UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Jernej FALNOGA RAZVOJ POLNILNE NAPRAVE ORODJA ZA SINTRANJE POLIETILENSKIH PLOŠČ Univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje Strojništvo Maribor, September 2014
RAZVOJ POLNILNE NAPRAVE ORODJA ZA SINTRANJE POLIETILENSKIH PLOŠČ Študent(ka): Študijski program: Smer: Jernej FALNOGA Univerzitetni študijski program 1. stopnje Konstrukterstvo Mentor: Izr. prof. dr., Stanislav PEHAN Maribor, september 2014
- II -
I Z J A V A Podpisani Jernej FALNOGA izjavljam, da: je bilo predloţeno diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof. dr. Stanislavom PEHANOM; predloţeno diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloţeno za pridobitev kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi; soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjiţnici tehniških fakultet Univerze v Mariboru. Maribor, 4.9.2014 Podpis: - III -
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Stanislavu PEHANU za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi Marjanu KOROŠČU in Aleksandru PAVLIČU ter podjetju Isokon d. o. o. za pomoč in podporo. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij. - IV -
RAZVOJ POLNILNE NAPRAVE ORODJA ZA SINTRANJE POLIETILENSKIH PLOŠČ Ključne besede: koncipiranje, snovanje, SolidWorks Brainstorming, analitični preračun, razvoj, faze razvoja, načrtovanje, UDK: 621.7.07-11:679.7.022.4(043.2) POVZETEK predstavi razvoj naprave za polnjenje orodij za sintranje polietilenskih plošč, ki naj bi izboljšala pomanjkljivosti v procesu polnjenja orodij za sintranje. Razvoj sledi zaporedju razvojnih faz. V fazi koncipiranja se uporabil metodo "brainstorming". S pomočjo analitičnih preračunov se izračunajo potrebne dimenzije in mehanizmi delovanja naprave. Po končanem modeliranju virtualnih modelov se še enkrat preveri ustreznost dimenzij naprave ter pride do zaključka, da je bolje narediti popolnoma avtomatizirano napravo kot polavtomatsko izvedbo. - V -
DESIGN OF FILLING DEVICE FOR MOLDS USING IN THE POLYETHYLENE PLATES PRODUCTION Key words: Brainstorming, analytical calculations, development, stages of development, planning, conception, design, SolidWorks UDK: 621.7.07-11:679.7.022.4(043.2) ABSTRACT The thesis presents the development of devicee for filling of molds used in the polyethylene plates production process, which should improve the deficiencies in the process of filling molds for sintering. The development follows the sequence of developmental stages. At the stage of conception the method of "brainstorming" in applyed. With the help of analytical necessary dimensions and mechanisms of the device was made. After completing the modeling of virtual models, the adequacy of the dimensions of the device was made. The conlusion is, that it is better to make a fully automated device instead of a semi-automatic execution. - VI -
KAZALO 1 UVOD... 1 1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela... 1 1.2 Opredelitev dela... 1 1.3 Struktura diplomskega dela... 1 2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE 2 2.1.1 Faza načrtovanja... 2 2.1.2 Faza koncipiranja... 2 2.1.3 Faza snovanja... 2 2.1.4 Faza razdelave... 2 2.2 Metoda Brainstorming in analitični preračuni... 3 2.3 Predstavitev podjetja Isokon d. o. o.... 4 2.4 Predstavitev procesa sintranja... 5 3 POSTOPEK RAZVOJA... 6 3.1 Faza načrtovanja... 6 3.2 Faza koncipiranja... 7 3.2.1 Brainstorming... 7 3.3 Eksperiment delovanja šobe... 10 3.3.1 Zaporedna struktura funkcij... 12 3.4 Faza snovanja... 13 3.4.1 Določitev velikosti rezervoarja... 13 3.4.2 Določitev pnevmatskega cilindra za loputo... 14 3.4.3 Analitičen preračun navojnega vretena... 15 3.4.4 Analitičen preračun glavnega nosilca... 16 3.4.5 Analitičen preračun nosilca rezervoarja... 18 3.4.6 Analitičen preračun stranskega nosilca rezervoarja... 18 3.4.7 Določitev pnevmatskega cilindra za grob vertikalni pomik 19 3.4.8 Določitev varnostnega sornika... 19 3.4.9 Določitev sornika kolesa... 20 - VII -
4 IZDELAVA VIRTUALNIH MODELOV... 20 4.1 SolidWorks... 20 4.2 Šoba... 21 4.3 Rezervoar... 22 4.4 Nosilna konstrukcija... 23 4.5 Loputa... 24 4.6 Dvosmerna spirala... 25 4.7 Nosilec za kolo in stoţčasto gonilo... 26 4.8 Konstrukcija za rotacijo naprave... 27 4.9 Sestav naprave za polnjenje orodij za sintranje... 28 5 SKLEP... 29 6 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV... 30 - VIII -
KAZALO SLIK 2.1: Isokon d. o. o.... 4 2.2: Shema stiskanja polietilenskih plošč... 5 2.3: Stiskalnica SH04... 6 3.1: Koncept polnjenja... 8 3.2: Koncept poravnave... 8 3.3: Skica naprave za polnjenje polietilenskih plošč... 9 3.4: Posnetek skoraj praznega rezervoarja s šobo... 10 3.5: Skica naprave za polnjenje polietilenskih plošč z motorjem za dvosmerno poravnavo... 11 3.6: Zaporedna struktura funkcij... 12 3.7: Skica trenja... 14 3.8: Skica navojnega navoja... 15 3.9: Skica upogiba... 16 3.10: Skica povesa... 17 4.1: Model šobe... 21 4.2: Model rezervoarja... 22 4.3: Sestav glavnega nosilca s pnevmatskim cilindrom in vodili... 23 4.4: Sestav lopute z nosilcem in pnevmatskim cilindrom za odpiranje in zapiranje šobe... 24 4.5: Sestav dvosmerne spirale... 25 4.6: Sestav mehanizma za fini vertikalni pomik... 26 4.7: Sestav mehanizma za rotacijo naprave za polnjenje polietilenskih plošč... 27 4.1: Sestav naprave za polnjenje orodij za sintranje polietilenskih plošč... 28 KAZALO TABEL Tabela 3.1: Zahtevnik... 7 KAZALO PRILOG Priloga 1: Sestav naprave za polnjenje orodij za sintranje... 31 - IX -
