premikov itd. Prek tega smo lahko tvorili funkcijski diagram, s katerim smo predvideli zaporedje funkcij in procesov, katere mora naša naprava opravljati.

Prek funkcijskih zahtev in funkcijskega diagrama pa smo lahko tvorili grobo skico premikajočega podpornega sistema, katera je izhodišče za nadaljnji razvoj in konstruiranje naprave. V tej fazi smo definirali, da bomo razvili in konstruirali dvoosni manipulator, kateri je stalno pritrjen na steno tlačne posode, premikanje po steni pa je omogočeno prek pritrdilnih modulov, ki v enem

Z namenom odkrivanja teh napak smo konstruirali in analizirali premikajočo napravo, ki pregleduje kritična mesta z metodo elektromagnetnih vrtinčnih tokov (Eddy Current Testing) in ultrazvočno metodo (Ultrasound Testing). Kombinacija teh dveh metod popiše stanje materiala tako na površini kot tudi v globini, sama merilna naprava pa sestoji iz šestih merilnih sond velikosti 40 × 40 mm. Za uspešno pregledovanje je potrebna specifična pot merilne naprave okoli zvarov, pri tem pa mora merilna naprava pritiskati ob steno tlačne posode s silo 30 N z namenom prilagajanja možnim neravninam na stenah posode.

slika 1: Nuklearni reaktor in njegov prerez

slika 2: Merilni modul na levi in pot merilnega modula po zvaru na desni

SCIENTIFIC PAPER

14

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

položaju omogočajo premikanje ene osi naprave in v drugem položaju omogočajo pritrditev te osi. V naslednji fazi smo prešli iz prostoročnih skic na modeliranje grobega koncepta premikajočega podpornega sistema, kjer smo upoštevali

dimenzije realne tlačne posode, opredelili pa smo tudi okvirne tipe rešitev za posamezne funkcijske zahteve. Temu pa sledi faza detajlnega končnega koncepta naše naprave, kjer smo opredelili rešitve, s katerimi smo realizirali vse

slika 3: Funkcijski diagram premikajočega podpornega sistema

slika 4: Razvojni postopek celotne naprave.

ZNANOST NA DLANI

15

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

funkcijske zahteve. Izbira komponent na končnem konceptu je podprta z izračuni in kataloškimi podatki. Pri tem smo imeli težnjo po izbiri čim več standardnih elementov z znanimi karakteristikami. Posebno pozornost smo namenili tudi temu, da so posamezni podsklopi naprave med seboj kompatibilni in si ne onemogočajo opravljanja svojih funkcij.

Ključne elemente, za katere ne poznamo odziva na obremenitve, pa smo podprli z numerično analizo, ki deluje na podlagi metode končnih elementov. Po opravljenih analizah smo po potrebi elemente izboljšali in znova analizirali dokler deformacijsko in napetostno stanje ni bilo zadovoljivo. Zadnjo verzijo ključnih elementov pa smo prikazali s tehnično dokumentacijo, temu pa je sledila izdelava delov in sestavljanje ter testiranje prototipa celotne naprave.

Analiza ključnih delov naprave

S pomočjo programa Ansys smo opravili analizo togosti z metodo končnih elementov, kjer smo preverjali predvsem glavne oz. Von-Misesove napetosti, skupne deformacije ter skupne povese dveh najbolj kritičnih elementov.

Prvi kritičen element so vertikalna vodila, na katera delujejo sile, ki se pojavijo pri transportu naprave in med izvajanjem meritev. Naprava se transportira v reaktor in iz njega prek dveh očesnih vijakov na vrhu vertikalnih vodil. Pri tem se vsa teža naprave skoncentrira na sredini vertikalnih vodil in povzroča nateg vodil, sile pa so večje kot med obratovanjem v vodi, saj naprava visi v zraku in sila vzgona ni prisotna. V vodilih se pojavijo natezne napetosti, ki posledično povzročajo deformacijo oziroma raztezek vodil. Med izvajanjem meritev, ko je sistem za vpetje merilne naprave na sredini vertikalnih vodil, merilna naprava pa je v pravokotni smeri najbolj oddaljena od vodil, se pojavi drugi najbolj kritičen primer vodil. Merilna naprava s konstantno silo 30 N pritiska na steno reaktorske tlačne posode, ta sila pa se prenaša na vodila v obliki momenta in povzroča torzijo. Oba primera sta prikazana na sliki 5.

Še bolj kritični elementi pa so 4 pritrdilni moduli na koncih vodil, ki celotno napravo pričvrstijo

na steno reaktorske tlačne posode. Moduli so sestavjeni iz vakuumske črpalke, ki zagotavlja potreben podtlak za vakuumska prijemala, pnevmatičnega cilindra, ki premika vakuumska prijemala v smeri pravokotno na steno, da so bodisi v stiku s steno ali pokrčena, distančnika, ki med premikanjem vodil po steni zagotovi, da se pokrčena vakuumska prijemala ne poškodujejo, ter povezovalnih elementov, med katerimi je

slika 6: Prečni prerez pritrdilnega modula.

slika 5: Primer natega vertikalnega vodila levo in primer torzije vertikalnega vodila desno

tudi pločevinasto ogrodje iz nerjavečega jekla, ki povezuje vse elemente, kot je razvidno s slike 6.

Del, ki se bo najbolj deformiral in s tem vplival na togost ter posledično na kakovost meritve naprave, pa je jekleno ogrodje, ki je na vertikalnih vodilih obremenjeno v smeri vodil, na horizontalnih vodilih pa prečno na vodila. Te sile so prikazane na levi strani slike 5 z oznako Ftr. Po opravljeni analizi skupnih povesov smo ugotovili, da se moduli deformirajo na milimetrski skali, kar je preveč za razpoke, ki jih pregledujemo, saj so le-te

SCIENTIFIC PAPER

16

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

v velikostih mikronov. Zaradi tega, smo se odločili za izboljšavo teh modulov s pomočjo ojačitvenih reber.

rezultatiRezultati analize torzije vertikalnih vodil kažejo, da je mesto največjega povesa na sredini vodil. Poves posamezne stranice vodila znaša 0,018 mm v

nasprotnih si smereh, kar pomeni, da je absolutna razlika povesa vodila 0,036 mm.

Skupni poves na modulu na horizontalnem vodilu je pred izboljšavo na mestu pritrditve znašal 0,97 mm. Po izboljšavi z ojačitvenimi rebri je poves znašal 0,42 mm.

Skupni poves na modulu na vertikalnem vodilu

slika 7: Levo skupen poves in desno poves v smeri X na vodilih za primer torzije

slika 8: Prikaz skupnega povesa brez in z ojačitvenimi rebri na modulu na horizontalnem vodilu

ZNANOST NA DLANI

17

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

je pred izboljšavo na mestu pritrditve znašal 1,96 mm. Po izboljšavi z ojačitvenimi rebri je poves znašal 0,4 mm.

razpravljanjeGlede na dimenzije vodil in maso naprave pri vodilih nismo pričakovali kritičnih napetosti in deformacij. Analiza je bila kljub temu potrebna, saj ni zgolj potrdila naših domnev, temveč tudi dokazala, da so dovolj toga. Glede na dimenzijo vodil pa je togost ključna, saj se z njihovo dolžino absolutni premik merilnega dela naprave veča in kakovost meritve s tem pada.

Izboljšava pritrdilnih modulov z ojačitvenimi rebri pa je modul na horizontalnem vodilu izboljšala tako, da so se skupni premiki na mestih, kjer se pritrdijo vakuumska prijemala, zmanjšali za 2,7-krat. Skupni povesi na pritrdilnih modulih na vertikalnih vodilih so se po izboljšavi zmanjšali za 5,4-krat. Napetosti na obeh modulih so bile znatno manjše od meje tečenja za nerjavna avstenitna jekla, ki znaša med 210 in 250 MPa [4], in tako niso kritične.

Na zaključni delavnici projekta NARIP/EGPR v Zagrebu smo prototip naprave tudi sestavili. Pritrdilni moduli so se na testiranju izkazali bolje, kot je bilo pričakovano in preračunano.

reference[1] D. Korošec, J. Vojvodič Gvardjančič, The determination of the fatigue crack growth in reactor pressure vessel. V: B. Mavko, L. Cizelj (ur.): 4th Regional Meeting Nuclear Energy in Central Europe Proceedings. Bled, Slovenija, 1997, str. 76–81.

[2] J. Brnic, G. Turkalj, M. Canadija, S. Krscanski, M. Brcic, D. Lanc, Deformation behaviour and material properties of austenitic heat-resistant steel X15CrNiSi25-20 subjected to high temperatures and creep, 2014.

[3] G. R. Liu, S. S. Quek, The finite element method A practical course, Elsevier Science Ltd., 2003, London, str. 4.

[4] B. Kraut: Krautov strojniški priročnik. Littera picta, Ljubljana, 2011, str. 434.

slika 9: Prikaz skupnega povesa brez in z ojačitvenimi rebri na modulu na vertikalnem vodilu

SCIENTIFIC PAPER

18

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

Znanstveni prispevek / Scientific paper

izvleček: V uvodu je razložen osnovni princip evolventnih zobnikov in pripadajoča šibka točka teh zobnikov, temu pa sledi razlaga teoretičnih osnov za oblikovanje S- zobnih zobnikov. Razložena je celostna funkcija kot osnova za oblikovanje S- zobnikov in S-zobnice, ter pripadajoča ubirnica, in iz nje oblikovanje profilov bokov zob S-zobnikov. Razložen je izračun krivinskih- in srednjih krivinskih radijev ter kotalno-drsne raz-mere pri prenosu moči med obremenjenimi S-zobniki. Vsi obremenjeni zobniki, tudi S-zobniki, so podvrženi deformacijam gredi in s tem tudi spremembi medosne razdalje. Izkazala se je pomembna lastnost, da so tudi S-zobniki neobčutljivi na spremembo medosja. Poleg uporabe S-ozobja za ravnozobe valjaste zobnike lahko uporabimo S-ozobje tudi za poševne zobe S-zobnike.

razvojne možnosti evolventnih zobnikov

Zobniki so pomemben element strojev za točen pre-nos moči od hitro tekočih strojev, ki so izvor energije, do njenih porabnikov moči v obliki delovnih strojev. Zobniki delujejo vedno v paru, eden kot gonilni zobnik, ki prek bokov zob oddaja moč na boke zob gnanega zobnika, zato je pri zobnikih pomembna oblika bokov zob zobnikov, da zagotavlja brez večjih izgub gladek prenos moči od gonilnega na gnani zobnik. Sodobna proizvodnja zobnikov temelji na izdelavi zob zob-nikov na kotalni način, pri čemer se boki zob zobnikov teoretično oblikujejo z rezilnimi robovi zob zobnice (basic rack profile), katere srednjica (datum line) se med odrezovanjem bokov zob kotali po razdlnem krogu (pitch circle) nastajajočega zobnika. Profil bokov zob zobnikov, ki nastane z odrezovanjem rezilnega roba zobnice, je odvisen od profila rezilnega roba zobnice, najbolj razširjen je raven profil, s katerim nastane evol-ventna oblika bokov zob zobnika, kot je prikazano na sliki 1. Evolventna oblika bokov zob valjastih zobnikov izhaja že iz časov Leonarda Eulerja (Euler: 1707-1783). Glavne značilnosti evolventnih zobnikov so, da vsakemu osnovnemu krogu (base circle) pripada ena evolventa z začetkom na osnovnem krogu, na sliki 1 v točki »K«, ki ji

pripada ravna ubirnica, ki poteka skozi kinematični pol C in tangira osnovni krog v točki T. Ubirnica

oklepa s srednjico zobnice ubirni kot α, ki se med obra-tovanjem evolventnih zobnikov spreminja, če se spre-meni medosna razdalja, tedaj pa se spremni tudi lega kinematičnega pola »C«, brez da bi bil moten prenos moči med obratovanjem. Evolventni zobniki imajo tudi to lastnost, da se pri zobčanju zobnikov z odmaknjeno zobnico oblikuje enaka evolventa, spremeni pa se dolžina aktivne evolvente in debelina zob. Boki zob se oblikujejo z drugačnim odsekom evolventne krivulje. Lastnost evolvente, da z odmikom ali primikom lege srednjice zobnice od osi zobnika spreminjamo profil boka zoba, omogoča, da oblikujemo zobniška gonila za različne obratovalne pogoje. Na sliki 2 so prikazane okoliščine prenosa moči pri evolventni zobniški dvojici z1 = z2 = 20 zob, z ubirnim kotom α = 20 deg, ki izka-zuje povečane toplotne obremenitve, ki nastanejo na kratki razdalji A-1 boka zoba gonilnega zobnika zaradi trenja in drsenja veliko večje dolžine A-2 boka vrha zoba gnanega zobnika. To pa je slaba lastnost evolventnih zobnikov. Novejše raziskave pripisujejo opisano lo-kalno obremenitev bokov zob gonilnega zobnika pri obratovanju na daljše obdobje kot vzrok za nastanek mikropitinga. Mikropitting je poškodba, ki se pojavlja na bokih zob počasitekočih, zelo obremenjenih zobniških gonilih, pri katerih je zahtevana ekstremno dolga obratovalna doba. Pri vetrnih elektrarnah, kjer so težki pogoji vzdrževanja zahtevajo dvajsetletno obratovalno

OSNOVE ZA ObLIKOVANJE S-ZObNIKOVJože Hlebanja, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana

Gorazd Hlebanja, Fakulteta za Tehnologije in sisteme, Novo Mesto

p it c h c ir c le

t ip c ir c le 1

t ip c i r c le 2

b a s e c i r c leT

C

E

KKK

b a s ic r a c k p r o f i l e

a d d e n d u mm o d i f i c a t io nd a t u m l in e

x - g e a r

x - z e r o g e a r15

0

1 5 0

p a t h o f c o n t a c t

in v o lu t e

z = 1 6

d a t u m l in e

slika 1: Spreminjanje profila evolventnih zobnikov z od-mikanjem zobnice

ZNANOST NA DLANI

19

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

dobo, problem mikropitinga pa rešujejo z zmanjševanjem trenja z bolj gladko površino bokov zob in boljšim maza-njem. Boljše obratovalne pogoje glede trenja in mazanja pa moremo doseči tudi s primernejšo obliko bokov zob zobnikov. To pa je razlog, da že dolgo obstojijo težnje po iskanju nove oblike profila bokov zob valjastih zobnikov z boljšimi obratovalnimi in komercialnimi pogoji.

