I detta kapitel diskuteras svårigheter kopplat till ljud och konstruktion vid framtagningen av en ny skäranordning. De viktigaste slutsatserna som sammanställts från projektet tas även upp. Slutsatserna bygger på mål och krav som anges i inledningen.
6.1 Diskussion
Initialt i projektet beslutades det att en ljudisolerad testrigg skulle byggas för att kunna utföra mätningar av ljudnivån på pumpen utan att oönskat bakgrundsljud skulle påverka mätningarna. Testriggen utformades med syfte att efterlikna de förhållanden som pumpen installeras i när den är i drift. Genom att göra på detta sätt antogs det att de ljudnivåer som uppmättes i testriggen även skulle kunna motsvara ljudnivåer i pumpens naturliga miljö.
Dock medförde pumpens montering i tanken att vibrationer från pumpen överfördes till hela tanken och skapade ljudstörningar. Detta gjorde att mätningarna stördes och resultatet blev felaktigt. Från återflödestanken rann vattnet tillbaka ner i tanken, vilket gav upphov till störningar i vattnet som inte skulle ha förekommit i en vanlig pumpstation. Även detta resulterade i störningar och oönskat ljud. Eftersom störningarna och virvlarna från återflödet inte kunde kontrolleras eller eliminera, beslutades det att byta testrigg till labbets ordinarie testrigg, PTR. Bytet av testrigg gjorde att den naturliga miljön som den ljudisolerade testriggen skulle simulera förlorades. Det bedömdes dock att detta inte var ett problem då testerna utfördes i syfte att jämföra ljudnivån vid olika förhållanden med avseende på skäranordningen. Det visade sig även att bakgrundsljudet inte störde mätningarna och därmed kunde fortfarande en bedömning göras av vilka faktorer som påverkade ljudnivån, se beräkning [5]. De uppmätta skillnaderna förväntades alltså uppstå även om pumpen placerades i en annan miljö.
Under projektet upptäcktes många svårigheter i och med ljudmätningarna, även i den nya testriggen. Det visade sig att det fanns ett antal parametrar som påverkade ljudnivån mer än vad som kunde förutsägas. I ett tidigt skede insågs det att ljudmätarens placering var en viktig parameter, eftersom ljudmätaren mäter ljudtrycket vilket varierar med avståndet från ljudkällan, se kapitel 3.1.3. Under mätningarna i den första testriggen kunde ljudmätaren hållas på en permanent placering. Detta var dock inte möjligt i PRT, eftersom testutrustningen monterades upp och ner vid varje försök, vilket resulterade i att ljudmätarens position varierade något mellan mätningarna. Det visade sig att små variationer av ljudmätarens placering hade stor påverkan på den uppmätta ljudnivån. Detta var en orsak till eventuella mätfel, eftersom det inte gick att säkerställa att ljudmätarens placering alltid var densamma vid varje test. För att undvika detta mätfel i så stor mån som möjligt testades prototypen som valts till referens först, om ljudnivån för denna överensstämde med tidigare resultat antogs ljudmätarens placering vara korrekt.
Pumpens upphängning i PTR var också svår att hålla konstant eftersom det var nödvändigt att lyfta upp pumpen ur bassängen vid byte av prototyp. Upphängningen kunde göra att pumpen ibland hängde för lågt eller något snett. Detta ledde till att vattennivån behövde anpassas efter pumpens aktuella placering, eftersom det var väsentligt för mätningarna att vattennivån hölls konstant i förhållande till pumpen. Flödet och trycket som pumpen skulle generera behövde justeras vid alla mätningar, vilket var relativt svårt och tidskrävande. Detta gjorde att flödet varierade med cirka 0,1 l/s och trycket varierade med cirka 2 mVp från test till test, vilket togs hänsyn till eftersom det kunde påverka mätresultatet och bidra till eventuella mätfel.
Xylem hade inte undersökt ljudmiljön för dessa pumpar tidigare. Det var därför viktigt att först undersöka och utvärdera vad som gav upphov till ljudet för att sedan kunna avgöra vilka faktorer som skulle minska ljudnivån.
Grundläggande tester utfördes därmed för att se vilken påverkan tryck, flöde, varvtal och spaltavstånd hade på ljudnivån. Resultatet kunde sedan användas för att avgöra hur stor betydelse dessa parametrar skulle ha för de senare testerna av prototyper. Även ett antal teorier utvärderades i syfte att analysera vad som bidrog till att ljudet uppstod. Dessa var Reynoldstal där omslag från laminärt till turbulent flöde utvärderades i förhållande till ljudnivån (Schlichting, 1979), samt skjuvning av vattnet i spalten mellan kniven och skärplattan (Ulvås, 1974), se kapitel 4.5.2 samt 4.5.3. Analyserna var något svårtolkade och ganska generella antaganden var tvungna att dras. Trots det kunde det genom tester bevisas att teorin om skjuvning stämde överens med praktiken, vilket var betydande vid utformandet av prototyper.