UPORABLJENI SIMBOLI V - volumen m - masa, teţa ρ - gostota F - sila F 0 - sila v smeri podlage vzdolţ strmine F s - striţna sila F g - teţnostna sila F D - največja tlačna osna delovna obremenitev navojnega vretena μ - torni količnik pri mirovanju α - kot λ - vitkost l - dolţina l ukl - uklonska dolţina d - premer d 3 - premer jedra navoja A - prerez A 3 - prerez jedra navoja vretena ς n dop ς u dop τ s dop - ς dop - - dopustna normalna napetost - dopustna upogibna napetost dopustna striţna napetost dopustna napetost ς u - upogibna napetost ʋ - varnostni faktor f - poves E - modul elastičnosti W u - upogibni odpornostni moment I u - upogibni vztrajnostni moment n - število v - hitrost g - gravitacijski pospešek - X -
UPORABLJENE KRATICE CAD - Computer Aided Design 3D - Tridimenzionalni, tri dimenzije ISO - International Organisation for Standardization DIN - Nemški inštitut za standardizacijo HDPE - High-density polyethylene HDPER - High-density polyethylene recycled - XI -
1 UVOD 1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela. Splošno področje diplomskega dela je razvoj izdelka. Razvoja se lotimo na sistematičen ali nesistematičen način. Sistematičen način temelji na razvojnem postopku, razdeljenem v več faz, pri katerih si pomagamo z metodami razvoja. Nesistematičen način pa temelji na izkušnjah ter intuitivnem iskanju rešitev, te rešitve pogosto ne prinesejo najboljše rešitve. Razvoj edinstvenih, boljših in kakovostnejših izdelkov, je ena vodilnih sil gospodarske rasti podjetij, zato je pomembno biti dobro seznanjen s procesom in principi razvoja novih izdelkov. 1.2 Opredelitev diplomskega dela Preden se lahko lotimo razvoja izdelka je potrebno vedeti, za kaj bo ta izdelek namenjen. V primeru te diplomske naloge gre za polnilno, deloma tudi dozirno napravo namenjeno za polnjenje orodij za sintranje polietilenskih plošč. Trenutno je faza polnjenja in poravnavanja procesa sintranja polietilenskih plošč ročno delo, pri katerem večkrat pride do napačnega tehtanja ali poravnave granulata v orodju. Delo tudi hkrati morata opravljati dva delavca. Zato je smotrno razviti napravo, ki samodejno poravna granulat. Granulat v orodju za sintranje mora biti dovolj poravnan, da doseţemo minimalno ravnost sintranih polietilenskih plošč. 1.3 Struktura diplomskega dela bo vsebovalo predstavitev postopka razvoja po posameznih fazah, sledi mu predstavitev metode brainstorming-a ter kratka predstavitev podjetja Isokon d. o. o. Sledi predstavitev procesa polnjenja orodij za sintranje polietilenskih plošč. Po opredelitvi procesa sintranja bomo sledili razvoju procesa po razvojnih fazah. Razvoju bo sledila konstrukcija virtualnih modelov in sestav. Pri konstrukciji virtualnih modelov bom na kratko predstavil programski paket SolidWorks ter predstavil in rešitve iz faze snovanja. Faze razdelave, ne bom navedel, ker je preveč obširna za namene diplomskega dela. V sklepu bom povezal vse podatke v celovito rešitev problema ter preveril izpolnjevanje zahtev. - 1-
2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE V preteklosti so se snovalci ukvarjali predvsem s problemom same izvedbe in izdelave naprave ali izdelka (vir [2]). Danes se bistveno več ukvarjamo s ceno, učinkovitostjo, enostavnostjo in obliko naprave ali izdelka. Vzporedno z novimi zahtevami pa so se razvijale tudi teorije in načini, kako zagotavljamo te zahteve. Načini se navezujejo na sam proces razvoja izdelka, ki je razdeljen v štiri faze razvoja. Iz učbenika [1] se razberejo faze razvoja izdelka. 2.1.1 Faza načrtovanja Načrtovanje je prva faza v procesu razvoja in vsebuje iskanje idej za nove izdelke. V tej fazi se formulira problem, ki ga moramo rešiti, pregledajo se ţe obstoječi podobni izdelki, patenti in trg. Naredita se tudi razvojni načrt in nalog za koncipiranje. 2.1.2 Faza koncipiranja Koncipiranje je druga faza v procesu razvoja. V tej fazi se konča načrtovanje. Razdelajo se tehnične lastnosti, principi delovanja, izdelamo funkcionalni model in predlagamo konceptne rešitve. V tej fazi niso bistveni materiali, izdelava ali dimenzije, kar je bistveno, je princip delovanja. 2.1.3 Faza snovanja Snovanje je tretja faza v procesu razvoja. V tej fazi se izdelajo detajli posameznih elementov izdelka. Tu se določijo material in dimenzije. Snujejo se variante, preverja se tudi, če izpolnjujemo zahteve. 2.1.4 Faza razdelave Razdelava, je zadnja faza v procesu razvoja, v kateri dokončno oblikujemo in optimiziramo izdelek. Zadnjič preverimo učinkovitost izdelka, izdelamo poročila ter delavniške dokumentacije. V tej fazi tudi naredimo prototipe ter analiziramo stroške proizvodnje in razvoja. - 2-