Princip oblikovanja bokov zob s-zobnikov

Za izdelavo S-zobnikov uporabljamo princip izdelovanja evolventnih zobnikov, ki se oblikujejo na kotalni način, pri čemer so boki zob zobnice ravni, tudi pripadajoča ubirni-ca je ravna, profil bokov zob zobnikov, ki pri tem nastane-jo, pa imajo obliko evolvente funkcije. Za oblikovanje S-zobnikov pa smo izbrali zobnico, katere profil bokov zob je ukrivljen in je sestavljen iz dveh enakih osnovnih (basic rack), matematično določenih krivulj, ki sta nameščeni pol simetrično ena proti drugi, tako kot je prikazano na sliki 3. Izbrana osnovna krivulja mora biti odvedljiva, to pomeni, da obstoja v vsaki točki P(xi,yi) boka zobnice tangenta tPi, ki oklepa z x-osjo kot αti. Iz opisane sestave

osnovnih krivulj nastane profil boka S-zobnice, kot je prikazan na sliki 3. Rezilni rob orodja za zobčanje mora biti identičen s profilom boka zoba zobnice, točka Pi se pri zobčanju zobnika pomika z rezilnim robom vzporedno s srednjico (referenčna črta) zobnice, v točki ubirnice Ui se z odrezovanjem oblikuje bok zoba nastajajočega zob-nika, pri tem pa poteka normala nastajajočega boka zoba skozi kinematični pol »C«, kar ustreza zakonu ozobja zob zobnikov. Vsaki točki boka zob zobnice Pi (slika 3) pripada točka Ui, vse točke Ui pa tvorijo ubirnico, ki je sestavljena iz dveh enakih krivulj, zasukane ena proti drugi za 180°, s tem dobi tudi ubirnica obliko podobni črki S, zato so dobili tovrstni zobniki ime S-zobniki. Velikost zob S-zob-nikov je določena z merami S-zobnice, pri kateri sta višini vrha zoba ha in višina vznožja zoba hf enaki modulu »m« zob zobnika. Iz tega tudi sledi, da zobnici enega modula pripada ena ubirnica, ki oblikuje zobnike s poljubnim številom zob. Vsem zobnikom poljubnega števila zob in enakega modula pripada vsaki točka boka zoba zobnice Pi s koordinatami xi in yi pripada točka ubirnice Ui s koor-dinatami:

yUi = yPi in xUi = yPi . tan αti 1

Ker sta ubirnici vrha in korena zoba zobnice enaki in le za 1800 zasukani, so tudi koordinate po absolutni vrednosti za vrh in koren zoba zobnice enake, le tiste za koren zob-nice imajo negativen predznak. V vsaki točki na ubirnici Ui se z odrezovanjem z rezilom v točki Pi oblikuje točka boka zoba zobnika Gi, posebej za vrh zoba in drugače za koren zoba. Na mestu odrezovanja v točki Ui imajo točke Pi, Gi in Ui enake tangente tPi in tGi in enake koordinate. V času, ko točka Pi opiše razdaljo Ui – C, pa opiše novo nastala točka boka zoba Gi lok Ui - Gi okoli osi zobnika, kot kaže slika 4.

p a t h o f c o n t a c t

b a s e c i r c l e

p i t c h c i r c l e o f d r e i v e r g e a r C

T A

Kt o o t h f l a n k o fd r i v e r g e a r

t o o t h f l l a k o fd r i v e n g e a r

P1

2

O1

Ui

C

tPi

UfiGfi

αPi

φUipitch circle

datum line

path of con cta t

tip circle

φUPiφGi

φ fUi

φfUPiφfGi

r fUi

αPi

αG

i

tPi = tGi

tGi

gear tooth flank

αPi

rUi

r0

basic rack profile

Gi(x y )G Gi, i

P x yi( Pi, Pi)

O1

Ui

C

tPi

UfiGfi

αPi

φUipitch circle

datum line

path of con cta t

tip circle

φUPiφGi

φ fUi

φfUPiφfGi

r fUi

αPi

αG

i

tPi = tGi

tGi

gear tooth flank

αPi

rUi

r0

basic rack profile

Gi(x y )G Gi, i

P x yi( Pi, Pi)

P i ( x y )i , i

U i

C

t P i

9 0 0

U f i

áP i

d a t u m l i n e

P f i ( x , y )f i f i

áP i

á P i

b a s i c r a c kt o o t h p r o f i l e

r 0 1

yPi

x P ix u i

yui

mm

p i t c h c i r c l e

n U i

slika 3: Oblika bokov zob zobnice in pripadajoča ubirnicaslika 4: Oblikovanje boka zoba S- zobnika iz

znane ubirnice.

slika 2: Drsne razmere na začetku ubiranja v točki A

SCIENTIFIC PAPER

20

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

S slike 4 je razvidno, da točke vrha zoba Gik nastanejo preden profil zobnice doseže kinematični pol C, bok korena zoba Gif zobnika pa šele, ko ga profil zobnice zapusti, ovojnica, ki jo pri tem gibanju opiše vrh zobnice pa oblikuje vznožje zoba S–zobnika.

Profil zoba zobnice je, kot je bilo že povedano, sestavljen iz dveh enakih osnovnih krivulj, ki sta za 180° zasukani ena proti drugi, matematična oblika osnovne krivulje S-zobnice, ki je prikazana na sliki 5, je del eksponentne funkcije:

yPi = ap(1-(1 – xp)n) 2

Odvod te krivulje je:y’Pi = n.ap . (1-xPi)

(n-1) = tan αPi 3

Vrh osnovne krivulje je tako izbran, da je vrednost koordinate vrha V xv = m en modul in višina vrha yV = ap (mm), ap = izbrana konstanta višine osnovne kriv-ulje. Zobniški moduli so standardizirani, merijo se v milimetrih, velikost pa je opredeljena iz osnovnih mer zobnika: ; d0 = z . m; Pri čemer je p = razdelek zob na razdelnem krogu; z= število zob zobnika. Izhodišče osnovne krivulje v kinematičnem polu C, kjer imata koordinati xPi in yPi vrednost nič, vrednost odvoda funkcije v izhodiščni točki y’ pa sledi iz enačbe 3: y’Pi0 = ap . n = tan αt0 4

Iz enačbe 4 je razvidno, da je z izbrano konstanto temena funkcije f(ap) in izbranim nagibom funkcije αtC v kinematičnem polu C, eksponent funkcije f(ap) tudi določen:

n = tan αtC/ap; αtC =90 - α0;, α0 = vpadni kot zobnice 5

S slike 5a je tudi razvidno, da je za obliko boka zoba zobnice uporabljen samo tisti del krivulje f(yP), ki ustreza vrhu zoba hk = m, v tem primeru mora biti konstanta vrha funkcije ap > m. Če profil osnovne krivulje zavrtimo okoli kinematičnega pola »C« za 180° in oba dela spo-jimo, dobimo celosten profil S-zobnice, za katero ostane enačba [2] ob upoštevanju predznakov obeh komponent yPi in xPi. Izkaže se tudi, da enačba [3] za odvod osnovne krivulje ostane veljavna za celosten profil S-zobnice. V stičišču osnovnih krivulj, v kinematični točki C, dobi tangenta celostne krivulje vrednost tangente profila po enačbi [4], ker pa je v tej točki drugi odvod te funkcije

enak nič, ima celostna funkcija v točki C prevoj. Rezilni rob za izdelavo S-zobnikov mora ustrezati celostni funkciji S-zobnice, ki pa je določena s primerno gostoto točk Pi s koordinatami xPi in yPi, pri čemer je glede na enačbo [2] za izbrano vrednost yPi

XPi = 1 – (1 – yPi/ap)1/n 2a

Vsaka točka rezilnega roba orodja za zobčanje, ki mora skladati s točko Pi celostnega profila boka zoba zob-nice, oblikuje v točki ubirnice Ui točko boka zoba Gi, na tem mestu privzame novo oblikovan bok zoba zobnika tangento orodja tαPi, katere normala poteka skozi kinematični pol C, kar ustreza zakonu o ozobju zob zobnikov. S slike 4 tudi razberemo, da opiše ravnokar na zobniku izdelana točka Gi lok s kotom φUi in z radijem rUi od točke Ui na ubirnici do točke Gi na zobniku, med tem opravi točka Pi na zobnici razdaljo od točke Ui na ubir-nici do točke Pi na profilu boka zobnice, ki poteka skozi kinematični pol C zobnika. Vse točke Gik, ki pripadajo točkam Ui vrhnji polovici ubirnice, tvorijo profil boka vrha zoba. Iz geometrijskih podatkov, prikazanih na sliki [4], določimo mere profila zoba zobnika, najprej radij loka točke Gi:

rUi = ((xUi)2 +(r0 yi)2)0,5 5

pri tem pomeni r0 polmer razdelbnega kroga zobnika, (+) velja za vrh zoba (–) za vznožje zoba. Razdalja Ui -Pi = xPi + xUi, ta razdalja ustreza loku φUi na razdelbnem krogu:φUi = (xPi + xUi)/r0 6

-x

hf =

1.m

αPA

αP0

α 0

A

0,0

0,5 m

1,0 m

xPi xPA

yPi yP

A

0,5 m

1,0m

C x

y

ha =

1.m

αPA

αP0

α 0

A

0,0

0,5 m

1,0 m

tPC

α0

xPi xPA

yPA

0,5 m

1,0m

C

tPA

x

y

ha =

1.m

V

αPA

αP0

α 0

αEA

A

Pi

ap~1,303

0,0

0,5 m

1,0m tPi

αE0

xPi xPA

yPi yP

A

0,5 m

1,0m

0,0m

C

ap

tPA

y =a (1-(1-x ))P p Pi i

-y

α0

ZNANOST NA DLANI

slika 5: (a) Oblika Osnovne krivulja S-zobnice (basic profile) (b) celosten profil boka zoba S- zobnice (basic rack profile)

21

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

kot φGi med y-osjo in radiem rUi, ki pripada točki Gi je:φGi = φUi – atan((xUi/(r0

pozitivne vrednosti za ordinato yi veljajo za vrh, nega-tivne vrednosti pa za vznožje zoba.Koordinate točk Gi:xGi = rUi . sin(φGi) 8.ayGi = rUi . cos(φGi) - r0 8.b

Kot tangente na bok zoba zobnika v točki Gi:αtGi = atan(y’Pi)φUi 9kot φUi se mora za vrh zoba odštevati zato velja minus (-), za vznožje zoba pa velja (+).

s-zobnica je S-zobnik z neskončnim številom zob, kjer je za profil bokov zob uporabljena celostna funkcija, ki je prikazana na sliki 6b, izgled zobnice pa je prikazan na sliki 6. Proizvodnjo S- zobnikov se lahko opravlja na istih strojih kot se uporabljajo za izdelovanje evolventnih zob-nikov, le rezilni rob mora ustrezati S-funkciji.

Glavne mere S-zobnice, kot so modul m, razdelek p, višina zob h, debelina zob s, medzobne vrzeli e so enake, kot se uporabljajo pri evolventnih zobnikih, temenski razstop c pa je lahko manjši.

zobniška dvojica s s-zobniki je predstavljena z gonilnim zobnikom z1 = 10 zob in z gnanim zobnikom z2 = 30 zob, z ubirnico z značilnimi točkami ubiranja: A … začetek ubiranja, B … konec dvojnega ubiranja, C kinematični pol relativnega gibanja zobnikov, D … konec enojnega ubiranja in E konec ubira zobnikov. Razvidno je, da gonilni in gnani zobnik prijemljeta na isti ubir-nici vsak na svojem delu, opazno je, da imajo S-zobniki nasproti evolventnim zobnikom daljšo aktivno vznožno (slika 7) dolžino bokov zob, ter da zobniki s samo 10-imi zobmi nimajo spodrezanega korena zob in imajo večjo debelino zob v korenu zoba. Poudariti moramo, da imajo S-zobniki za isti modul enako ubirnico za poljubno število zob.

Kotalno-drsne razmere pri prenosu moči med boki zob gonilnega na gnanega zobnika

Na sliki 8 so prikazane različne dolžine poti posameznih kontaktov bokov za vznožje gonilnega zobnika npr.: G’1i –G’1(i+1) in vrh gnanega zobnika npr.: G2i-G2(i+1), isti kontakt pa traja enako dolgo za oba med istoimenskimi točkami na ubirnici npr.: Ui-U(i+1). Na boku vznožja zoba gonilnega zobnika so razdalje krajše nasproti onim na vrhu zoba gnanega zobnika, razlika obeh dolžin pa je merilo za dr-senje ki je porazdeljeno po obeh pripadajočih dolžinah. Drsenje (sila trenja) je usmerjeno, na gonilnem boku v nasprotni smeri gibanja kontaktne točke, to je negativni zdrs, na gnanem zobniku pa v smeri gibanja, to je pozi-tiven zdrs.

Specifičen zdrs yi je razmerje med razliko med dolžinama poti istoimenskih daljših kontaktov G2i – G1i nasproti krajšemu istoimenskim kontaktom G1i. Pri negativnem zdrsu (sila trenja) material, ki ga pred kontaktom razteza (odpira mikro razpoke), pri pozitivnem zdrsu pa ga tlači.

x

mm

p = m.π s=k.p/2 e=(1-k).p/2 <k 1m.c

C

rack toothprofile

basi

a

c

t

on

paf

th o cct

midline(datum line)

e1

a2

e2E

a1

driven gear

driving gearz = 10

z = 30

C

A

D

B

a0e0

A

C

ar o o t c i r c l e o f p i n i o n

p i t c h c i r c l e o f g e a r

r o o t c i r c l e o f g e a r

z = 4 02

z = 1 61G 1 / 4

G 1 / 7 G 1 / 8

E

t i p c i r c l e o f g e a rt i p c i r c l e o f g e a r

y O 2

O 1

G 1 1 /G 1 / 2

G 1 / 3

G 1 / 5 G 1 / 6

G 2 / 1 G 2 / 2

G2 / 2

G 2 / 3

G 2 /3

G 2 / 4

G 2 /4

G 2 / 5

G 2 /5 G 2 / 6 G 2 /6 G 2 / 7

G 2 /7 G 2 / 8

p i t c h c i r c l e o f p i n i on

e

G 1 / 3

d e ta i l “ H ”

G 2 / 8

G 2 / 1 Detail “H”M = 4 : 1

C

S 1

S 2

SCIENTIFIC PAPER

slika 7: Par S-zobnikov izdelanih z istim orodjem in enako ubirnico

slika 6: S-zobnica osnova za obliko rezilnih robov orodja za zobčanje

slika 8: S- zobniškemu paru pripadajoče dolžine kontaktov

22

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

yi 10

Podatkov, kako vpliva specifičen zdrs na koeficient trenja nimamo, vendar očitno je, da bo pri večjem specifičnem zdrsu delo trenja večja in tudi večje izgube lahko pričakujemo, vsekakor pa je očitno, da bo obraba površin manjša, če se obremenitev pri prenosu sil preko bokov zob prenaša preko večjih površin in pri isti obremenitvi. To lastnost manjše obrabe pa lahko izkoristimo pri velikih zobnikih in počasitekočih zelo obremenjenih zobnikih, kjer prav obraba odloča o njihovi zdržljivosti.

Krivinski radij rGi profila bokov S-zobnikov

Krivinski radij se za posamezne točke Gi analitičnih funkcij določa po naslednji znani formuli: (11)

kjer je: y’Gi = tan αGi in y’’Gi = 1/ cos2αGi

Kot tangente profila S-zobnika αt v točki Gi i izvira iz nagiba tangente na celostno funkcije v točki Pi, ko se nahaja v točki ubirnice Ui in se zavrti za lok na razdelbnem krogu za dolžino Ui- Pi, ki ustreza horizontalnemu gibu S- zobnice pri oblikovanju toče Gi. Celostna funkcija S-zobnice vsebuje poljubno gostoto točk Pi s pripadajočimi tangentami, ki se z lokom Ui -Gi in enako gostoto točk prejme funkcija profila boka zoba S-zobnika (slika 10).