2.2 Metoda brainstorming in analitični preračuni Brainstorming ali "viharjenje moţganov" je metoda, pri kateri skupina ljudi v kratkem času skuša navesti čim več idej ali rešitev za dan problem. Metoda je namenjena zbiranja velikega števila idej in spodbuja inovativno razmišljanje. Pri tem se osredotočamo na količino idej, ki jih lahko kombiniramo in jih s tem izboljšamo. Ni pomembna izvedljivost ideje. Iz tega razloga je brainstorming dobra metoda za fazo koncipiranja, pri kateri so najpomembnejši principi delovanja. (Vir [9]) Brainstorming se začne, ko vodja seanse skliče vse sodelujoče člane in jim na kratko predstavi obravnavan problem, ki mora biti jasen in ne preveč obseţen. V primeru zelo obseţenega problema se ta razdeli na podsklope. Nato udeleţenci začnejo navajanje moţnih rešitev. Vsako moţno rešitev zapisnik na glas ponovi in jo zapiše. Rešitve se pri tem tudi lahko kombinirajo. Po končani seansi brainstorminga se zapiski rešitev zapišejo v bolj organizirano obliko. Šele pri naslednji seansi se dobljene rešitve ovrednotijo. Faza snovanja je povezana z analitičnimi preračuni za dimenzioniranje posameznih strojnih elementov naprave ali izdelka. Analitični preračuni slonijo na fizikalno-matematičnih osnovah in se upirajo na lastnosti materialov, oblik elementov ter načinu obremenitve teh elementov. To je ena tradicionalnih metod za dimenzioniranje in določevanje osnovnih elementov izdelka. - 3-
2.3 Predstavitev podjetja Isokon d. o. o. ISOKON, proizvodnja in predelava termoplastov, d. o. o. je srednje veliko podjetje z več kot 30 letno tradicijo na področju proizvajanja tehniških plastik. Je del evropske kemijske in gumarsko predelovalne industrije ter sodi med vodilne na tem področju. Podjetje ponuja rešitve na najrazličnejših področjih, kot so gradbeništvo, avtomobilska industrija, kemijska industrija, strojegradnja, ladjedelništvo itd. Pri tem uporabljajo različne tehnologije obdelave, med katere sodi tudi sintranje. Slika 2.1: Isokon d. o. o. - 4-
2.4 Predstavitev procesa sintranja Sintranje polietilenskih plošč poteka na dvodelni hidravlični stiskalnici. Proces sintranja je sestavljen iz več faz. Prva faza je polnjenje in poravnava granulata ali prahu v orodje. V orodje se nasuje 36 kg granuliranega HDPE ali HDPER. Nato se orodje zapre (orodje je dvodelno) ter prestavi na transportni voziček, transportni voziček pelje zaprto orodje do dvigalnega regal, ki ima prostor za 5 orodij. Sledi prevleka iz regala v toplo stiskalnico, kjer se granulat v orodjih tali. Po pribliţno 45 minutah na temperaturi 180 C se orodja potegnejo v hladno stiskalnico, kjer se material v orodjih ohladi na 30 C in stisne pod večjim tlakom. Tukaj material pridobi končne tehnične lastnosti, obliko ter dimenzije. Po pribliţno 45 minutah se orodje izvleče iz hladne stiskalnice na drug regal. Na regalu počaka, dokler se ne izvleče na mizo za odpiranje in poravnavo, tukaj se odstrani sintrana plošča ter ponovno napolni orodje, v katerem se poravna granulat. Orodje za sintranje polietilenskih plošč je sestavljeno iz spodnje oziroma nosilne plošče, na katerem je pritrjen okvir orodja ter pokrova. Pokrov se vstavi po polnjenju in poravnavi. Pomembni podatki so dimenzije spodnjega orodja. Notranje dimenzije orodja so: Dolţina: 2448 mm Širina: 1218 mm Višina: 32 mm sintranje R e g a l T o p l a s t i s k a l n i c a H l a d n a s t i s k a l n i c a R e g a l M i z a z a odpiranje vodilo transportnega vozička transport Transport ni voziček Slika 2.2: Shema stiskanja polietilenskih plošč - 5-
regal topla stiskalnica hladna stiskalnica transportni voziček regal Slika 2.3: Stiskalnica SH04 nosilec za napravo za izvlek orodij miza za odpiranja orodja 3 POSTOPEK RAZVOJA 3.1 Faza načrtovanja Pri analizi procesa sintranja polietilenskih plošč so bile ugotovljene pomanjkljivosti v fazi polnjenja in poravnava granulata v orodju za sintranje. Pomanjkljivosti se kaţejo v obliki nepravilnega merjenja teţe granulata namenjenega za sintranje, neenakomernega ali napačnega poravnavanja granulata v orodju ter splošne neefektivnosti delavcev. Navedene pomanjkljivosti predstavljajo "problem", ki ga mora v naslednjih fazah rešiti. V danem primeru ni treba analizirati trge, ker ne razvija izdelek za prodajo ampak izdelek za izboljšavo internega procesa v proizvodnji. - 6-
3.2 Faza koncipiranja Začnejo se zbirati podatki za izdelavo zahtevnika. Pri tem se spoštujejo zahteve in ţelje podjetja in seveda na osnovne funkcije, ki jih mora naprava izpolnjevati. Tabela 3.1: Zahtevnik Oznaka Zahteva Vrednost / B Celotna funkcija: Zagotoviti avtomatsko in ponovljivo poravnavo ter doziranje Poravnava materiala v orodju (dovoljena višinska razlika materiala v orodju) / ± 2 mm Ţ Teţa enega polnjenja granulata 36 ± 0,1 kg B Nastavljiva višina polnjenja 10-32 mm M Površina tlorisne ploskve naprave < 3 m 2 B Trajanje polnjenja enega orodja < 4 min B Število operaterjev 0 ali 1 M Temperaturno območje delovanja naprave 0 do 60 C Ţ Teţa naprave < 250 kg podatek Velikost granulata 5-15 mm podatek Nasipna gostota granulata - HDPE, HDPER 380-760 kg/m 3 Legenda: B-brezpogojno, Ţ-ţelja, M-meja Poleg navedenih zahtev v zahtevniku je potrebno upoštevati še obstoječa delovna sredstva, ki lahko pomagajo izpolniti funkcijo poravnave ali doziranja. Priporočljiva je uporaba standardnih konstrukcijskih elementov. 3.2.1 Brainstorming Seanso brainstorminga vodi tehnični direktor podjetja. Prisotni so še tehnologi iz stroke strojništva in elektrotehnike, jaz ter zapisnik. Seansa poteka po postopku iz prejšnjega poglavja. Zaradi kompleksnosti "problema" se razdeli na podsklope. Za doziranje se pride do ugotovitve, da se postopek polnjenja in poravnave poenostavi, če se za vsako orodje posebej odmeri količina granulata in se shrani v začasni rezervoar. Tako se iz rezervoarja v orodje vedno napolnili enaka količina, ne glede na obliko in velikost granulata. Granulat se nato iz rezervoarja spusti v orodje za sintranje s pomočjo gravitacijske sile. Koncept ali zasnova polnjenja se vidi na sliki (3.3). - 7-