Ko vstavimo vrednost za y’ in za y’’ v enačbo 12 in enačbo uredimo dobimo:

rGi = [1 + tan2αGi]3/2. cos2αGi

Z ureditvijo tega izraza pa dobimo vrednost krivinskega radija za točko Gi: rGi = 1/cosαGi (12)

Na sliki 10 je prikazan rezultat izračuna krivinskih radijev po enačbi [12] za zobniški par na sliki 12, ki ima velikost m = 1mm.Obremenjenosti bokov zob v območju površin zobnih bokov merimo s tlakom, ki ga vrednotimo po Herzovi enačbi, v kateri je pomemben vpliv nadomestni radij = ρ1.ρ2/ρ2 ± ρ1

C 2,31

2,01

1,81

1,65

1,53

1,43

1,351,28

2,67

1, 22

1.m

z = 10

2,993,443,734,14,424,64,584,313,83,14

E

2,67

2,312,162,031,911,81,71,61 ,51,4

2,47

2,702,73

2,72 2,692,632,55

2,432,28

2,101,88

1.m

A

C

z = 30

U 1 0 U 1U 2U 3U 4U 5U 6U 9

U ’1 U ’2 U ’4 U ’5 U ’6 U ’9 U ’1 0U ’3B

CD

3 0

2 0 2 5

5 1 0 1 5 2 0 2 5

1 0 1 5

[ % ]

AE

3 0 ã is l i p a t A

a d d e n d u m o f d r i v e n g e a r

d e d e n d u m o f d r i v e n g e a r

n e g a t i v es l i d i n g

p o s i t i v es l i d i n g

ZNANOST NA DLANI

slika 8: Specifičen zdrs za primer S zobniškega para prikazan na sliki 8

slika 10: Krivinski radii bokov zob zobnikov s slike 7

23

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

občutljivost s-zobniških parov na spre-membo medosnega razmika

Glavni vzroki za spreminjanje medosnega razmika zobniških predležij so obremenitve zobnikov in pripadajočih gredi. Vpliv spremembe medosja pri S-zobnikih bomo prikazali z zobniškim parom na sliki 12, ki je narisana s pretirano povečanim medosnim razmikom. Prestavno razmerje vsake zobniške dvojice je določeno s kvocientom števila zob zobnikov v sklopu: i = z2/z1, za katero je tudi medosni razmik določen:

a = r01 + r02 = m/2.(z1 + z2) a = r01 + r02 = m/2.(z1 + z2)

Če pa se medosni razmik poveča zaradi povesa gredi npr. za Δa, se povečata obratovalna kroga in pripadajoča radija r1 in r2, medosni razmik pa dobi vrednost:

r1 + r2 = a + Δa = r1/(1+ r02/r01); r1 = (a + Δa)/(1 + i); r2 = (a + Δa) – r1 za polovico modula od tod sledi važen podatek, da je »lp« premik kinematičnega pola C1 v CV: lp = r1 - r01 (14)

med tem ko se je zobnik z2 odmaknil za vrednost Δa, se je za enako vrednost premaknil kinematičen pol C0

v točko C2 z njim pa tudi pripadajoča ubirnica. Kljub določenemu odmiku Δa gnanega zobnika ohranja os gonilni zobnik svojo lego, oba obratovalna kroga r1 in r2 se povečata in na njihovem stičišču nastane nov kinematičen pol Cv, ki se za lp premakne iz prvotne lege. Kljub spremenjeni legi sta oba zobnika zadržala prvotne, pri izdelavi pridobljene profile zob in pripadajočo S-zobnico, le da srednjica zobnice in z njo ubirnica zavzameta položaj tangente, ki tangira (slika 12) v točkah T1 in T2 kinematične kroge v premaknjeni legi. Ko se srednica zobnice odmika od kinematičega pola Co, se z odmikanjem suče tudi ubirnica od α0 v točki C0 ter doseže Cv vrednost αv, ki je:αv = acos(r01/r1) = acos(r02/r2) (15)

Smer zasuka tangente T1-T2 φv je:

φv = α0 – αv

z znanim kotom zasuka φv so pa določljive tudi spremenjene koordinate Uvi zasukane ubirnice. Glede na to, da poteka normala na boke zob v vseh kon-taktnih točkah Ui skozi kinematičen pol Cv, ter da se kinematičen pol prilagaja vsaki spremembi medosne razdalje, so S-zobniki neobčutljivi na spremembo medosne razdalje. Zato se moč nemoteno prenaša med S-zobniškimi dvojicami, tudi če se medosni razmik poveča.

SCIENTIFIC PAPER

slika 10: Diagram srednjih krivinskih radijev vzdolž ubirnicezobniške dvojice m = 10 mm, z1 = 10, z2 = 30

24

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

Poševnozobi s-zobniki

Poševno zobi S-zobniki se izdelujejo z istim orodjem kot S-zobniki z ravnimi zobmi, le da potekajo tvorilke bočnic na S-zobnici za kot β poševno nasproti vzporednice z osjo zobnika, to je enako kot se izvaja pri poševnih evolventnih zobnikih. Teoretičen profil S- zobnikov poteka v normalni ravnini (pravokotno na tvorilke bokov), prenos gibanja se pa dogaja preko pro-filov bokov zob v radialni ravnini. Profil bokov zob v ra-dialni ravnini se določi na enak način, kot je to določeno pri evolventnih zobnikih.

zaključek

V članku je prikazana enostavna teorija za oblikovanje bokov zob zobnikov, ki pri prenosu moči izpolnjujejo osnovni zakon ozobja, ki izhaja iz matematične kriv-ulje, po kateri morajo biti oblikovana tudi orodja za zobčanja, kar pa omogoča poznavanje celostne krivulje profila zoba S-zobnice, ki sta prikazani na sliki 5a in 5b. Radialna komponenta obremenitve na zobniške dvojice in pripadajoče gredi je odvisen od velikosti vpadnega kota α0, ki pa je pri evolventnih zobnikih praviloma več kot 200, pri S-zobnikih pa je vpadni kot lahko manj od 150, to lastnost pa lahko uporabimo pri zobnikih velikih modulov npr. mn > 20 mm. Taki zobniki velikih modu-lov se uporabljajo npr. pri velikih rotacijskih pečeh, pri drobilcih in mlinih rude in rudnin, pri velikih valjarniških

gonilni zobnik

C1

kinematičen krog 1

odm

ik

premik

podaljšek radija rUi

1

7

2 3 4 5

6

z2 = 40

z1 = 16

ubirrnica odmaknjenegazobnika

T2

T1

obratovalnaubirnica

osnovnaubirnica

r02

r2

r01

r1

CvC0

obratovalni krog 1

�0

�v

1' 2' 3'

6' 7'

4' 5'

8'

ZNANOST NA DLANI

slika 12: S-zobniška dvojica v kateri je medosni razmik povečan za 0,5 m

25

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

predležjih, velikih mehanskih stiskalnicah za avtomo-bilsko industrijo itn. Tudi avtomobilska industrija še vedno uporablja zobnike za prenos moči od vedno bolj hitrotekočega motorja na kolesa avtomobila, toda z vedno večjimi zahtevami glede izkoristka in hrupa. Opisanim zahtevam bi mogle lastnosti S-zobnikov v številnih primerih bolje ustrezati od sedaj absolutno prevladujoči uporabi evolventnih zobnikov. Za od-krivanje optimalne rešitve so potrebne nove raziskave, ki bi jih morala prevzeti Fakulteta za strojništvo s svojim raziskovalnim potencialom. Prepričan pa sem, da bi mogla obnova proizvodnje zobnikov v Sloveniji, za posebne namene tudi S-zobniki, doprinesti povečan delež prihodka slovenskemu gospodarstvu.

reFerenCe:

[1] [4] Bucheli, A. Gleichstrommotoren für den Mars. Antrieb-stechnik 40(2001)10. pp. 20.[2] Hagedorn, H.G. Gereuschoptimirtes Planetengetriebe für Flugzeuge. Antriebstechnik42(2003)10. pp.46.[3] Hlebanja, J., Okorn, I. Investigation of Tooth Surface-durabili-ty of Non- involute SpurGears. VDI Berichte, Nr.1230. VDI Verlag, Düsseldorf 1996. pp.443. [4] Hlebanja, J., Okorn, I. Characteristische Eigenschaften von Zahnrädern mit stetiggekrümter Eingriffslinie. Antriebstechnik 38(1999)12. pp.55. [5] Hlebanja, J., Hlebanja, G. Lubrication Efficiency of S-Gears. VDI Berichte, Nr.1665. VDIVerlag, Düsseldorf 2002. pp. 443.[6] Hlebanja, J., Hlebanja, G. Tooth flank durability of Internal S-Gears. VDI BerichteNr.1904. VDI Verlag, Düsseldorf 2005. pp. 385.[7] Hlebanja, J., Hlebanja, G. Anwendbarkeit der S-Verzahnung im Getriebebau.Antriebstechnik 44(2005)2. pp.34-38.[8] Hlebanja, J., Hlebanja, G. Constructive measures to increase the load-carring capacity ofgears. Machine Design, Kuzmanović, S. Edt. Faculty of Technical Sciences. Novi Sad2008. pp. 33.42.[9] Hlebanja, J., Hlebanja, G.: Konkav-Konvexe Sonderverzahn-ungen, Vorteile undNachteile gegenüber evolventen- Verzahnungen. Proceedings of the 3rd Int. ConferencePower transmissions ‘09, Kallithea, Greece, Oct. 1st-2nd, 2009. pp. 21-26[10] Hauser, S. Konzepte zur Validierung geometrischer Charak-teristika vonMikroverzahnungen und Getrieben; Forschungsberichte Band 27, IPEK; UniversitätKarlsruhe. 2007.[11]G. Hlebanja, J.Hlebanja, Ivan Okorn.Research of gears wth pr0gressive path of contact.Proceedings of DETC2000, PTZG – 14384, Baltimore, M[12] J.Hlebanja, Main Advantages of Non-Involute Spur Gears, to imprve the condition of contact, AGMA technical paper 92 FTM5[13] j. Hlebanja, Betriebserfahrung an kammwalzgetrieben mit Sonderverzahnungen, VDI Berichte Nr.. 332, 1979[14]j.Hlebanja: Applicability of TiN coated cuting tools for wood,Proceedings of the japan International tribologi confer-ence, Nagoya 1990 [15] G, HLEBANJA, J. Hlebanja :Uniform Powertransmission Gears Strojniški vestnik SV %%(2009) 7-8 472-483.[16] G,Hlebanja,Specially Shaped Spur Gears IRMES, IFToMM, Zlatibor,Serbija 2011[17] J.Hlebanja, G. Hlebanja,: An overvieuv of the Development of Gears, Power Transmissons, Procveedings of the 4th Interna-tional Conference, Sinaia June 2o12, Springer[18] G.Hlebanja, S Kulovec, J.Hlebanja, J. Duhovnik, S Gears M;ade by Polymers, Ventil-Revija za fluidno tehniko in avtoma-tizacijo 20(2014)/5

gonilni zobnik

C1

kinematičen krog 1

odm

ik

premik

podaljšek radija rUi

1

7

2 3 4 5

6

z2 = 40

z1 = 16

ubirrnica odmaknjenegazobnika

T2

T1

obratovalnaubirnica

osnovnaubirnica

r02

r2

r01

r1

CvC0

obratovalni krog 1

�0

�v

1' 2' 3'

6' 7'

4' 5'

8'

SCIENTIFIC PAPER

slika 12: S-zobniška dvojica v kateri je medosni razmik povečan za 0,5 m

26

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

PORTFOLIO ANALYSIS OF LEANNESS OF A PRODUCTION PROCESS

PORTFELJSKA ANALIZA VITKOSTI PROIZVODNEGA PROCESA

Eva Jordan1, Tomaž Berlec2, Lidija Rihar2, Janez Kušar2

1Kekon d.o.o, Grajski trg 15, 8360 Žužemberk, Slovenia2Faculty of Mechanical Engineering, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenia

Short scientific paper

Key words: lean production, lead time, equipment effectiveness, OEE, leanness index

Ključne besede: vitka proizvodnja, pretočni čas, učinkovitost opreme, OEE, indeks vitkost

1 introDUCtion

Lean production is a practice of managing production processes that was developed in Japan. Eiji Toyoda, Taiichi Ohno and Shaotro Kamiya have developed new concepts for managing production processes and have gradually created the Toyota Production System TPS (Monden [1]). In 1990, James Womack joined their management concepts and thus founded lean production, the goal of which is reduction of wastes (Womack et al. [2]). Goals of a lean production process are: shorter lead time, lower tied-up capital, better flow of material and information, motivation of workers and satisfaction of customers (Hines et al. [3], Holweg [4]).The goal of the research presented is a procedure of portfolio analyses for leanness of production.

2 lean ProDUCtion

The lean production concept is a customer-oriented production process with a low level of wastes and a short lead time.

abstractCustomers require short delivery times and lower price of products. These requirements of customers can only be met if a company switches from a classically organized to a lean production. This paper presents a value stream analysis that shows a size of the lead time (LTpp). Overall equipment effectiveness (OEE) and efficiency index (PE) allow us to determine a leanness index of a production process (LI). The value LI in fact show the leanness of a production process. Portfolio analysis of leanness of production process is shown on an example of production of component of cooling system.

PovzetekKupci zahtevajo kratke čase dobave in nizke cene izdelkov. Te zahteve se lahko doseže, če preide podjetje iz klasično organizirane na vitko proizvodnjo.Članek prikazuje analizo toka vrednosti, ki pokaže velikost pretočnega časa. Skupna učinkovitost opreme (OEE) in indeks učinkovitosti procesa (PE) nam omogočata določitev indeksa vitkosti proizvodnega procesa (LI). Vrednost LI dejansko pokaže vitkost proizvodnega procesa. Portfeljska analiza vitkosti proizvodnega procesa je prikazana na primeru proizvodnje komponente hladilnega sistema.

ZNANOST NA DLANI

27

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

Taiichi Ohno defined the seven wastes (Ohno [5]) that are a burden to production processes: overproduction, waiting times, ineffective production, transport, scrap and processing, inventory, and redundant motion.

Today, there are more forms of waste in addition to the seven: waste related to brain drain, i. e. individuals with technical skills leave a company with their skills, and non-utilized talent of employees in a company.

The value stream analysis (Tapping et al. [6]) is derived from the current situation of a value stream in a production process that is created in three steps:

Step 1: Selection of a product or a family of productsStep 2: Analysis of customers’ needsStep 3: Assessing the current value stream situation.

A stream flow analysis in large-series production of a small number of product types is carried out for each product type separately. In a small-series production of a large number of product types, a value stream analysis is performed only for a representative of an individual family of products; it can be created in two ways (Berlec et al. [7]), namely by creating a matrix of families of products or by creating a flow chart of the production and similarity of the families.

The lead time of a production process with »n« subprocesses represents a time interval between the beginning of the lead time of the first subprocess and the end of the last subprocess, in fact, it equals the sum of lead times of subprocesses:

(1)

LTpp – lead time of production process [min]

Ttri – time of transition of ith subprocess [min]

tproci – processing time per piece of ith subprocess [min]

n – number of subprocess

A short lead time of a production process is achieved by reducing the times of wastes. The best index for assessing reduction in the lead time of a production process is the process efficiency index (PE):

(2)

PE – process efficiency index [-]

The equation (2) clearly shows that the PE index increases by reduced times of wastes.

The following guidelines are suggested to reach a lean process:

• introduction of continuous production,

• introduction of FIFO connections,

• KANbAN system for regulating the situation.

The overall equipment effectiveness (OEE) (Tapping et al. [6]) and the process efficiency index (PE) are used to calculate the leanness index of a production process (LI).

LI = 100 × OEE × PE (3)

Figure 1: Portfolio analysis of leanness of a production process

SCIENTIFIC PAPER

28

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

LI – leanness index of a production process [-]

OEE – overall equipment effectiveness [-]

The leanness index of a production process (LI) indicates how reliable individual steps of the production process (OEE) are and how lean the production process is (PE).

By positioning the production process with respect to the achieved OEE and PE, the achieved leanness index of a production process is determined (see Fig. 1).

We should continue improving the process and the overall equipment effectiveness until a production process falls into the square »Lean production process«.

3 PortFolio analYsis oF a lean in a ProDUCtion oF CoMPonent oF CoolinG sYsteM

The company desires to assess lean indices of production processes. A team consisting of five co-workers of the company was organised in order to assess the leanness of the process. Based on collected data on implementation of subprocesses i (processing times tproc,i and preparation times Tpi) the team made an assessment of the current value stream of the process of producing of component of cooling system and determined lead time LTpp and process efficiency PE.

The team members have analysed the value stream chart and came to the following conclusions:

• lead time of the production process of cooling covers amounts: LTpp = 10.83 Wd (1Wd = 2 shifts of 7 effective hours)

• sum of processing times: ∑tproc = 137.3 sec

• process efficiency amounts to PE:

The team, in co-operation with the head of production, evaluated the wastes:

• time of equipment failure and time of preparation of equipment 25 %, the estimated availability rate is therefore A = 0.75

• time of idle time of equipment 10 %, the estimated efficiency rate is E = 0.90

• quality of products 20 %, the evaluated quality rate of equipment is Qr = 0.80

Evaluated overall equipment effectiveness OEE [7] is:

OEE = 100 ∙ (A ∙ E ∙ Qr) = 100 ∙ (0.75 ∙ 0.90 ∙ 0.80) = 54 %

The evaluated overall equipment effectiveness

Figure 2: Portfolio analysis of process leanness of the production of component of cooling system

ZNANOST NA DLANI

29

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

OEE value and the reached process efficiency PE allow us to calculate the leanness index of a production process:

LI = 100 ∙ (OEE ∙ PE) = 100 ∙ (0.54 ∙ 0.00025) = 0.0135 %

Figure 2 shows the achieved process leanness of the production of component of cooling system and indicates that the process of the production of component of cooling system is unlean, improvement potentials are seen especially in terms of reducing the lead time LTpp.

The team wanted to assess the situation in the lean production field, so they decided to assess the success of sub processes and of the entire process of production of component of component of cooling system.

4 ConClUsions

This paper showed a path that leads to lean production processes. The past research has shown that production process become lean if wastes are eliminated or reduced and if optionally a transition from workshop production to continuous production is made (Kušar et al. [8], Kušar et al [9]).

We propose that the index of lean processes is calculated by two parameters: OEE and PE.

The results of assessing the process leanness of the production of component of cooling system have shown that the process is very unlean. These indicate the need for performing continuous improvements with a focus on reducing the lead time of the process.

Further research will be directed especially towards increasing process leanness and increasing process profitability. For competitiveness on the global market, the companies will need to quickly switch to a lean production.

5 reFerenCes

[1] Y. Monden, Toyota Production System; An Integrated Approach to Just-in-Time, Second edition. Institue of Industrial Engineers, Chapman & Hall, London, 1994, pp. 8-13.

[2] J.P. Womack and D.T Jones. Lean Thinking, Banish Waste and Create Wealth in Your Corporation. Free Press, New York, 2003, pp. 15-90.

[3] P. Hines, P. Found, and R. Harrison, Staying Lean: thriving, not just surviving. Lean Enterprise Research Centre, Cardiff University, Cardiff, 2008.

[4] M. Holweg, The genealogy of Lean production, Journal of Operations Management, 26(2), 2007, 420-437.

[5] T. Ohno, N. Bodek, Toyota Production System: Beyond Large-Scale Production. Productivity Press, Portland, Oregon, 1988, pp. 1-92.

[6] D. Tapping, T. Luyster,T. Shuker, Value Stream Management, Eight Steps to Planning, Mapping, and Sustaining Lean Improvements, Productivity Press, New York, 2002, pp.77-91.

[7] T. Berlec, J. Kušar, J. Žerovnik, M. Starbek, Optimization of a product batch quantity, Strojniški vestnik, 60(1), 2014, pp. 35-42.

[8] J. Kušar, L. Rihar, J. Duhovnik, M. Starbek, Concurrent realisation and quality assurance of products in the automotive industry. Concurrent engineering, 22(2), 2014, pp. 162-171.

[9] J. Kušar, T. Berlec, L. Rihar, M. Starbek, Adaptability of work equipment, Tehnics tehnologies education management, 9(1), 2014, pp. 236-245.

SCIENTIFIC PAPER

30

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

WATER SCALE PRECIPITATION ON HEATED SURFACES: THE EFFECT OF MAGNETIC WATER TREATMENT

Matic Može*, Patricia Šašek, Domen Žalec, Matevž Zupančič, Iztok Golobič

Faculty of Mechanical Engineering, University of LjubljanaCorresponding author: matic.moze@gmail.com

Short scientific paper

introductionDevelopment of water treatment technologies for drinking and industrial process water production [1, 2] and wastewater treatment [3, 4] became a very prominent topic in the last few decades. As we strive to limit pollution and save energy, research and utilization of unconventional processes involving no chemicals and consuming little to no energy are gaining popularity; this includes magnetic water treatment (MWT) [5].

The effect of the magnetic field on water and water-scale has been discovered in the early 20th century and in spite of more than 50 years of commercial and industrial use, experts are still divided on the matter and the experimental results are often contradictory to one another. To this date, there are no conclusive results confirming or refuting the effectiveness of MWT devices.

Many devices, industrial and domestic, use raw water as feed water which is usually rich or oversaturated with dissolved calcium and magnesium salts. The resulting water-scale can severely reduce the efficiency of the aforementioned devices and increase the maintenance costs. Calcium carbonate build-up on heated surfaces is especially problematic in process engineering, as it hinders the performance and efficiency of heat exchangers, cooling towers, and other similar equipment by both restricting the fluid flow and reducing the heat flux [6].

Either permanent magnets or electromagnets may be used to treat water. The influence of the magnetic field on

abstractThis paper deals with the effect of magnetic water treatment (MWT) on calcium carbonate precipitation on submersible electric water heaters. Synthetic hard water was continuously pumped through two identical experimental setups one of which was equipped with a commercially available magnetic water treatment device. Each setup included one continuously operating heater and one interval heater. After 21 days of intermittent operation, the scale build-up on the heaters was examined using x-ray diffraction analysis and scanning electron microscopy to determine the proportions of calcium carbonate polymorphs.It is shown that the magnetic water treatment had virtually no effect on the amount of each polymorph that precipitated on the heaters in both experimental setups. Slightly lower average amount of precipitate on the treated setup is attributed to the magnetic water treatment. Finally, the amount of scale on the interval heaters was lower, however, most likely due to the lower average power of the said heaters.

izvlečekV članku je obravnavan učinek magnetne obdelave vode (MOV) na izločanje kalcijevega karbonata na potopnih električnih grelcih. Sintetična trda voda je bila neprekinjeno črpana skozi dve identični testni progi, pri čemer je bila ena od njih opremljena s komercialnim segmentom za magnetno obdelavo vode. Obe progi sta vsebovali konstantno delujoč grelec in intervalni grelec. Po 21 dneh obratovanja z občasnimi premori so bile obloge na grelcih analizirane z rentgensko difrakcijo in vrstičnim elektronskim mikroskopom z namenom ugotovitve razmerja posameznih polimorfov kalcijevega karbonata v vzorcih.Magnetna obdelava vode ni imela vpliva na količine posameznih polimorfov, ki so se izločili na grelcih na obeh testnih progah. Nekoliko manjša povprečna količina oblog na obdelani progi je pripisana magnetni obdelavi vode. Količina oblog na intervalnih grelcih je bila manjša, najverjetneje zaradi nižje povprečne moči omenjenih grelcev.

ZNANOST NA DLANI

31

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

crystallisation of dissolved particles has been studied by many researchers and is deemed to be highly complex. It is generally accepted that it involves Lorentz force effects and modified hydration of the ions and colloidal particles [7, 8]. MWT supposedly reduces and possibly prevents CaCO3 build-up and can potentially remove pre-existing scale. Additionally, it allegedly increases the proportion of the more favourable precipitate polymorph aragonite, which is easier to remove and forms a less performance hindering scale [9-11].

A calcium carbonate precipitation experiment was performed on two parallel experimental setups with one setup including a commercially available MWT section “Eko sistemi Mark“. The scale build-up on the heaters was analysed with x-ray diffraction analysis (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) to identify the crystalline structure, namely the calcium carbonate polymorphs.

Dissolved substances in raw water, mainly calcium and magnesium salts, precipitate under certain conditions and form water scale (sometimes called lime scale). Precipitation is caused by a shift in the chemical equilibrium as the dissolved ions form compounds due to a change in the conditions. The most common reaction is the dissolution of calcium carbonate:

CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O ⇌ Ca(HCO3)2 (aq)

The solubility of carbon dioxide decreases as the temperature of the water increases, which causes a shift in the equilibrium and calcium carbonate precipitation.

experimentalWater preparation

In order to eliminate the influence of various raw water impurities, synthetic hard water was used to conduct the precipitation experiment. The test water was prepared by dissolving an excess amount of CaO in distilled water to produce a saturated solution of Ca(OH)2; the resulting solution was then bubbled vigorously with CO2 for 80 minutes. Approximately 24 hours after the bubbling, the test water was transfused twice to separate the sediment on the bottom of the container (excess CaO) from the test water. Atomic absorption spectroscopy analysis revealed that the test water also contained

approximately 8,55 mg L-1 of Mg2+ ions.

The hardness was measured by means of titration using the Hach 5B total hardness test kit. Initial hardness over 50 °dH was recorded; this qualified the test water as extremely hard [7]. A natural decrease in hardness was expected and observed due to carbon dioxide expulsion.

Water treatment

Two identical experimental setups were used to compare the effects of the magnetically treated water to untreated water circulating through an identical system under the same conditions. A volume of V = 12 L was circulated through each setup; in addition to a hot water circulator pump an individual setup also included stainless steel piping with a total length of l = 6 m, a heat exchanger connected to a separate cooling circuit, and two identical electric heaters. A custom built electrical circuit was used to control the pumps and the heaters.

The heaters in each setup operated in different modes; one operated at a lower voltage with constant power (PH2,H4 = 250 W), while the other (PH1,H3 = 300 W) switched on and off in 5 minute

Fig. 1. The experimental setup

SCIENTIFIC PAPER

32

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

intervals; the operating mode of the second heater simulated a domestic hot water heater.

The MWT section ‘Eko sistemi Mark’ was installed on the first setup. A flow rate of 210 L h-1 was recorded and a ball valve was fitted on the

second setup to allow the equalization of flow rates. Each setup was individually cooled by a separate raw water circuit with a counter flow tube heat exchanger to maintain a constant water temperature of roughly 40 °C. Four K type thermocouples were installed on each setup to measure the temperature of the walls of both

heaters and the test water.

Experimental setup operation

The experimental setups operated

intermittently for a total of 21 days. A volume of V = 4 L of freshly prepared test water was added to each setup on the 13th day (see the spike in hardness in Fig. 3).

Temperatures were monitored and logged throughout the course of the experiment.

ZNANOST NA DLANI

Fig. 2. The experimental setup scheme.

33

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

Due to the location of the thermocouples on the heater walls and consequential perturbations, the temperature recordings fluctuated intensely. The 1 hour temperature cycles, both measured and averaged, are shown inFig.4 in relation to heater power and operating mode. Test water harness, pH value and conductivity were measured repeatedly during the experiment to monitor the status of the water and eventually record any differences

between the treated and the untreated line.

After the operation of the experimental setups concluded, the heaters were removed, dried in a vacuum chamber and photographed, while the scale was scraped off and analysed. Two samples were taken off each heater; one from the bottom half and one from the upper half. In total, eight samples were obtained off the heaters accompanied by two samples of sedimentary scale flakes from each experimental setup. The test tubes filled with samples were photographed side by side for a relative comparison of the amount of scale.

resultsFig. 5 depicts all heaters after the conclusion of the experiment after drying and pending

scale removal. It is noticeable that the amount of scale linings on the on/off heaters (H1, H3) is lower than on constant power heaters (H2, H4).

The amount of scale collected differed from sample to sample. However, either a slightly greater or the same amount of scale was collected from both heaters on the untreated

SCIENTIFIC PAPER

Fig. 3. The change in test water hardness vs. time; hardness peak on the 13th day is a consequence of adding test water

Fig. 4. Electric heater operating modes (A) with corresponding measured temperatures and their approximations (B).

Fig. 5. Removed electric heaters after drying.

34

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

line relative to the amount collected from the same parts of the heaters on the treated line. One example is shown in Fig. 6.

Fig. 6. The comparison of the amount of scale collected from the lower part of heaters H2 and H4.

Fig. 7. X-ray diffraction analysis spectra of all samples obtained using PANalytical X’Pert PRO MPD diffractometer.

Fig. 7 shows a comparison of obtained XRD spectra of analysed samples. The amounts of each calcium carbonate

ZNANOST NA DLANI

35

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

polymorph are listed in Table 1. All the samples taken from the heaters contained mostly aragonite with a small amount of calcite; no vaterite was detected. The sediment samples from both experimental setups (‘SETUP S1’ and ‘SETUP S2’) contained far more calcite than the other samples, up to roughly 30%. Possible amorphous phase content was estimated as extremely low.

Scanning electron microscope images of two

Fig. 8. SEM images of SETUP S1 sample (A, C) and H4 – UPPER PART sample (B, D).

Sample Calcite(wt. %)

Aragonite(wt. %)

H1-LOWER PART 1,6 98,4

H1-UPPER PART 2,0 98,0

H2-LOWER PART 2,1 97,9

H2-UPPER PART 3,2 96,8

H3-LOWER PART 0,9 99,1

H3-UPPER PART 1,1 98,9

H4-LOWER PART 1,0 99,0

H4-UPPER PART 3,6 96,4

SETUP S1 30,6 69,4

SETUP S2 18,1 81,9

table 1. The comparison of the amount of calcium car-bonate polymorphs in the samples.

samples under different magnifications are shown in Fig. 8. Needle shaped agglomerates composed of sub-micron crystals make up the calcite part of sample SETUP S1; see Fig. 8 (a, C). Because the growth process of these structures starts with very small crystals, they adhere better to surfaces consequently making the removal more difficult. As they are less dense and less compact than aragonite crystals, the calcite crystals take up a larger portion of the sample by volume. Hexagonal prism-shaped crystals, which are slightly unusual for aragonite, are shown in Fig. 8 (B, D). They are larger than calcite crystals and more compact, while their surfaces are flat and smooth.

DiscussionThere was virtually no difference in the amounts of calcite and aragonite in the samples obtained from the heaters. The existing differences can be attributed to questionable homogenisation of the samples and to measurement error. Due to the absence of major differences, it is assumed that MWT had no effect on the proportions of precipitated calcium carbonate polymorphs under given conditions.