32 10 do 32 rezervoar orodje za sintranje granulat okvir 2448 mm 1218 mm Slika 3.1: Koncept polnjenja Za poravnavo materiala v orodju je potreben poravnalni mehanizem. Mehanizem je sestavljen iz šobe, vertikalnega in horizontalnega pomika. Šoba pod rezervoarjem zanesljivo polni in hkrati poravnala granulat v orodje. Horizontalni pomik prevzame transportni voziček, kater se reprogramira za polnilno funkcijo (slika 3.2). rezervoar šoba hkrati poravna granulat granulat vertikalni pomik rezervoarja orodje za sintranje transportni voziček horizontalni pomik transportnega vozička Slika 3.2: Koncept poravnave - 8-
Vertikalni pomik je razdeljen na grobega in finega. Za grobega se uporabi pnevmatski cilinder, za finega pa navojno vreteno. Navojno vreteno so pritrjeni na nosilca za kolesa. Kolesa nasedejo na okvir orodja in se po njim kotalijo. Navojno vreteno spreminjajo relativno višino šobe in rezervoarja glede na dno orodja, tako se regulira višinska razlika. Za istočasni dvig in spust sta povezani s stoţčastim gonilom. Na nasprotni stran rezervoarja sta pritrjena vodila, da kompenzirata upogib nosilcev za kolesa. Ker, je orodje iz aluminijeve zlitine se po nekajkratni uporabi začne zvijati in nasprotni stranici okvirja nista več na vzporedni višini. Zato je dodan cilinder za rotacijo, ki omogoča rotacijo naprave za boljše prileganje na okvir orodja. Varnostni cilinder z luknjo za sornik preprečuje preobremenitev v horizontalni smeri v primeru morebitnih ovir za kolesa. Za odpiranje in zapiranje rezervoarja se uporabi loputa ali zapornica. To loputo premika pnevmatski cilinder. Namenjena je samo za zadrţevanje granulata v rezervoarju. varnostni cilinder pnevmatski cilinder, pritrjen na nosilno konstrukcijo naprave cilinder za rotacijo Nosilna konstrukcija rezervoar vodilo stoţčasta gonilo šoba navojno vreteno okvir orodja pnevmatski cilinder nosilec za kolo kolo Skica 3.3: Skica naprave za polnjenje polietilenskih plošč - 9-
3.3 Eksperiment delovanja šobe Preden se nadaljuje razvoj, se naredi eksperiment. Testira se delovanje rezervoarja ter šobe. Zdruţita se v en kos, nanj pritrdi podpore za drsenje ter postavi na testno stezo z vodili. V rezervoar se nato nasipa granulat in se vleče po stezi do določene točke. Nato se rezervoar dvigne za 1,5 mm in ga vleče v nasprotno smer. To se ponovi, dokler se rezervoar ne sprazne. Nato se rezervoar odmakne in preverili stanje granulata na testni stezi. Višinske razlike granulata se izmerijo, in so v mejah ±2 mm. Nato se poskus nekajkrat ponovi in pride do podobnega rezultata. Ker, je eksperiment relativno dolgotrajen se spremeni dvig rezervoarja, tako da se na začetku dvigne za razliko 5-10 mm, na koncu pa zmanjša na 1,5 mm. Pride se do podobnega rezultata kot z majhnimi dvigi rezervoarja. Nato se zamenja granulat z bolj grobim in se ugotovi, da je natančnost podobna, vendar je potrebna širina špranje v šobi najmanj 25 mm. Ugotovi se tudi, da se granulat v rezervoarju hitreje niţja na robu kot proti sredini, ne glede na začetno poravnavo v rezervoarju. Zato se granulat v rezervoarju poravna proti koncu testa, tako se izboljša prehod višinske razlike in s tem zmanjša naravnosti sintranih plošč. Ekperimenti so pokazali, da material v rezervoarju ne bo enakomerno porazdeljen, zato ga je treba bolje razporediti (slika 3.4). Rešitev je os skozi rezervoar z dvosmerno spiralo, ki material iz sredine rezervoarja potiska na rob. S tem se doseţe enakomernejša poravnava materiala v orodju. Skica 3.4: Posnetek skoraj praznega rezervoarja s šobo - 10-
Iz tega razloga se na konceptno skico doda še motor za dvosmerno spiralo, ki ob koncu praznjenja rezervoarja poskrbi za enakomernejšo porazdelitev granulata v orodju za sintranje (slika 3.5). pnevmatski cilinder, pritrjen na nosilno konstrukcijo naprave varnostni cilinder Nosilna konstrukcija cilinder za rotacijo motor za dvosmerno spiralo rezervoar vodilo stoţčasto gonilo šoba navojno vreteno okvir orodja pnevmatski cilinder nosilec za kolo kolo Slika 3.5: Skica naprave za polnjenje polietilenskih plošč z motorjem za dvosmerno spiralo - 11-