SCIENTIFIC PAPER

36

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

The samples of sedimentary scale flakes obtained from both experimental setups contain far more calcite than heater scale samples; this points to a different mechanism of precipitation.

Lower average amount of scale collected from the heaters on the treated line suggests MWT had some effect on the precipitation. It is assumed that due to the MWT less calcium carbonate precipitated on the heaters and more elsewhere.

As the on/off and constant power heaters operated at different average powers, it is hard to draw any conclusions from the amounts of scale found on either. It is most likely that less scale precipitated on the on/off heaters due to lower average power.

ConclusionA calcium carbonate precipitation experiment was conducted and the scale samples were analysed using XRD and SEM to determine their composition. Under given test conditions, no difference in the proportions of calcium carbonate polymorphs was detected on heater scale samples on the treated and untreated line. MWT had some effect on scale amount reduction.

Future experiments involving heaters with the same average power and with test water of different composition, i.e. containing no magnesium ions, should be conducted.

acknowledgements

The authors would like to thank Prof. Dr. Anton Meden for XRD and SEM analysis of the samples. Mr. Igor Ponikvar is thanked for an initial insight into the methods of synthetic hard water preparation and Ms. Mojca Žitko for test water analysis. Dr. Anže Sitar and Mr. Ivo Sedmak are thanked for their help with setting up the experiment.

references[1] M. Zupančič, D. Novak, J. Diaci, I. Golobič, An evaluation of industrial ultrafiltration systems for surface water using fouling indices as a performance

indicator, Desalination, 344 (2014) 321-328.

[2] E.W. Allen, Process water treatment in Canada’s oil sands industry: II. A review of emerging technologies, Journal of Environmental Engineering and Science, 7(5) (2008) 499-524.

[3] L.A. Crum, M. Skinner, S. Zeilinger, A method for desalination and water remediation by hydrodynamic cavitation, Proceedings of Meetings on Acoustics, 19(1) (2013) 075028.

[4] M.V. Bagal, P.R. Gogate, Wastewater treatment using hybrid treatment schemes based on cavitation and Fenton chemistry: a review, Ultrason Sonochem, 21(1) (2014) 1-14.

[5] A. Alabi, M. Chiesa, C. Garlisi, G. Palmisano, Advances in anti-scale magnetic water treatment, Environmental Science: Water Research & Technology, 1(4) (2015) 408-425.

[6] L. Črepinšek-Lipuš, J. Krope, D. Goričanec, Optimal conditions for magnetic anti-scale treatment in heat exchangers, Proceedings of the WSEAS conferences, (2004).

[7] D. Dobersek, D. Goricanec, An experimentally evaluated magnetic device’s efficiency for water-scale reduction on electric heaters, Energy, 77 (2014) 271 - 278.

[8] K. Higashitani, A. Kage, S. Katamura, K. Imai, S. Hatade, Effects of a Magnetic Field on the Formation of CaCO3 Particles, Journal of colloid and interface science, 156(1) (1993) 90-95.

[9] S. Knez, C. Pohar, The magnetic field influence on the polymorph composition of CaCO3 precipitated from carbonized aqueous solutions, Journal of colloid and interface science, 281(2) (2005) 377-388.

[10] J.M.D. Coey, S. Cass, Magnetic water treatment, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 209(1–3) (2000) 71-74.

[11] S. Kobe, G. Dražić, P.J. McGuiness, J. Stražišar, The influence of the magnetic field on the crystallisation form of calcium carbonate and the testing of a magnetic water-treatment device, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 236(1–2) (2001) 71-76.

ZNANOST NA DLANI

37

PROCESNO-MERILNI SISTEM ZA DINAMIČNO UMERJANJE MERILNIKOV TLAKA

PROCESS-MEASUREMENT SySTEM FOR DyNAMIC CALIbRATION OF PRESSURE METERS

Metka Štefe, dr. Andrej Svete, Andraž Maček, izr. prof. dr. Ivan Bajsić

Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

Kratki znanstveni prispevek / Short scientific paper

PovzetekRazvili, izdelali in preizkusili smo procesno-merilni sistem za dinamično umerjanje merilnikov tlaka pri različnih absolutnih tlakih. Generator periodičnih tlačnih pulzacij je v obliki dvostransko delujočega pnevmatičnega delovnega valja, kjer stabilno in nastavljivo visokofrekvenčno gibanje bata omogoča elektrodinamični stresalnik. Procesno-merilni sistem omogoča vzpostavitev enakih začetnih absolutnih tlakov v obeh komorah, s čimer je zmanjšano začetno prednapetje na elektrodinamični stresalnik in tako omogočeno generiranje večjih tlačnih pulzacij z enako vzbujevalno silo. V zgornji komori so izdelana tri merilna mesta za odjem tlaka, katera omogočajo merjenje tlačnih pulzacij.

abstractWe developed, constructed and tested a process-measurement system for dynamic calibration of pressure meters at different average pressures. Periodic dynamic pressure generator under discussion consists of a double-acting pneumatic cylinder, where a stable and adjustable high-frequency movement of the piston-rod assembly is generated by an electrodynamic shaker. The process-measurement system enables the pressurization of both chambers with equal initial absolute pressures, which reduces the initial preload on the electrodynamic shaker and therefore enables the generation of larger pressure pulsations with the same excitation force. In the upper chamber three measuring ports are made, which enable the measurements of the pressure pulsations.

Ključne besede: generator tlačnih pulzacij, pnevmatični delovni valj, tlačne pulzacije, merilnik tlaka, dinamično umerjanje

Key words: dynamic pressure generator, pneumatic cylinder, pressure pulsations, pressure meter, dynamic calibration

S hitrim razvojem tehnologije v zadnjih nekaj desetletjih so se povečale tudi potrebe po točnem merjenju tlačnih pulzacij na raznolikih področjih [1]. V avtomobilski industriji je tlak kontrolni parameter za določanje ekonomičnosti porabe goriva in količine nevarnih emisij v izpuhu. V medicini vrednost tlačne pulzacije krvnega tlaka zagotavlja pomembno orodje za diagnosticiranje in zdravljenje tako kritično bolnih bolnikov kot tudi tistih, ki okrevajo po kirurških posegih, saj se krvni tlak nenehno časovno spreminja ter s tem popisuje zdravstveno stanje človeka. Pri razvoju turbostrojev so glavni opazovani parametri njihova zmogljivost in učinkovitost ter izgube v njih, za kar so meritve tlačnih pulzacij in tudi hitrosti nepogrešljive. Tako naraščajoča zahteva po časovno spreminjajočemu tlaku zahteva uporabo merilnikov tlaka s primernimi dinamičnimi lastnostmi, kar ustvarja vedno večje potrebe po dinamičnem preizkušanju in umerjanju merilnikov. Kljub temu pa trenutno še ne obstaja mednarodni standard, ki bi predpisoval postopke dinamičnega umerjanja merilnikov tlaka [2, 3]. Za ta postopek so potrebni generatorji tlačnih pulzacij, ki imajo poznane dinamične značilnice [4].

SCIENTIFIC PAPER

38

ZNANOST NA DLANIz

ve

za

s

tr

oj

ni

h

in

že

ni

rj

ev

s

lo

ve

ni

je

w

ww

.z

ve

za

-z

si

s.

si

Izdelan procesno-merilni sistem za dinamično umerjanje merilnikov tlaka je prikazan na sliki 1 [5]. Konstrukcija sistema je bila zasnovana modularno, tako da se po potrebi lahko sestavni deli zamenjajo in s tem sistem nadgrajuje. Varjena konstrukcija predstavlja nosilno ogrodje za celoten procesno-merilni sistem in je bila zasnovana tako, da čim bolje zaduši mehanske vibracije, ki so generirane med delovanjem generatorja tlačnih pulzacij. Na konstrukcijo je pritrjen elektrodinamični stresalnik, ki preko prilagojenega vmesnega sestava vzbuja bat, s čimer so v pnevmatičnem delovnem valju generirane harmonične tlačne pulzacije. Delovanje stresalnika smo spremljali s pomočjo signala iz IEPE pospeškomera, ki zaznava gibanje sestava gibajočih delov. Sestav gibajočih delov sestavljajo bat s skoznjo batnico in sestav za priključitev na elekrodinamični stresalnik, katera dva sta povezana z vmesnim kosom z namenom nastavljanja začetne višine bata v valju. Pnevmatični delovni valj je privijačen na nosilno ploščo, katera je pritrjena na varjeno konstrukcijo tako, da je omogočeno prečno pomikanje nosilne plošče s pritrjenim sklopom pnevmatičnega delovnega valja pri centriranju batnice glede na lego stresalnika. Središčno lego vibrirajočega bata smo merili s Hallovim merilnikom pomika vstavljenega v T-utor pnevmatičnega delovnega valja. Z namenom zmanjšanja začetne statične prednapetosti stresalnika zaradi tlaka, ki deluje v komorah na bat, smo izdelali posebne priključke z vgrajenimi ventili, ki omogočajo vzpostavitev enakega začetnega statičnega tlaka medija (zraka) v zgornji in spodnji komori pnevmatičnega delovnega valja. Hkrati smo z vzpostavitvijo enakega začetnega statičnega tlaka v obeh komorah želeli zmanjšati prehajanje zraka iz ene komore v drugo ter s tem omogočiti konstanten povprečni tlak tekom generiranih tlačnih pulzacij. Za vzpostavitev začetnega stanja tlaka v komorah smo uporabili tlačni regulator, ki smo ga preko plastičnih cevk in izdelanih priključkov povezali s pnevmatičnim delovnim valjem. V zgornji komori pnevmatičnega delovnega valja so narejena tri merilna mesta za odjem tlaka, ki omogočajo priključitev preizkušanih in referenčnih hitro odzivnih merilnikov tlaka z znanimi dinamičnimi lastnostmi. V eksperimentalnem delu smo za merjenje tlačnih pulzacij v zgornji komori pnevmatičnega

delovnega valja uporabili piezoelektrični merilnik tlaka, ki je na odjemno mesto priključen s posebno narejenim dvovijačnikom, s čimer smo odpravili vpliv povezovalnih cevk na velikost dinamičnega pogreška [6]. Za merjenje povprečnega tlaka znotraj zgornje komore smo uporabili merilnik tlačne razlike, ki je bil preko svojega pozitivnega tlačnega odjema povezan na odjemno mesto pnevmatičnega delovnega valja s povezovalno cevko, negativni tlačni odjem pa je bil odprt na okolico. Absolutni tlak smo določili s pomočjo merjenja tlaka okolice z barometrom. Z namenom merjenja prenesenih mehanskih vibracij preko pnevmatičnega delovnega valja med delovanjem generatorja tlačnih pulzacij na piezoelektrični merilnik tlaka smo nanj pritrdili IEPE pospeškomer, s katerim smo spremljali nihanje le-tega. Za ojačenje merilnih signalov iz IEPE pospeškomerov smo uporabili ojačevalnik, medtem ko smo signal iz piezoelektričnega merilnika tlaka ojačali z nabojnim ojačevalnikom. Signali tlaka, pospeška stresalnika, pospeška prenesenih vibracij na piezoelektrični merilnik tlaka in lege bata so povezani na merilno kartico. Z izhodnim signalom merilne kartice nadzorujemo tudi delovanje elektrodinamičnega stresalnika. Algoritmi krmilnega sistema in obdelava vseh merjenih signalov potekajo v programskem okolju LabVIEW. Delovanje procesno-merilnega sistema prikazuje blokovna shema na sliki 2.

Razvit procesno-merilni sistem predstavlja začetno stopnjo raziskav vpliva tlačnih pulzacij na merilnike tlaka pri različnih vrednostih začetnih absolutnih tlakov do 1 MPa in v frekvenčnem območju do nekaj sto hertzov. V prihodnje želimo izboljšti lastnosti razvitega generatorja tlačnih pulzacij, in sicer s povečanjem njegove togosti, s čimer bomo zmanjšali prenos zunanjih vibracij preko pnevmatičnega delovnega valja na merilnike tlaka [7]. Poleg tega bo kot referenčni merilnik uporabljen piezouporovni merilnik tlaka, ki bo omogočal hkratno merjenje statičnega absolutnega tlaka in tlačnih pulzacij brez uporabe povezovalnih elementov.

39

SCIENTIFIC PAPERz

ve

za

s

tr

oj

ni

h

in

že

ni

rj

ev

s

lo

ve

ni

je

w

ww

.z

ve

za

-z

si

s.

si

reference[1] J. Hjelmgren, Dynamic Measurement of Pressure - A Literature Survey, SP Swedish National Testing and Research Institute, Borås, 2002.

[2] V. E. Bean, Dynamic pressure metrology, Metrologia, 30 (6) (1994) 737-741.

[3] A.C.G.C. Diniz, A.B.S. Oliveira, J.N. de Souza Vianna, F. J. R. Neves, Dynamic calibration methods for pressure sensors and development of standard devices for dynamic pressure, Proceedings of the XVIII IMEKO World Congress, Rio de Jeneiro, Brazilija, 2006.

[4] J. Kutin, I. Bajsić, Characteristics of a dynamic pressure generator based on loudspeakers, Sensors and Actuators A: Physical, 168 (1) (2011) 149-154.

[5] M. Štefe, Razvoj merilnega sistema za dinamično umerjanje merilnikov tlaka, Diplomska naloga, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, Slovenija, 2015.

[6] I. Bajsić, J. Kutin, T. Žagar, Response time of a pressure measurement system with a connecting tube, Instrumentation Science & Technology, 35 (4) (2007) 399-409.

[7] A. Svete, M. Štefe, A. Maček, J. Kutin, I. Bajsić, Development of a measurement system for dynamic calibration of pressure sensors, Proceedings of the XXI IMEKO World Congress, Praga, Češka, 2015.

slika 1: Procesno-merilni sistem za dinamično umerjanje merilnikov tlak.Picture 1. A process-measurement system for dynamic calibration of pressure meters.

40

ZNANOST NA DLANIz

ve

za

s

tr

oj

ni

h

in

že

ni

rj

ev

s

lo

ve

ni

je

w

ww

.z

ve

za

-z

si

s.

si

slika 2: Blokovna shema procesno-merilnega sistema.Picture 2. A block diagram of a process-measurement system.

41

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

1. Kje ste dobili povod za študij strojništva?

Po tehnični srednji šoli na Jesenicah sem v štirih letih kar hitro dobila zanimanje za naravoslovne predmete in glede na to, da smo imeli odlične profesorje in odlično podlago, je bilo nadaljevanje šolanja na Fakulteti za strojništvo razumna in

najbolj smiselna odločitev.

2. Kdo pa vas je navdušil za smučanje?

Starši in sestra.

3. Katere vzporednice vidite med smučanjem in strojništvom?

Največje vzporednice prav s strojništvom vidim pri materialih - smuči in smučarski čevlji…Samo tehniko in gibanje smučarja pa bi lahko povezala s fiziko in biomehaniko.

4. Opravljanje študijskih obveznosti je za študenta trening, izpit pa je tekma. Kako vam je uspelo usklajevati študijske in športne obveznosti hkrati?

Brez razumevanja Fakultete za strojništvo in njenih profesorjev bi bilo nemogoče študirati in se obenem

ukvarjati z vrhunskim športom. Seveda je prioriteta šport, ker konec koncev študij lahko počaka, vendar dlje kot se čaka, težje je zaključiti.

5. Katere obveznosti so vam bile ljubše, študijske ali športne?

Športne.

6. Na študij strojništva je vpisanih precej več študentov kot študentk. Kako so vas sprejeli vaši sošolci, ste se dobro počutili v moški družbi?

Moške družbe sem bila vajena že v srednji šoli, skozi štiriletno obdobje sem imela le dve sošolki…Na fakulteti sem bila kar nekaj časa in žal mi je večina sošolcev vedno »ušla«, vendar s tistimi pravimi smo še vedno v stikih. V moški družbi sem se vedno dobro počutila, nikoli mi niso dali občutka, da ne »spadam« zraven.

7. Ali še ohranjate stike s svojimi kolegi iz študijskih vrst?

Da, z nekaterimi.

8. Pravijo, da so študentska leta najlepša leta … Po čem ste si jih vi najbolj zapomnili?

Študijska leta športnika niso nič posebnega, saj jih ne koristiš na način kot tvoji sošolci…V času kariere je v ospredju šport, prosti čas pa izkoristiš za učenje in druženje z družino in bližnjimi prijatelji.

9. Univerza v Ljubljani je v začetku leta 2015 obeležila 50 let od začetka uvajanja organizirane in vodene športne vzgoje na Univerzi v Ljubljani. Se strinjate, da gresta študij in šport z roko v roki?

INTERVJU: ANA KObALPripravila: Andreja Cigale

Trdo delo, vztrajnost, disciplina, dobra časovna organiziranost, motivacija – to je le nekaj besed, s katerimi lahko označimo vrhunske športnike. Neznani avtor je nekoč zapisal: Ko se srečata rečni tok in skala, rečni tok vedno zmaga, toda ne z močjo, temveč z vztrajnostjo! Če je človek motiviran, bo vztrajal na svoji poti. Uspešna slovenska smučarka Ana Kobal je dokazala, da gresta študij strojništva in vrhunsko alpsko smučanje ob ogromnem trudu ter z veliko mero vztrajnosti z roko v roki. Slovenijo je zastopala na zimskih olimpijskih igrah v Torinu leta 2006, svojo smučarsko kariero pa zaključila po sezoni 2007/08.

V SREDIŠČU: ANA KOBAL

42

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

V SREDIŠČU: ANA KOBAL

Seveda, šport je neke vrste zdravilo proti utrujenosti pri študiju. Kdor želi ostati osredotočen dlje časa študijskim in drugim obveznostim (za knjigami), mora imeti kar nekaj fizične kondicije.

10. Za športnike je značilno, da ste disciplinirani, vztrajni in tudi psihično vzdržljivi ljudje. Vam to pomaga tudi pri dosegu drugih življenjskih ciljev?

Definitivno te šport nauči discipline, predvsem pa ti naredi trdo kožo, kar je za zunanji svet nujnega pomena. Kaj pa vem, pri doseganju drugih ciljev… v mojem primeru mi pomaga, ker sem trenutno na RTV-ju športna novinarka in moj prvi šport je alpsko smučanje. Torej v tem primeru lahko rečem, da mi pomaga.

11. Kako bi komentirali naslednjo misel: Človek je živo bitje, ki zna ustvarjati ter misliti, in tehnika je njegovo najmočnejše orodje.

Se popolnoma strinjam!

12. V zadnjem času smo vas spremljali kot športno novinarko na slovenski televiziji. Vas morda zanima

tudi delo, ki bo povezano z vašim študijem?

Prezgodaj je govoriti o tem …sicer pa - nikoli ne reci nikoli ..:)

43

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

V tokratni rubriki se bomo dotaknili teme, ki jo je obravnavalo Lektorsko društvo Slovenije na rednem srečanju, imenovanem Jezikovni pogovori.

Namen Lektorskega društva je povezovanje lektorjev, sami pravijo, da so »rdeča nit« njihovega delovanja predvsem predavanja, s katerimi poskušajo svoje delo čim tesneje povezovati z ustanovami, ki so pristojne za postavljanje meril pri rabi slovenščine v javnem življenju. Živimo v času, ko se tehnologija spreminja zelo hitro, kar pomeni, da vsak dan prihajajo novi izrazi, in včasih se zgodi, da pride kaj novega, še preden za neko stvar najdemo primerno besedo.

Pomembno je povezovanje, zato društvo tesno sodeluje z Inštitutom za slovenski jezik Frana Ramovša, z Oddelkom za slovenistiko na Filozofski fakulteti v Ljubljani, s Fakulteto za družbene vede v Ljubljani ter društvi pisateljev, slavistov in prevajalcev.

Tema tokratnega Jezikovnega pogovora je bila raba posameznih prislovov, predlogov in veznikov, za katere veljajo različna mnenja, hkrati pa jih niti Slovenski pravopis (2001) niti Slovar slovenskega knjižnega jezika na obravnavata enako. Izbrala sem dva najzanimivejša primera, s katerima se, vsaj po mojem mnenju, večkrat srečamo.

SEDAJ = ZDAJ

Prislova sedaj in zdaj sta sopomenki in ni pravzaprav z njima nič narobe. Pojavi se vprašanje, kako ravnati ob dvojnicah, kaj je pravilneje ….V pravopisu razberemo, da ima po neki odločitvi prednost sopomenka z zvenečim začetkom, torej zdaj, vendar to ne pomeni, da je beseda sedaj nepravilna. Torej če se ravnamo po pravopisu, uporabimo besedo zdaj, ki je tudi krajša in zato tudi eksplozivnejša. Pri dvojnicah je pomembna doslednost, torej če se odločimo za eno, potem se naj ta beseda pojavlja skozi celotno besedilo. Zanimivo je, da Korpus Gigafida (obsežna zbirka

NEKATERE (NE)DVOJNICE V SLOVENŠČINIAndreja Cigale

“... zdaj – sedaj, poleg – zraven ...”

JEZIKOVNI ODTENKI

44

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

slovenskih besedil najrazličnejših zvrsti, ki so izšla med letoma 1990 in 2011) beleži 993,420 zapisov besede zdaj in 307,650 zapisov besede sedaj. To je dokaz, da je beseda zdaj bolj priljubljena oz. večkrat uporabljena, saj je raba približno 3-krat pogostejša od rabe besede sedaj.

Če pa razširimo rabo teh dveh izrazov še na celotno besedno družino, ugotovimo, da so izpeljanke iz prislova sedaj (sedanji, dosedanji, sedanjost) bolj zaželene od zdaj (zdajšnji, dozdajšnji, zdajšnjost). Kot primer poglejmo besedi sedanji : zdajšnji. Preverimo ju v Korpusu Gigafida, ki beleži naslednje: beseda sedanji ima 171,254 izpisov, medtem ko zdajšnji le 39,238.

POLEG : ZRAVEN

Beseda poleg ima v pravopisu oznako pešajoče in napotek, da ima enak pomen prislov zraven. Pri tem navaja primer: Položiti na mizo kruh in poleg nož. Stal je ob cesti, poleg je imel psa.

Tudi pri besedi zraven gre za dodajanje, vendar ga nekateri občutimo bolj prostorsko in le v tem primeru sinonimno z besedo poleg. Torej sta besedi zraven in poleg v tem primeru povsem zamenljivi.

Za lažje razumevanje poglejmo primer:

zraven/poleg/ mene/ob meni stoji moj prijatelj

Kadar pa ne gre za izražanje prostorskosti, zamenjava besed poleg in zraven ni ustrezna – dokaz je spodnji primer:

Zraven romanov → poleg romanov piše tudi pesmi

Slovenski pravopis sicer navaja primere, s katerimi pa se vsi ne strinjajo.

Zraven dobrih lastnosti ima stroj tudi slabosti.

V šoli je med najboljšimi, zraven tega pa je odličen športnik.

Marsikdo bi v teh primerih zamenjal besedo zraven z besedo poleg, kar pa je tudi povsem pravilno.

Poleg dobrih lastnosti ima stroj tudi slabosti.

V šoli je med najboljšimi, poleg tega pa je odličen športnik.

Ti dve besedi smo preveril tudi v Korpusu Gigafida; beseda poleg ima več kot 567.000 pojavitev, beseda zraven pa nekaj manj kot 69.000. Iz tega razberemo, da se beseda zraven pojavlja predvsem za izražanje prostorskosti, v (vseh) drugih primerih pa je v rabi beseda poleg.

literatura:

- Tasić D,: Jezikovni pogovori. Lektorsko društvo Slovenije, 2015

JEZIKOVNI ODTENKI

45

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

NAVODILA AVTORJEM

Prispevek pravila citiranja

CITIRANJEZaradi želje po mednarodne vpetosti revije mora biti citiranje v znanstvenih člankih v skladu z Elsevier prakso in sicer na osnovi revije International Journal of Heat and Mass Transfer.

V besedilu navajajte citate v oglatih oklepajih ([1]) ali pa s priimkom prvega avtorja in oglatim oklepajem (Liu [1]) oz. (Liu et al. [1]). Vsi citati iz besedila morajo biti navedeni na koncu članka v poglavju Reference (ang. References), in sicer v takem zaporedju, kot se pojavljajo tudi v besedilu, skupaj z zaporedno številko v oglatem oklepaju. Reference naj bodo oblikovane, kot je navedeno spodaj v primerih ([1] članek v reviji; [2] dopolnilne informacije članku; [3] knjiga; [4] uredniška publikacija; [5] disertacija; [6] neobjavljeno poročilo; [7] objavljeno poročilo; [8] konferenčni zbornik; [9] patent):

[1] Q.S. Liu, B. Roux, M.G. Velarde, Thermocapillary convection in two-layer systems, International Journal of Heat and Mass Transfer, 41 (11) (1998) 1499-1511.

[2] E.R.G. Eckert, H.H. Cho, Transition from transpiration to film cooling, International Journal of Heat and Mass Transfer, 37 (suppl. 1) (1994) 3-8.

[3] A. Bejan, Convection Heat Transfer, Second Edition, Wiley, New York, 1995, pp. 62-75.

[4] M. Kaviany, Heat transfer in porous media, v: W.M. Rohsenow, J.P. Hartnett, Y.I. Cho (Eds.), Handbook of Heat Transfer, McGraw-Hill, New York, 1998, pp. 9.32-9.43.

[5] W.-T. Yang, Two-phase swirl flow, PhD thesis, University of Illinois, Chicago, IL, 1997.

[6] S.P. Vanka, Efficient computation of viscous internal flows, SBIR Phase-I Report, NAS3-25573, Propulsion Research Associates, Westmont, IL, August 1989.

[7] J. Davids, D. Smith, Analysis of constant-velocity joints under high torque, HMSO, London, 1996, pp. 1-8.

[8] V.P. Carey, Modeling of microscale transport in multiphase systems, v: J.S. Lee (Ed.), Proceedings of the Eleventh Heat Transfer Conference, Taylor & Francis, Philadelphia, PA, 1998, pp. 23-40.

[9] T. Burns, US Patent No. 358498, 1995.

Vedno vključite številke strani za reference člankov in številke strani ali številko poglavja za reference knjig. Vsaka referenca mora biti navedena (citirana) v besedilu vašega članka.

Citiranje s pomočjo EndNote-a

Zaradi zagotavljanja konsistentnosti navajanja literature je zelo priporočljiva uporaba programov za pomoč pri navajanju literature (EndNote, Menedely, Reference Manager idr.). Na spletni strani Zveze strojnih inženirjev Slovenije je dosegljiva predloga za program EndNote ("Svet strojništva.ens"), ki jo enostavno uvozite v program in uporabljate pri navajanju literature v reviji Svet strojništva. Predloga je dostopna na povezavi http://www.zveza-zsis.si/index.php/svet-strojnistva.

NAVODILA AVTORJEM

46

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

Letos je bila možna izbira med sledečimi delavnicami:• mobilni robot,• osnove programiranja CNC-obdelovalnih

strojev,• vodno–hidravlična stiskalnica pločevink,• uporabimo ostanek lesne biomase kot vir

energije za stavbe,• portalni žerjav s pnevmatikami,• model vetrovnega kanala v Nordijskem centru

Planica,• gradnja letala na daljinsko vodenje,• vse kar moja stavba potrebuje je Sonce,• spajanje in toplotno rezanje materialov ter• HPC-High Performance Computing.

Objave za sodelovanje so bile odprte do konca meseca junija, glede na prijave pa so bile izbrane naslednje delavnice:• mobilni robot v okviru Laboratorija za tehnično

kibernetiko, obdelovalne sisteme in računalniško tehnologijo, ki ga vodi prof. dr. Peter Butala,

• gradnja letala na daljinsko vodenje v okviru Laboratorija za aeronavtiko, ki ga vodi izr. prof. dr. Tadej Kosel in

• vodno-hidravlična stiskalnica pločevink v okviru Laboratorija za tribologijo in sisteme vzdrževanja, ki ga vodi doc. Franc Majdič.

Poletna šola se je pričela v ponedeljek 16. avgusta zjutraj z uvodnim pozdravom prodekana prof. Boltežarja, ki je bil kot prodekan zadolžen za izvedbo

Druga Poletna šola strojništva je potekala letos med 16. in 21. avgustom na Fakulteti za strojništvo. Namen poletne šole je bil na zanimiv način predstaviti študij in delo inženirja strojnika na različnih področjih, namenjena pa je za osnovnošolce od 8. do 9. razreda in srednješolce od 1. do 3. letnika.

poletne šole. Pri sami operativni izvedbi pa sva sodelovala s Suzano Domjan.Na delavnici Mobilni robot je letos sodelovalo 10 udeležencev. Delavnico je koordiniral Rok Vrabič, sodelovali pa so še študenti Maja Lindič, Alen Bučar in Gregor Rapuš.

Cilj delavnice je bil udeležencem prikazati osnove mehatronike. Najprej so začeli s spoznavanjem teoretičnih osnov in rokovanjem z orodji. Vsa znanja so uporabili pri izdelavi električnega vezja, za katerega so dobili že pripravljene komponente vključno s povezovalno ploščico, ki je bila pripravljena za potrebe izvajanja te delavnice. Tako je nastal mobilni robot. Nato so mu vgradili še »pamet«, ki jo je predstavljal program za mikrokrmilnik. Za začetek so naložili že pripravljen program, ki je medsebojno povezal robota s pametnim telefonom in tako omogočal njegovo vodenje s spreminjanjem nagiba telefona. Nato so nadgradili mobilnega robota za vožnjo tako, da so izrabili senzorje, ki zaznavajo kontrast med dvema barvama in tako s pravilno izdelanim programom dosegli, da je deloval povsem avtonomno. Da pa je bilo programiranje bolj zanimivo, so postavili več prog, na katerih so lahko udeleženci preverili, kako samostojno napisani programi delujejo tudi v praksi. Na koncu so izvedli še nekaj tekmovanj z mobilnimi roboti.