3.3.1 Zaporedna struktura funkcij Zdaj lahko tudi zapišemo zaporedno strukturo funkcij (slika 3.6). Iz zaloge granulata se v gravimetrično tehtnico spusti granulat. Ko tehtnica odčita ţeleno vrednost se dovod iz zaloge granulata, zapre. Izmerjen granulat se nato preko sesalne naprave transportira do rezervoarja. Tukaj počaka dokler ne pride prazno orodje v poloţaj za polnjenje. Nato pnevmatski cilinder spusti rezervoar do orodja, tako da kolesa nasedejo na okvir. Zdaj se s pomočjo navojnih vreten natančneje nastavi višina nasipa. S pomočjo manjšega pnevmatskega cilindra se odpre loputa, tako da material začne padati v orodje. Transportni voziček se začne gibati in material se samodejno poravna zaradi šobe. Ko transportni voziček pride do konca orodja se, zaustavi in navojnih vreteni zopet dvigneta višino nasipa. Transportni voziček se začne vračati in ko pride šoba do konca orodja se, zaustavi. To se ponovi dokler se rezervoar ne izprazni. Nato se zapre loputa. Velik pnevmatski cilinder dvigne rezervoar in transportni voziček se vrne v poloţaj za zapiranje orodja. Nato se orodje zapre in pošlje do regala za toplo stiskalnico. Zaloga granulata (Doziranje) Shranjevanje doziranega granulata v rezervoar Pnevmatski cilinder (grob vertikalni pomik) Trapezni navoj (fini vertikalni pomik) Pnevmatski cilinder (odpiranje/zapiranje lopute rezervoarja) Pomik transportnega vozička Trapezni navoj (fini vertikalni pomik) Poravnava materiala v rezervoarju med polnenjem Pnevmatski cilinder (odpiranje/zapiranje lopute rezervoarja) Pnevmatski cilinder (grob vertikalni pomik) Slika 3.6: Zaporedna struktura funkcij - 12-
3.4 Faza snovanja Prvo se definira, kako in kje bo naprava stala. Naprava mora viseti iz stropa ali biti, pritrjena na nosilec. Ker je hala v kateri stoji stiskalnica precej visoka, je smotrno, da se postavi nosilec ob tirnici za transportni voziček, ker je transportni voziček del postopka polnjenja orodja. Zdaj se izvršijo analitični preračuni in določitve posameznih elementov naprave. Za namene skrajšanja obsega diplomske naloge se ne bodo navajali vsi preračuni, ampak samo tisti, ki so nujno potrebni za delovanje konstrukcije. 3.4.1 Določitev velikosti rezervoarja Razseţnosti rezervoarja so odvisne od gostote in količine granulata. Volumen rezervoarja se izračuna z enačbo (3.1) iz [3]: V = m ρ (3.1) V [m 3 ] volumen posode m [kg] teţa granulata; m = 36 kg ρ [kg/m 3 ] gostota; ρ = 380 kg/m 3 Zgornji podatki se vstavijo v enačbo (3.1): V = 36 kg = 0,095 380 kg /m 3 m3 (3.2) Masa granulata je vedno enaka 36 kg, spreminja se le gostota. V podjetju uporabljajo različne granulate z gostotami od 380 kg/m 3 do 760 kg/m 3. Iz enačbe (3.2) sledi, da mora biti volumen rezervoarja večji od 0,095 m 3. Širina šobne odprtine je bila eksperimentalno določena in ne sme biti manjša od 25 mm. Pri eksperimentu delovanja šobe sta bila rezervoar in šoba sestavljena iz 5 mm debelih plošč iz HDPE, katerih nosilnost je za faktor 10 ali več manjša od nosilnosti jekla. Zato je zadostna debelina pločevine za rezervoar ter šobo 2 mm. - 13-
3.4.2 Določitev pnevmatskega cilindra za loputo Loputa odpira in zapira najoţji del šobe. Za loputo je treba določiti silo pnevmatskega cilindra, potrebno za zanesljivo odpiranje ter zapiranje. Pri tem se upoštevata sila teţe granulata ter trenje med loputo in šobo ter granulatom. Ne smemo zanemariti teţe lopute. Sila trenja se tako lahko z enačbo (3.3) iz [4]: F 0 = μ F g cos α (3.3) F 0 [N] sila v smeri podlage vzdolţ strmine μ torni količnik pri mirovanju; μ = 0,3 F g [N] teţnostna sila; F g = 360 N α [ ] kot; α = 15 F 0 F n α F g Slika 3.7: Skica trenja Zgornji podatki se vstavijo v enačbo (3.3): F 0 = 0,3 360 N cos 15 = 105 N (3.4) Iz enačbe (3.4) se razbere potrebna silo pnevmatskega cilindra F 0 = F = 105 N. Pomembno je, da se loputa zmeraj brezhibno odpre in zapre, tudi če se kdaj kakšno zrno granulata zatakne v špranjo. Zato se določi velik varnostni koeficient ʋ = 10 in dobimo potrebno silo F = 1050 N. Iz [5] se določi pnevmatski cilinder s premerom bata 50 mm. - 14-
d 3.4.3 Analitičen preračun navojnega vretena Za prenos gibanja pri finem vertikalnem pomiku se uporabita navojni vreteni. V skladišču podjetja Isokon d. o. o. se nahaja poravnalna raglja, ki se ne uporablja. Raglja ima podobne dimenzije kot zamišljen mehanizem za fini vertikalni pomik. Raglja ima dva Tr20x4 vretena dolţine l = 200 mm, ki sta povezana s stoţčastim zobniškim gonilom. Ker se ne pozna kakovost navojnega vretena se računa na podlagi razreda trdnosti 8.8, kar je standarden razred trdnosti za vijake. Preden se izračuna nosilnost navoja je potrebno preveriti nevarnost uklona navojnega vretena. Zato se določi vitkost navojnega vretena po enačbi (3.5) iz [4]: λ = 4 l ukl d 3 (3.5) λ vitkost navojnega vretena l ukl [mm] uklonska dolţina navojnega vretena; l ukl = l = 100 mm 2 d 3 [mm] premer jedra navojnega vretena; d 3 = 15,5 mm λ = 4 l/2mm 15,5mm = 4 100mm 15,5mm = 25,8 (3.6) Kar pomeni, da navojno vreteno ni vitko. Zato se nosilnost navoja izračuna iz enačbe (3.7): A 3 F D ς n dop (3.7) A 3 [mm] prerez jedra navoja vretena; A 3 = 189 mm 2 F D [N] največja tlačna osna delovna obremenitev navojnega vretena ς n dop [N/mm 2 ] dopustna normalna napetost; ς n dop = 0,2 R m = 160 N/mm 2 Matica Vijak d3 F D Slika 3.8: Skica trapeznega navoja - 15-
Če se enačba (3.7) preoblikuje in se vanjo vstavijo zgornji podatki se dobi največja moţna osna sila F D iz enačbe (3.8): F D = A 3 ς n dop = 189 mm 2 160 N mm 2 = 30 kn (3.8) Vreteni torej zagotovo preneseta dinamično obremenitev. Statična obremenitev se v tem primeru ne bo računala, ker je večja od dinamične. Ker sta dve vreteni se varnost še poveča. 3.4.4 Analitičen preračun glavnega nosilca Nosilno funkcijo prevzame glavni nosilec. Najmanjša potrebna dolţina nosilca je 645 mm, če se vzame izhodišče središče orodja za sintranje polietilenskih plošč, konec pa planiran vertikalni nosilec, na katerega bo pritrjena celotna konstrukcija. Ker se natančna vrednost obremenitve na glavni nosilec ne pozna, se določi. Pri tem se upošteva, da glavni nosilec mora prenašati teţo rezervoarja s šobo, teţo granulata, teţa motorjev in pomoţnih nosilcev. Določi se okvirna obremenitev na glavni nosilec F = 1500 N. Ker ne vemo, če ta sila ustreza se, vzame velik varnostni faktor ʋ = 10. Obremenitev je upogibna, zato se potrebni podatki za nosilec dobijo iz enačbe (3.9): ς dop ς u = F l W u ʋ (3.9) ς dop [N/mm 2 ] dopustna napetost; ς dop = 235 N/mm 2, za jeklo S275 ς u [N/mm 2 ] upogibna napetost v podpori F [N] sila obremenitve; F = 1500 N l [mm] razdalja od obremenitve do podpore; l = 645 mm W u [mm 3 ] upogibni odpornostni moment ʋ varnostni faktor; ʋ = 10 F l M = F l ς + y ς x Slika 3.9: Skica upogiba - 16-
f Če se enačba (3.9) preoblikuje in se vanjo vstavijo zgornji podatki se dobi največja prenosljiva sila: W u F l ς dop ʋ = 1500 N 645 mm 235 N/mm 10 = 41170 mm3 (3.10) Iz teh podatkov se izračuna potrebni upogibni odpornostni moment W u = 41170 mm 3. S tem se lahko določi profil nosilca. Po pregledu tabele iz [7] se določi pravokotni nosilec širine 80 mm, višine 120 mm in debeline stene 3,5 mm po DIN 2395. Izračuna se še poves zaradi obremenitve po enačbi (3.11). f = F l3 3 E I u (3.11) f [mm] poves F [N] sila obremenitve; F = 1500 N l [mm] razdalja od obremenitve do podpore; l = 645 mm E [N/mm 2 ] modul elastičnosti; E = 210.000 N/mm 2, za jeklo S275 I u [mm 4 ] upogibni vztrajnostni moment; I u = 2362700 mm 4 F l y x Slika 3.10: Skica povesa Če se enačba (3.11) preoblikuje in se vanjo vstavijo zgornji podatki se dobi največja prenosljiva sila: f = 1500 N 645 3 mm 3 3 210000 N/mm 2 2362700 mm 4 = 0,27 mm (3.12) Za modul elastičnosti se vzame E = 210.000 N/mm 2 za jeklo S235, vztrajnostni moment se razbere iz tabele [7]. Iz podatkov profila nosilca se dobi upogibni vztrajnostni moment I u = 2362700 mm 4. Podatki se vstavijo v enačbo (3.12) za poves in se dobi f = 0,3 mm povesa. - 17-
3.4.5 Analitičen preračun nosilca rezervoarja Nosilec rezervoarja mora nositi rezervoar z granulatom ter vse ostale dele sestave, ki so nanj vezani. Preračuna se na podoben način kot glavni nosilec. Pri tem se vzame, da je na sredini vpet, na robu deluje polovična sila teţe. V enačbo (3.10) se vstavijo naslednji podatki: ς dop [N/mm 2 ] dopustna napetost; ς dop = 235 N/mm 2, za jeklo S275 ς u [N/mm 2 ] upogibna napetost v podpori F [N] sila obremenitve; F = 750 N l [mm] razdalja od obremenitve do podpore; l = 604 mm W u [mm 3 ] upogibni odpornostni moment ʋ varnostni faktor; ʋ = 5 W u F l ς dop ʋ = 750 N 604 mm 235 N/mm 2 5 = 9638,3 mm 3 (3.13) Ker se potrebujeta dve cevi se odpornostni moment, razpolovi. Iz tabele [7] se izbere pravokotna cev višine 50 mm, širine 30 mm in debeline stene 3 mm z upogibnim odpornostnim momentom W u = 5160 mm 3. 3.4.6 Analitičen preračun stranskega nosilca rezervoarja Stranska nosilca rezervoarja sta v glavnem obremenjena na nateg in tlak, malo pa na upogib zaradi vozičkov za vodenje nosilca za kolo. Nosilca se dimenzionirata po enačbi (3.14): A F max ς dop n ʋ (3.14) A [mm 2 ] prerez nosilne ploskve ς dop [N/mm 2 ] dopustna napetost; ς dop = 235 N/mm 2, za jeklo S275 F max [N] največja statična obremenitev na nosilec; F max = 1500 N n število nosilcev; n = 2 ʋ varnostni faktor; ʋ = 10 A 1500 N 235 N/mm 2 2 10 = 30,91 mm2 (3.15) Torej je najmanjša površina prereza enega nosilca A = 30,91 mm 2, ker čez nosilce izvrtamo luknje za dvostransko spiralo, mora biti takšen presek v kritičnem prerezu. - 18-
3.4.7 Določitev pnevmatskega cilindra za grob vertikalni pomik Za grob pomik se določi pnevmatski cilinder s pomočjo teţnostne obremenitve 1500 N. Obremenitev se, pomnoţi z varnostnim faktorjem ʋ = 3 in se dobi potrebna dviţna sila 4500 N, kar ustreza pnevmatskemu cilindru s premerom batnice 100 mm, iz [5]. 3.4.8 Določitev varnostnega sornika Varnostni sornik se ob preveliki striţni napetosti prereţe in dopušča varnostnemu cilindru rotacijo, tako da se naprava ne poškoduje (slika 4.7). Sornik bo obremenjen na strig τ s pri skoraj popolnoma statični obremenitvi. τ s dop F s A (3.16) τ s dop [N/mm 2 ] dopustna striţna napetost gradiva sornika; τ s dop = 80 N/mm 2 F s [N] striţna sila; F s = 2000 N A [mm 2 ] prečni prerez sornika; A = π d 2 /4 Enačba (3.16) se preoblikuje in dobimo enačbo (3.17), pri tem upoštevamo, da gre za čisti strig in se striţna sila F s = 2000 N ne razpolovi: d 4 F s π τ s dop = 4 2000 N π 80 N/mm 2 = 5,6 mm3 (3.17) Določi se sornik premera 6 mm. Striţna sila F s = 2000 N, se določi na osnovi osnovne obremenitve F = 1500 N, ki lahko nastopi zaradi same teţe naprave ter sile rotacije v napačno smer F r = 500 N. - 19-