Uroš Stritih

POLETNA ŠOLA STROJNIŠTVA 2015

– PSŠ 2015

INFORMATOR

slika 1: Uvodni pozdrav udeležencev (govori prof. Miha Boltežar)

47

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

Na delavnici Gradnja letala na daljinsko vodenje je letos sodelovalo 6 udeležencev. Pri izvedbi sta pomagala študenta Lazo Milenkov ter Ervin Klemenčič.Cilj delavnice je bil spoznati splošno teorijo letenja in izdelave letal ter s pridobljenim znanjem izdelati model letala. V teoretičnem delu so se udeleženci naučili, katere sile pomagajo letalu da ostane v zraku, kako težišče vpliva na stabilnost leta, kako letalo spreminja smer in kaj so najpogostejše napake, ki privedejo do nenadzorovanega leta. Seznanili so se tudi z vsemi komponentami in materiali, ki jih imajo na voljo za izdelavo modela. Iz pridobljenega znanja so se odločili, da je zanje najprimernejše visokokrilno letalo, izdelano iz deprona, ki ima krmilne površine samo na repu, s katerimi nadzira višino in smer. Nato so začeli z izdelavo: v 3D programu SolidWorks so zmodelirali vsako komponento posebej ter dele izrezali s CNC-rezkarjem in jih sestavili. Nato so v letalo vgradili motor, propeler, baterijo, sprejemnik in servomotorje. Slednje so povezali s krmilnimi površinami na repu. Ko je bilo letalo dokončano, so ga na travniku preizkusili. Na delavnici vodno-hidravlična stiskalnica pločevink je sodelovalo 6 udeležencev. Delavnico je vodil študent Rak Žan. Udeleženci so se najprej seznanili z osnovami hidravlike ter s programom SolidWorks, v katerem so narisali 3D model stiskalnice in za vsak del naredili tehniško dokumentacijo. V laboratoriju

so stiskalnico izdelali: v aluminijasti cevi so pobrusili robove, izvrtali luknje in namestili plastično dno ter pokrovček. V stiskalnico so vstavili bat z vzmetjo. Na vrhu stiskalnice so namestili dovod vode, ventil, nanometer in odvod vode. Sledil je preizkus stiskalnic; nekatere so potrebovale še nekaj dodelav. Na koncu je vsak udeleženec na svojo stiskalnico nalepil še nalepko. Če je kakšna stiskalnica spustila kakšno kapljo vode, so rekli: »to je pa zato, da maže«.V petek 21. avgusta ob 12. uri je na Fakulteti za strojništvo potekala zaključna predstavitev,

slika 2: Utrinek iz delavnice Mobilni Robot (desno dr. Rok Vrabič) slika 3: Utrinek iz delavnice »Gradnja letala na

daljinsko vodenje«

slika 4: Teoretične osnove na delavnici vodno-hidravlična stiskalnica pločevink(predava doc. dr. Franc Majdič)

INFORMATOR

48

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

INFORMATOR

kjer so udeleženci pokazali svoje dosežke, dobili pa bodo tudi priznanja za udeležbo, ki jih bo podelil dekan prof. Branko Širok. Vabljeni so bili tudi starši ter ostali zainteresirani.

Za udeležence, ki so zaradi oddaljenosti od doma prenočevali v Ljubljani, so bile organizirane popoldanske in večerne aktivnosti, kot so ogled Ljubljane, iskanje ključa v Sobi pobega, ogled kino predstave, plezanje ter bovling. Pri tem sta pomagala tudi naša študenta Irena Kržič ter Rok Stropnik.

Vsi udeleženci so bili mnenja, da je poletna šola imenitno uspela. Nekateri so že izrazili željo, da se bodo prijavili tudi drugo leto.

Več informacij je na voljo na spletni strani

www.poletnasolastrojnistva.si

slika 5: Fotografija izdelane vodno-hidravlične stiskalnice (udeleženca Gašperja Stritiha)

slika 6: Skupinska slika udeležencev Poletne šole strojništva 2015

49

INFORMATORz

ve

za

s

tr

oj

ni

h

in

že

ni

rj

ev

s

lo

ve

ni

je

w

ww

.z

ve

za

-z

si

s.

si

Tekmovanja študentske formule so sestavljena iz dveh glavnih delov – statičnega in dinamičnega. Statični del sestavljajo inženirski dizajn, analiza cenovne, poslovne predstavitve ter tehnični pregled (sestavljajo ga pregled varnosti, šasije, glasnosti, zavor, test nagiba dirkalnika ter tehnični pregled). Kar je ekipi morda malo manjkalo pri statičnem delu tekmovanja, so več kot odtehtali z nastopom na dinamičnem delu tekmovanja, ki ga sestavljajo skidpad, pospeševanje, test vzdržljivosti in ekonomičnost porabe goriva.

Dirkalnik sam tehta le 165 kg in je bil eden izmed lažjih na tekmovanju. Med drugim ga odlikujejo karbonski monokok, karbonske obese in karbonska platišča z aluminijastimi centri. Pri motorju so se odločili za enocilindrski 480 cm3 KTM-ov motor, ki ga poganja etanol. Ima 48 konjskih moči, ki dirkalniku omogočijo doseganje hitrosti 100 km/h v 3,9 s. Letos je dirkalnik prvič v zgodovini projekta opremljen s celotnim aerodinamičnim paketom – tako sprednja in zadnja krila, boki kot tudi undertray. Študentje so izvedli ogromno število inženirskih simulacij in analiz, ki so jim omogočala izbiro najbolj inženirsko optimalnih rešitev. Formula Student je največje tekmovanje na svetu za študente inženirskih ved, ki s svojim znanjem, izkušnjami ter pod okriljem univerz in svojih sponzorjev ter donatorjev vsako leto tekmujejo v izdelavi dirkalnika in v različnih cestnohitrostnih preizkušnjah.

Ekipa študentov GPE Maribor, ki deluje pod okriljem Fakultete za strojništvo v Mariboru, se že peto leto zapored uvršča na solidna mesta v tekmovanjih razreda Formula Student, ki potekajo širom Evrope. Letošnji uspeh je za ekipo zgodovinske vrednosti. Vsako leto je ekipa bolj prepoznavna, saj s svojimi inženirskimi rešitvami navdušuje sodnike ter priznane strokovnjake iz največjih svetovnih podjetij. Kontaktne informacije in medijske vsebine: um.gpe.pr@gmail.com, http://gpe.fs.um.si/

Vir: http://gpe.fs.um.si

Ekipa Mariborskih študentov UNI Maribor Grand Prix Engineering je v okviru projekta Študentska formula na mednarodnem tekmovanju v Madžarskem Győru dosegla 3. mesto na dirki vzdržljivosti

in 3. mesto v skupnem seštevku dinamičnega dela tekmovanja.

v celotnem skupnem seštevku so bili 8. Tekmovanje je potekalo med 20 in 23. avgustom, razglasitev rezultatov je potekala v nedeljo, 23. 8. 2015. Trenutno se ekipa pripravlja na drugo letošnje

tekmovanje, ki bo potekalo bo na Češkem, v Mostu v začetku septembra.

27. 8. 2015, Maribor

MARIbORSKI ŠTUDENTI Z DIRKALNIKOM GPE15 DO STOPNIČK NA MEDNARODNEM TEKMOVANJU

50

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

RAZVOJ SISTEMA ZA OPOZARJANJE ZADAJ VOZEČIH VOZNIKOV NA NEUPOŠTEVANJE

VARNOSTNE RAZDALJE

Matic Virant (virantma@gmail.com)

prof. dr. Ivan Prebil, univ. dipl. inž.doc. dr. Miha Ambrož, univ. dipl. inž.

Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani

izvleček:

Na podlagi statističnih podatkov in analiz smo ugotovili, da je vožnja z zmanjšano varnostno razdaljo zelo pogost vzrok prometnih nesreč. Izhajajoč iz prepoznane problematike smo zasnovali koncept naprave, ki prispeva k vzdrževanju pravilne varnostne razdalje med vozili in posledično povečuje varnost voznikov in sopotnikov. Na

podlagi zasnovanega koncepta smo izdelali prototip naprave, ki pri sledenju vozil opozarja zadaj vozeče voznike na neupoštevanje zakonsko predpisane varnostne razdalje. Prototip, ki je za merjenje razdalje med vozili uporabljal radarski sistem, je bil preizkušen v realnem voznem okolju. Rezultati preizkusa so bili analizirani in ustrezno ovrednoteni.

UVOD

Vožnja na prekratki varnostni razdalji je v cestnem prometu pogost problem, ki predstavlja enega izmed glavnih vzrokov za nastanek prometnih nesreč.

V obdobju med letoma 1994 in 2011 se je zaradi neustrezne varnostne razdalje zgodilo 15 % vseh zabeleženih nesreč.

Vozniki pogosto vozimo preblizu vozila pred nami, ker se ne zavedamo dolžine poti, ki je potrebna za zaustavljanje vozila, in ker želimo pri vožnji v

koloni povečati pretočnost ceste in tako hitreje priti na cilj. Vsakomur izmed nas je prav tako tudi zelo poznan scenarij z avtocest in hitrih cest, ko nekateri vozniki želijo z agresivnim približevanjem spredaj vozečemu vozilu, le-tega čim prej izriniti s prehitevalnega na vozni pas. Z nenehnim izboljševanjem vozil, pnevmatik in prometne infrastrukture pa smo vozniki še bolj samozavestni in še hitreje pozabimo na ustrezno varnostno razdaljo, kar pogosto vodi v trke od zadaj, katerih posledice so lahko zelo hude: v najboljšem primeru le materialna škoda, žal pa smo pogosto priča hudim telesnim poškodbam in celo smrtnim žrtvam.

NAMEN IN CILJINamen naloge je natančno analizirati problem neupoštevanja varnostne razdalje v cestnem prometu in na podlagi dobljenih ugotovitev zasnovati aktivno varnostno napravo, ki bi na kakršenkoli način prispevala k vzdrževanju varnostne razdalje in posledično povečala varnost voznikov in sopotnikov v vozilih. Cilj naloge je bil izdelati prototip naprave, ki opravlja funkcijo opozarjanja zadaj vozečih voznikov na premajhno varnostno razdaljo. Težnja je bila izdelati cenovno dostopno napravo, ki je popolnoma univerzalna, deluje popolnoma zanesljivo v vseh pogojih in se lahko vgradi prav v vsako vozilo brez večjih posegov in pri svojem delovanju upošteva veljavno zakonodajo in ne moti voznika in ostalih udeležencev v prometu. Predvsem se bomo osredotočili na vpliv zadaj vozečega voznika. Prav ta voznik je tisti, ki nas potencialno ogroža z neupoštevanjem cestnoprometnih predpisov, ki natančno določajo, kolikšna naj bo minimalna varnostna razdalja v danih pogojih, večina od množično uporabljanih naprav pa na pravilno varnostno razdaljo opozarja le voznika tistega vozila, v katerega je naprava vgrajena.

VARNOSTNA RAZDALJA

Zakon o pravilih cestnega prometa predpisuje vožnjo po pravilu dveh sekund. Ta pravi, naj bo varnostna razdalja najmanj enaka poti, ki

ŠTUDENTSKI POGLEDI: RAZVOJ SISTEMA ZA OPOZARJANJE ZADAJ VOZEČIH VOZNIKOV ...

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

51

jo z vozilom pri hitrosti, s katero vozimo, prevozimo v dveh sekundah. Da bi vozniki vozili na varnostni razdalji, se trudimo doseči z različnimi ukrepi. V Sloveniji policisti merijo varnostno razdaljo z radarskim merilnikom ali pa z vozili z vgrajenim videonadzornim sistemom Provida. Obstajajo tudi klasični ali prilagodljivi prometni znaki LED, ki na problematičnih odsekih cest določajo varnostno razdaljo, in DARS-ova testna polja, ki omogočajo samokontrolo varnostne razdalje. Pri pregledu trga aktivnih varnostnih naprav smo ugotovili, da na trgu še ne obstaja naprava, ki bi zadaj vozečega voznika v realnem času opozarjala na neupoštevanje varnostne razdalje in s katero bi lahko preprečili posledice prometnih nesreč, ki so povezane z vožnjo na prekratki varnostni razdalji. Pojavlja pa se tudi problem, da so tovrstne naprave običajno le del drage dodatne opreme oz. le del opreme vozil najvišjega razreda.

FUNKCIJSKE ZAHTEVE

Najprej smo določili funkcijske zahteve, ki jih mora naprava izpolnjevati. Spodaj je navedeno nekaj najpomembnejših:

1. Merjenje razdalje od skrajnega dela zadka našega vozila do skrajnega sprednjega dela vozila, ki nam sledi po istem voznem pasu.

2. Merjenje hitrosti našega vozila.3. Opozarjanje voznika, ki nam sledi, na

nepravilno varnostno razdaljo, kadar je izmerjena razdalja manjša od zakonsko predpisane.

4. Opozarjanje voznika na povečano možnost naleta od zadaj ali na neizogiben trk.

5. Funkcija črne skrinjice – beleženje vseh parametrov zadnjih 1000 km vožnje (lokacija, hitrosti, pospeški, čas ipd.).

6. Beleženje lokacij, kjer se pojavljajo kršitve predpisane varnostne razdalje.

Zasnovali smo pet konceptov, ki so izpolnjevali zastavljene funkcijske zahteve, hkrati pa jih je v celoti mogoče izdelati, saj njihove funkcije temeljijo na že obstoječi in širše dostopni tehnologiji. Upoštevali smo tudi, da je večino sestavnih delov mogoče kupiti na trgu ali jih je mogoče samostojno izdelati ob minimalnih stroških. Izdelane rešitve smo vrednotili glede na tehnične in ekonomske kriterije in nato izbrali tisto, ki je najprimernejša. V nadaljevanju razvoja smo izhajali iz izbranega koncepta, na podlagi katerega smo gradili končni izdelek – delujoč prototip, ki je bil praktično preizkušen najprej v laboratorijskem okolju, nato pa tudi v realnem voznem okolju.

IZDELAVA PROTOTIPA

Prototip je zasnovan tako, da naprava zadaj vozeče voznike opozarja na nepravilno varnostno razdaljo preko informacije na matričnem zaslonu LED, ki se montira na zadek vozila, neposredno za zadnje steklo (slika 1). Radarsko zaznavalo z uporabo mikrovalov meri razdaljo od zadka našega vozila do sprednjega dela zadaj vozečega vozila (slika 2). GPS-modul daje informacijo o hitrosti našega vozila, s pomočjo katere mikroračunalnik Raspberry Pi nenehno izračunava potrebno oziroma teoretično varnostno razdaljo, ter v primeru, ko je dejanska varnostna razdalja manjša od potrebne, pošlje točno določen opozorilni signal na matrični zaslon LED (sliki 4 in 5). V ta namen je bil razvit namenski računalniški program, napisan v programskem jeziku Python.

Prednost takšnega sistema je robustnost v vseh vremenskih pogojih, saj so radarski valovi neobčutljivi na dež, sneg, meglo ipd. Obstaja tudi možnost vgradnje npr. za plastične dele vozila oziroma pred materiale, ki so elektromagnetno nevidni. Možna je torej vgradnja za odbijač vozila, kar pomeni, da naprava ne vpliva na zunanjo podobo vozila. Slabost pa je omejen domet (< 150 m) in kompleksnost obdelave radarskih signalov za pridobitev informacije o razdalji do vozil, ki

ŠTUDENTSKI POGLEDI: RAZVOJ SISTEMA ZA OPOZARJANJE ZADAJ VOZEČIH VOZNIKOV ...

52

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

nam sledijo. Problem radarskih signalov so tudi odboji (npr. od vozišča, obcestnih elementov) ter interferenca zaradi objektov v okolici, npr. vozil na sosednjem voznem pasu, nadvozov, dreves ali obcestnih luči.Sliki 6 in 7 prikazujeta komponente, vgrajene v plastično ohišje, in radarsko anteno, vgrajeno v pokrov ohišja.