3.4.9 Določitev sornika kolesa V primeru sornika za kolo pride do skoraj statične upogibne obremenitve. Na eno kolo deluje polovična sila teţe F = 750 N. Za dimenzioniranje sornikov, obremenjenih na upogib se uporabi enačba (3.18). ς u dop F l W u (3.18) ς u dop [N/mm 2 ] dopustna upogibna napetost gradiva sornika; ς u dop = 200 N/mm 2 F [N] Striţna sila; F = 750 N W u [mm 3 ] upogibni odpornostni moment; W u = π d 3 /32 l [mm] dolţina od ene podpore do druge; l = 60 mm Enačba (3.18) se preoblikuje in dobimo enačbo (3.19): d 3 4 F l π ς u dop = 3 4 750 N 60 mm π 200 N/mm 2 = 16,9 mm (3.20) Zaradi varnosti se vzame sornik večjega premera, zato se določi sornik s premerom 18 mm. 3.4.10 Določanje vodil in vozičkov za vodila Vodila za napravo so standardni konstrukcijski elementi in se določijo preko [6]. 4 IZDELAVA VIRTUALNIH MODELOV 4.1 SolidWorks Vse 3D modele sem modeliral v programu SolidWorks od Dessault Systèmes Solid Works Corp. In je CAD sistem za modeliranje Solid-ov. SolidWorks v osnovi modelira Part-e. Part je elementarni del sestave, lahko je tudi končni izdelek. Part-e zdruţimo v Assembly-je. Iz part-ov in Assembly-jev lahko naredimo Drawing-e. Drawing-i so zaključek faze razdelave in predstavljajo tehnično dokumentacijo izdelka ali naprave. Manipulacija part-ov, Assembly-ev ter Drawing-ov v programskem paketu SolidWorks je relativno preprosta oziroma prijaznejša uporabniku kot drugi 3D CAD sistemi, zato je SolidWorks priljubljen med malimi in srednje velikimi podjetji. - 20-
4.2 Šoba Za šobo se modelira minimalna špranja 28 mm, tako se zagotovi polnjenje brez zamašitve šobe. Modelira se, tako da se lahko pritrdi na rezervoar. V šobi je špranja za loputo ter nosilna konstrukcija za pnevmatski cilinder. Konstruirana je tako, da delec šobe prekrije rezervoar in s tem prepreči granulatu, da bi padal iz morebitnih špranj. Na šobi se tudi izdela vodilo za loputo, tako da ne pride do trkov. Širina šobe ter rezervoarja mora biti manjša od širine orodja, zato da lahko poravnamo granulat z visoko nasipno gostoto. Širina šobe se določi na 1178 mm, tako je od roba na vsaki strani oddaljena 20 mm. pritrdilne plošče za rezervoar vodilo za loputo Slika 4.1: Model šobe nosilec za pnevmatski cilinder - 21-
4.3 Rezervoar Pri modeliranju rezervoarja se obrnemo na rezultate preračunov. Na rezervoar se pritrdi šoba, nosilna konstrukcija ter mehanizem za fini vertikalni pomik. Zvarjen je iz pločevine 2 mm in 3 mm na robovih. Volumen rezervoarja se povečal na 0,12 m 3, tako bo zagotovo dovolj velik, da zadrţi material. izvrtine za dvostransko vijačnico izvrtine za nosilno konstrukcijo pritrdilne plošče stoţčasto gonilo pritrdilne plošče za šobo Slika 4.2: Model rezervoarja - 22-
4.4 Nosilna konstrukcija Pri modeliranju nosilne konstrukcije je potrebno še dodati vodila za pravilno postavitev koles na okvir orodja za sintranje. Uporabijo se linearna vodila, ki se določijo preko [6]. Poleg tega se na glavni nosilec navarita puši za rotacijsko konstrukcijo, ki omogoča rotacijo rezervoarja in šobe, tako, da se prilega obliki orodja za sintranje. Ker fino nastavitev višine ne bo opravljal pnevmatski cilinder za vertikalni pomik, glavni nosilec ne sme biti fiksno pripet na os batnice pnevmatskega cilindra. Zato se izdelajo nosilne vilice, ki pri največjem spustu osi batnice glavnega nosilca ne nosi več, tako da nosilno funkcijo prevzameta kolesi. pnevmatski cilinder za grob vertikalni pomik glavni nosilec vilice za dvig naprave navarjena puša za varovalni cilinder vodila za nosilno konstrukcijo Slika 4.3: Sestav glavnega nosilca s pnevmatskim cilindrom in vodili - 23-
4.5 Loputa Loputa se modelira tako, da se prilega špranji v šobi s pomanjšanimi dimenzijami, tako da ne pride do neţelenega ribanja ali trkov. Nanjo se pritrdi nosilec, ki prenaša gibanje iz pnevmatskega cilindra na loputo. pnevmatski cilinder za zapiranje rezervoarja loputa nosilec za prenos gibanja Slika 4.4: Sestav lopute z nosilcem in pnevmatskim cilindrom za odpiranje in zapiranje šobe - 24-
4.6 Dvosmerna spirala Dvosmerna spirala ne prenaša nosilne funkcije, zato je njena konstrukcija preprosta in nima velikega premera. Gonilni motor ne potrebuje velikega navora, niti velike kotne hitrost. V sestavo se doda elektromotor moči 0,37 kw in kotno hitrostjo 2880 obratov na minuto. Spirala bi se začela sukati, ko granulat v rezervoarju doseţe določeno višino. Nato granulat porazdeli v rezervoarju in s tem poboljša končno poravnavo granulata v orodju za sintranje. stranski nosilec rezervoarja leţaj za spiralo motor spirale dvosmerna spirala rezervoar Slika 4.5: Sestav dvosmerne spirale - 25-