Potrebno je bilo temeljito preizkusiti izdelan prototip. Pri preizkusih smo poskusili zajeti vse scenarije, ki bi se lahko pojavili tekom običajne, redne uporabe končnega izdelka. Zavedati se moramo, da mora končni izdelek delovati brezhibno in popolnoma zanesljivo, saj je

slika 1: Fotorealistični prikaz celotnega sestava, vgrajenega na zadku osebnega vozila

slika 2: Prikaz merjenja varnostne razdalje – merjenje nazaj

slika 3: Eksplozijski pogled celotnega sestava

ŠTUDENTSKI POGLEDI: RAZVOJ SISTEMA ZA OPOZARJANJE ZADAJ VOZEČIH VOZNIKOV ...

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

53

odprava skritih napak v fazi proizvodnje mnogo težja, predvsem pa mnogo dražja.

Preizkus prototipa je potekal na testnem poligonu za izvajanje začetnih vaj vožnje motornih vozil in motorjev v Ljubljani. Za izvedbo preizkusa smo potrebovali tudi dva osebna avtomobila. Prvi je imel vgrajeno napravo (slika 8), drugi pa je služil kot tarča za merjenje. Uporabili smo dve testni vozili in tudi drugo opremo, npr. merilno kolo za natančno merjenje razdalje, razno orodje in pribor za montažo ter fotoaparat in videokamero za dokumentiranje preizkusa.

ZAKLJUČEK

Na podlagi preizkusov, opravljenih s prototipno napravo, smo prišli do pomembnih ugotovitev. Zadovoljni smo bili s točnostjo in natančnostjo meritev

slika 5: Grafika prikaza opozorila za varnostno razdaljo na zaslonu LED

slika 4: (a) Matrični zaslon LED (b) zaslon LED, vgrajen v osebno vozilo

radarja (razdalja do objekta in hitrost našega vozila). Nekoliko manj smo bili zadovoljni z največjim dometom, ki nam ga je uspelo doseči pri merjenju razdalje do vozila (slika 9). Proizvajalec radarskega sprejemnika/

ŠTUDENTSKI POGLEDI: RAZVOJ SISTEMA ZA OPOZARJANJE ZADAJ VOZEČIH VOZNIKOV ...

54

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

slika 6: Komponente, vgrajene v spodnji del ohišja

slika 7: Radarska antena, vgrajena v pokrov ohišja

ŠTUDENTSKI POGLEDI: RAZVOJ SISTEMA ZA OPOZARJANJE ZADAJ VOZEČIH VOZNIKOV ...

55

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

oddajnika je obljubljal razdalje do 180 m, nam pa je uspelo doseči le 90 m. Ugotavljamo, da je ustrezno delovala tudi programska oprema, saj je izmerjena zanesljivost aktivacije opozorila na zaslonu LED v primeru premajhne varnostne razdalje znašala več kot 95 %.

Pričakovano pa smo identificirali tudi nekatere slabosti v delovanju prototipne naprave. Predvsem gre za problem pojava lažnih tarč, odbojev radarskih signalov od

vozišča, zaznavanje obcestnih elementov pri vožnji v ovinkih z majhnimi radiji in problem nezadostne vidnosti opozoril na zaslonu LED.

Zaključimo lahko, da smo v sklopu te naloge v celoti uspeli razviti prototip naprave, ki zanesljivo opozarja zadaj vozeče voznike na neupoštevanje ustrezne varnostne razdalje. Ker smo uporabili različne komponente in samostojno razvito programsko opremo, smo pričakovali, da bomo med preizkusi identificirali napake v delovanju naprave. Nekatere izmed njih smo odpravili že v sklopu naloge, vsekakor pa je cilj nadaljnjega dela odkrivanje in odprava vseh napak, nato pa bi bilo potrebno opraviti še dodatne, obsežnejše preizkuse v realnem voznem okolju. Šele takrat bo naprava zanesljivo in varno delovala v cestnem prometu ter bo kot takšna primerna za serijsko proizvodnjo in vgradnjo v sodobna cestna vozila.

slika 8: Uspešno pritrjena naprava na vozilo in zaslon LED

slika 9: Meritev razdalje z radarjem

ŠTUDENTSKI POGLEDI: RAZVOJ SISTEMA ZA OPOZARJANJE ZADAJ VOZEČIH VOZNIKOV ...

56

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

IZDELAVA ELEMENTOV ZA INVALIDSKI VOZIČEK

Luka Kastelic (kastelic.luka@gmail.com),prof. dr. Janez Kopač

Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani

izvleček:

V diplomskem delu je predstavljena izdelava elementov za invalidski voziček, s klasično in CNC tehnologijo obdelave. Predstavljeni so stroji na katerih je izdelava potekala in njihove tehnične lastnosti. Opisana so uporabljena orodja, zanje priporočeni obdelovalni parametri ter tehnološki parametri uporabljeni pri obdelavi. Opisan je postopek izdelave elementov od 3D modela elementa, določitve zaporedja obdelovalnih operacij, vse do programiranja poti orodij in obdelave na stroju ter končne kontrole kakovosti končanega izdelka. Obravnavana je tudi obraba orodja uporabljenega za obdelavo elementov. Na podlagi tehnoloških parametrov so izračunani časi obdelave posameznih elementov. Glede na aktualne cene strojnih ur so izračunani tudi stroški obdelave.

abstract:

The thesis presents manufacturing of elements for the wheelchair, by classic and CNC processing technology. Presented are all machines on which production took place as well as their technical characteristics. The tools used, the recommended machining parameters and the technological parameters used in the processing are described. The description of the manufacturing process of the elements follows, from the 3D model of each element, sequences of respective machining operations, all of the programming tool paths and the processing on the machine as well as the final quality control of the finished product are discussed. The wear of the tools used for the processing elements are described. Processing times of individual elements are calculated based on technological parameters. Given the current price of the machine hours the costs of production are calculated.

UVOD

Cybathlon je mednarodno tekmovanje namenjeno športnikom invalidom, kjer si pri premagovanju postavljenih ovir pomagajo z visokotehnološkimi robotskimi pripomočki. Tekmovanja se bo s posebej prirejenim invalidskim vozičkom udeležila tudi ekipa z imenom ˝Team Avalanche˝, katere člani so študentje Fakultete za elektrotehniko, Fakultete za strojništvo ter Ekonomske fakultete. Ker jim nobena orodjarna, domnevno zaradi zasedenosti ni mogla zagotoviti izdelave izdelkov v dovolj kratkem času, so s prošnjo prišli v laboratorij za odrezavanje (LABOD).

NAMEN IN CILJI

Primarni namen naloge je bila izdelava elementov (na sliki 1 obarvani modro) v čim krajšem času ter znotraj predpisanih zahtev

slika 1: 3D model podvozja vozička.

tako, da bi ekipa lahko nadaljevala z nadaljnjimi pripravami vozička za tekmovanje. Prav tako, pa smo želeli primerjati obdelavo na CNC ter klasičnih strojih oziroma kombinacijo obeh tehnologij.

ŠTUDENTSKI POGLEDI: IZDELAVA ELEMENTOV ZA INVALIDSKI VOZIČEK

57

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

METODE DELA

Pred začetkom izdelovanja elementov smo prejeli 3D modele elementov, njihove delavniške risbe ter surovce. Glede na risbe elementov ter surovce smo nato najprej določili vrstni red obdelovalnih operacij za obdelavo posameznega kosa, ter obdelovalne stroje na katerih se bo obdelava izvajala. Zatem smo izbrali najustreznejše orodje za vsako obdelovalno operacijo in glede na priporočila proizvajalca orodja oziroma glede na zmogljivost stroja določili ustrezne obdelovalne parametre.

CNC obdelava:

Pri operacijah, ki se jih je izvajalo na CNC obdelovalnem centru, je bilo potrebno tudi programiranje obdelave ter generiranje NC kode, ki smo jo vnesli v krmilnik CNC stroja. Pri obdelavi na CNC stroju je bilo potrebno umeriti

tudi vsa uporabljena orodja, surovce oziroma obdelovance med posameznimi operacijami obdelave ustrezno vpeti in jih pozicionirati (slika 2).

slika 2: Preverjanje paralelnosti stranice obdelovanca z z-osjo stroja.

slika 3: Obdelovanec po zaključenem finem struženju.

Na klasičnih strojih se je izvajalo le obdelovalne operacije, katerih nismo mogli izdelati na CNC strojih oziroma za vpetje obdelovanca nismo imeli ustreznih vpenjalnih naprav.

Klasična obdelava:

Stružili smo tako na univerzalni stružnici, na katero smo zaradi oblike obdelovanca vpeli štiričeljustno vpenjalno glavo. Pred pričetkom struženja smo izbrali orodja za grobo ter fino struženje, jih vpeli v hitrovpenjalna držala in jih pripravili za struženje. Pri struženju na univerzalni stružnici smo lahko dosegali le tretjinske vrednosti priporočenih parametrov za rezalna orodja, saj smo obdelovali brez hladilno mazalne tekočine, poleg tega bi nam pri prevelikih rezalnih parametrih probleme povzročali odrezki, ker delovno področje stružnice ni zaščiteno. Pri grobem struženju smo prilagajali rezalne parametre tako, da so bili odrezki čim krajši, saj smo tako zmanjšali možnost, da bi se odrezki navili na obdelovanec ter s tem poškodovali površino

obdelovanca, orodje oziroma v najhujšem primeru nas. Pri finem struženju smo parametre nastavljali tako, da smo dobili čim boljšo kvaliteto površine oziroma tako, da smo lahko zagotovili ustrezne tolerance mer (slika 3).Najbolj zanimiv je bil postopek pehanja utorov za moznik, saj se le tega ni izvajalo na pehalnem stroju temveč na univerzalni stružnici. Držalo orodja, kot tudi sam nož, smo izdelali sami posebej za to obdelavo. Največji problem je predstavljala premajhna togost

ŠTUDENTSKI POGLEDI: IZDELAVA ELEMENTOV ZA INVALIDSKI VOZIČEK

58

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

ni dovolj dobro odvajala odrezkov in so se le ti nabijali v utoru pred nožem. Najlažje smo pehali

z nožem s pozitivno rezalno geometrijo ter zelo majhnim prostim kotom (slika 4).

Delovni hod pehanja smo izvajali ročno prek vzdolžnega supporta stružnice, podajalno gibanje pa smo izvajali prav tako ročno s prečnim supportom. Širino reza nam je določala širina noža, celotno širino utora za moznik smo izdelali v treh korakih, vsak korak pa v več prehodih, katerih globina reza pri obdelavi orodnega jekla ni nikoli presegala več kot 0,025 mm (slika 5).

Kontrola kakovosti:

Ker je bila izdelava teh elementov posamična proizvodnja, smo kontrolo tolerančnih mer večinoma izvajali že med samimi operacijami obdelave, saj bi v primeru izpetja obdelovanca izgubili njegovo pozicijo v vpenjalu in tako ponovitev operacije za popravo tolerančne mere ne bi bila več mogoča.

Po obdelavi smo kontrolirali le hrapavost površine, saj smo

vedeli, da smo že z zagotovitvijo ustrezne tolerančne mere, izdelali tudi ustrezno hrapavost površine, kar nam je potrdila tudi kasnejša meritev z merilnikom hrapavosti.

Obraba orodja:

Obrabo orodja smo kontrolirali samo pri struženju orodnega jekla, saj je bila obraba pri obdelavi aluminijastih elementov neznatna. Kontrolo smo izvedli tako, da smo primerjali cepilno in prosto ploskev nove ter rezalne ploščice po končani obdelavi, pri čemer pričakovano nismo zaznali večje obrabe orodja.

slika 4: Pehalni nož in odrezek.

slika 5: Izdelan utor za moznik.

držala orodja, ter globina utora, saj so se iz njega odrezki težko odvajali. Najprej smo poskusili z negativno rezalno geometrijo noža, vendar

ŠTUDENTSKI POGLEDI: IZDELAVA ELEMENTOV ZA INVALIDSKI VOZIČEK

59

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

slika 6: Elementi za invalidski voziček.

Zaključki:

Pri izdelavi teh elementov za invalidski voziček (slika 6), smo ugotovili, da je pri posamični proizvodnji najbolje kombinirati obe tehnologiji obdelave, torej CNC in klasično. Nasprotno bi, v kolikor bi hoteli vse elemente izdelati na CNC strojih, bila potrebna nabava dodatnih vpenjal

oziroma priprav, kar bi zahtevalo svoj čas, poleg tega pa bi to izdelavo podražilo. Prav tako bi bila zelo zahtevna izdelava vseh teh elementov, če bi jih želeli izdelati samo na klasičnih strojih. Zato menimo, da so sodobnim CNC strojem navkljub, klasični stroji še vedno nepogrešljivi.

Z vozičkom v katerega so vgrajeni elementi na sliki, se je ekipa Team Avalanche udeležila preizkusne vožnje po tekmovalnem poligonu in izmed vseh ekip dosegla največ točk.

ŠTUDENTSKI POGLEDI: IZDELAVA ELEMENTOV ZA INVALIDSKI VOZIČEK

zv

ez

a

st

ro

jn

ih

i

nž

en

ir

je

v

sl

ov

en

ij

e

ww

w.

zv

ez

a-

zs

is

.s

i

PLIN IN PLINSKE TEHNOLOGIJE MEDNARODNO POSVETOVANJE

IN STROKOVNE DELAVNICEPRVO ObVESTILO IN VAbILO AVTORJEM

GRAND HOTEL UNION10. – 11. NOVEMBER 2015

ZVEZA STROJNIH INŽENIRJEV SLOVENIJESKUPINA ZA PLINSKE TEHNOLOGIJE

ww

w.z

veza

-zsi

s.si

| G

SM: 0

70 8

58 6

55

• Trend razvoja plinskih tehnologij in njihova upraba

• Plin za ogrevanje in hlajenje, plin v tehnologiji in prometu,

prihodnja perspektiva uporabe plina

• Dobra praksa in primeri uspešno zaključenih projektov v Sloveniji

• Vodenje projektov na področju vzpostavljanja plinskih tehnologij

• Maritve in vodenje plinovodnih sistemov ter naprav

• Zakonodajni in regulativni okvir na področju sistemov

zemeljskega plina

• Standardi, pravilniki in tehnične smernice na področju

plinskih tehnologij

• Razvoj plinovodnih omežij in oskrbe z zemeljskim plinom

• Varnost delovanja plinskih sistemov in naprav

• Vzdrževanje in upravljanje sistemov in naprav

• Izobraževanje in prenos znanja na področju plina

• Članstvo v mednarodnih organizacijah in izmenjava izkušenj in znanja

oKvirni ProGraM Posvetovanja POVABILO ZA UDELEŽBO

Spoštovani,

Vljudno vabljeni vsi, ki želite s svojim stro-kovnim prispevkom obogatiti program mednarodnega posvetovanja Plin in plinske tehnologije 2015, k pripravi in prijavi naslova strokovnega prispevka, avtorjev in inštitucij, ki jih predstavljate s kratkim opisom vsebine vašega dela do vključno 30. junija 2015 na naslov ZSIS (konferenca@zveza-zsis.si). Strokovni odbor posvetovanja vam bo podal odgovor o pregledu in izboru do 31. julija 2015.

Hkrati organizator najavlja, da bo v mesecu avgustu 2015 objavil izbor strokovnih delavn-ic, ki bodo izvedene drugi dan posvetovanja v ožjih skupinah in na najaktualnejših tematikah s področja plinskih tehnologij.