4.7 Nosilec za kolo in stožčasto gonilo Izdelata se dva simetrična nosilca za kolo, ki morata prenašati celotno teţo konstrukcije. V nosilec se zvrta trapezni navoj Tr20x4. Ker je ta navoj le na eni strani nosilca, je na drugi strani nosilca potrebno pritrditi nosilec za vodilo, ki bo zagotavljal vzporednost nosilca. Navojni vreteni sta povezani s stoţčastim gonilom, ki prenaša rotacijo iz ene strani na drugo. Na modelu je ročka za ročno manipulacijo finega vertikalnega pomika, namesto nje lahko dodamo servomotor, ki samodejno regulira višino poravnave granulata v orodju. Če dodamo servomotor celotno napravo lahko deluje popolnoma avtomatizirano in ne potrebuje operaterja. Stoţčasto gonilo vodilo kolo nosilec kolesa navojno vreteno ročka za regulacijo finega vertikalnega pomika Slika 4.6: Sestav mehanizma za fini vertikalni pomik zunanja gred - 26-
4.8 Konstrukcija za rotacijo naprave Konstrukcija za rotacijo naprave je sestavljena iz dveh cilindrov, ki sta pravokotno usmerjena drug proti drugemu. Zgornji cilinder je vzporeden glavnemu nosilcu, njegovo gibanje je omejeno z varnostnim sornikom. Ob preobremenitvi naprave, varnostni cilinder, sornik odreţe in omogoči rotacijo v smeri vzdolţno na smer polnjenja orodij za sintranje. Da cilindra ne padeta iz njune puše, na koncu izvrtamo luknje za sornike. Zgornji in spodnji cilinder povezuje nosilec. Na nosilec sta navarjena puši za cilindra za rotacijo naprave ter varovalni cilinder. Na zgornji puši je izvrtina za varnostni sornik, na spodnji je navarjeno rebro. Rebro preprečuje nosilcu rezervoarja prevelike rotacije v prečni smeri polnjenja orodja za sintranje, tako zagotovimo, da se kolesa vedno naslonijo na okvir orodja in vselej sledita ukrivljenosti okvirja. Rebro dopušča največjo rotacijo naprave za 5. glavni nosilec varnostni sornik pritrdilna plošča za stranski nosilec rezervoarja omejevalna rebra cilinder za rotacijo naprave nosilec za rotacijsko gibanje Slika 4.7: Sestav mehanizma za rotacijo naprave za polnjenje polietilenskih plošč - 27-
4.9 Sestav naprave za polnjenje orodij za sintranje polietilenskih plošč Vse 3D modele se zdruţi v sestav. Dodajo se manjkajoči deli, kot so vijaki, sorniki, matice, podloţke in ostale morebitne pritrdilne elemente. Modelira se tudi glavni vertikalni nosilec, ki se pritrdi v dno hale in na nosilec za napravo za izvlek orodij. Na glavni vertikalni nosilec so navarjene plošče za pritrditev vodil za glavni nosilec ter plošče za pritrditev pnevmatskega cilindra za grob vertikalni pomik. Modelira se tudi orodje za sintranje ter transportni voziček. ojačevalno rebro pritrditev na nosilec za izvlek orodij naprava za polnjenje vertikalni nosilec orodje za sintranje transportni voziček Slika 4.8: Sestav naprave za polnjenje orodij za sintranje polietilenskih plošč - 28-
5 SKLEP Po končanem modeliranju se posameznim elementom doda material. Iz SolidWorks-a se odčita skupna teţa naprave in granulata, ki znaša m = 173 kg, kar predstavlja silo teţe F = m g = 173 kg 9.81m/s 2 = 1697 N. Vidi se, da je prvotna ocena 1500 N bila premajhna. Nosilne konstrukcije so predimenzionirane, varovalni sornik ter sornik za kolesa sta pod-dimenzionirana. Odčitana površina naprave znaša A = 0,52 m 2, kar zadošča zahtevam. Ker je optimizacija predmet faze razdelave se v tej diplomski nalogi ne, bo, obravnavala. Ključnega pomena so izpolnitve zahtevnika. Vse materialne in dimenzijske zahteve so izpolnjene, toleranca poravnave je bila potrjena v eksperimentu, čas cikla polnjenja pa lahko izračunamo. Za izračun časa sem uporabil povprečni čas, za izvlek iz regala, odpiranje orodja in premestitev orodja na transportni voziček, ki znaša 2 minuti. Če upoštevamo hitrost transportnega vozička v = 10 m/min, lahko izračunamo čas, potreben za 3-kratno menjavo smeri transportnega vozička na 15 sekund z dodatkom 5 sekund (5-kratni vertikalni dvig ali spust) za vsak vertikalni pomik ter 30 sekund za transport vozička do začetka transportne proge ter zapiranje orodja za sintranje. S tem dobimo skupni čas polnjenja 3 minute in 10 sekund, kar tudi izpolnjuje zahtevo časa polnjenja. V primeru uporabe servomotorja za nastavitev finega vertikalnega pomika ni potreben biti prisoten operater, nastavijo se le polnilni parametri. Polnilne parametre pa je treba eksperimentalno določiti za vse vrste uporabljenega granulata. Razlika med popolnoma avtomatskim delovanjem in polavtomatskim delovanjem naprave se bi pokazala v ponovljivosti poravnave, če se fini vertikalni pomik nastavlja ročno, lahko pride do podobnih napak kot pri trenutnem procesu polnjenja. - 29-
6 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV 1. Stanislav PEHAN, Osnove konstruiranja : visokošolski učbenik, Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2010 2. Stanislav PEHAN, Metodika konstruiranja : visokošolski učbenik, Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2007 3. Bojan KRAUT, Krautov strojniški priročnik, štirinajsta slovenska izdaja- izdajo pripravila Joţe Puhar, Joţe Stropnik, Littera picta, Ljubljana, 2007 4. Zoran REN, Srečko GLODEŢ, Strojni elementi 1. del, univerzitetni učbenik, Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2011 5. Dokumentacija za Kompakten valj ADN : http://www.festo.com/cat/sl_si/products_adn_aen_1 [17.8.2014] 6. Ball monorail guidance systems KUE : http://medias.schaeffler.de/medias/en!hp.ec.br/kue?#kue [19.8.2014] 7. Pravokotne cevi EN 10305-5 (DIN 2395) : http://metalurgija.alpos.si/default.asp?id=650 [15.8.2014] 8. Brainstorming : http://sl.wikipedia.org/wiki/brainstorming [13.8.2014] - 30-
- 31-