Testerna påvisade att spaltavståndet mellan kniven och skärplattan påverkade ljudnivån, dock var det problematiskt att trimma kniven till rätt avstånd. Detta ledde till att kniven kantrade och det blev därmed olika spaltavstånd för varje blad på kniven. För att detta inte skulle påverka resultatet valdes det därför att ett medelvärde av spaltavståndet för de tre bladen skulle användas vid trimningen.
Till en början användes ingen definierad metod för testningen av prototyper när projektet gick in i konceptframtagningsfasen. När prototyperna gav resultat som påvisade högre eller lägre ljudnivå var det därför svårt att analysera vilka parametrar som hade bidragit till förändringen. Faktorförsöket som utfördes för att metodiskt kunna analysera specifika parametrars påverkan var därmed en väldigt effektiv och givande metod, se kapitel 3.3.3.
Dock kunde inte ett fullständigt faktorförsök utföras på grund av tidsbegränsningar, därför utfördes ett reducerat faktorförsök. Eftersom det uppstod sammanblandningar av effekter vid det reducerade faktorförsöket blev inte resultatet tillräckligt tydligt. Dessutom framkom det att faktorerna som varierades påverkade varandra vilket gjorde att resultatet blev aningen missvisande. Men en djupare analys av resultatet gav ändå indikationer på vilka faktorer som var betydande för att minska ljudnivån.
Prototyperna tillverkades genom 3D-printning, men på grund av att Xylem inte hade använt denna metod förut var det till en början oklart hur plastmaterialet skulle uppföra sig under testerna. I de initialt tester där kniven i rostfritt stål jämfördes med en 3D-printad kniv med exakt samma geometri kunde det fastställas att det fanns skillnader i ljudnivån. Detta gjorde att det skulle bli missvisande att jämföra en kniv i plastmaterial med en kniv i rostfritt stål.
Alla prototyperna jämfördes därför med referenskniven i plast, vilket ansågs vara godtagbart då man antog att en minskning av ljudet i plastmaterial även skulle motsvara samma minskning i rostfritt stål. Att knivarna som 3D-printades hade en lägre ljudnivå än kniven i rostfritt stål var även något som måste beaktas om en prototyp skulle tillverkas i rostfritt stål.
Ljudnivån som mäts upp för en kniv av plastmaterial kan då förväntas öka med högst 3 dB(A) om en kniv med samma geometri skulle tillverkas i rostfritt stål. Genom att ta hänsyn till detta ansågs 3D-printning vara en passande metod för prototyptillverkning. Detta underlättade testningen eftersom det varit en snabb och effektiv metod som möjliggjorde en iterativ arbetsgång med kontinuerliga tester och utvärderingar.
I kravspecifikationen finns det krav gällande skäranordningens kvarnfunktion. Dessa var att föremål inte skulle lindas upp kring axeln, att föremål skulle finfördelas tillräckligt och att föremål som inte kunde finfördelas skulle stötas bort. Ytterligare ett krav var att kniven skulle uppfylla svensk standard. Detta var krav som inte utvärderades på grund av begränsningar gällande material och tid. För att testa kvarnfunktionen behöver prototypen tillverkas i till exempel rostfritt stål, vilket tyvärr inte var möjligt på grund av tidsbegränsningen. Dock har inga större förändringar i konstruktionen gjorts på just eggen som har betydelse för kvarnfunktionen, därav antogs det att denna funktion inte hade försämrats.
Utöver statistisk försöksplanering i form av faktorförsök användes även metoder så som WBS, Gantt-schema, observationer och intervjuer, se kapitel 4.1 samt 4.2. Metoderna för projektplanering fungerade bra eftersom de var till stor hjälp att hålla projektet i fas. Dock behövdes de uppdateras kontinuerligt eftersom oförutsebara händelser och förseningar stöttes på. Detta var något som inte var möjligt att känna till första veckorna när planeringen utformades. Observationerna som utfördes tidigt i projektet var viktiga för att kunna bilda en förståelse för det verkliga problemet. Även intervjuerna som hölls med personer på Xylem bidrog till att förstå problemet bättre. Den generella designprocessen (Cooper, 2008), som följdes var passande för just detta projekt eftersom det var en väldigt iterativ arbetsgång.
Många koncept testades och reviderades till dess att den slutliga prototypen togs fram. Detta var nödvändigt eftersom det i princip var omöjligt att veta vilken ljudnivå prototyperna skulle ge upphov till genom att endast spekulera och förlita sig på teori. Tack vare de repetitiva testerna kunde tillslut den lämpligaste lösningen fastställas.
6.2 Slutsats
Ljudnivån har sänkts med 5 dB(A), därmed kan slutsatsen dras att kravet om en minskad ljudnivå uppnåtts. Vilket innebär att ljudtrycket har minskat med 68 %. Detta motsvarar en tydlig hörbar förändring av ljudnivån och den subjektiva uppfattningen är även att pumpen har en behagligare ton, vilket även påvisats av att de högfrekventa ljudnivåerna sänkts.
Minskningen av ljudnivån har åstadkommits genom att göra kniven mer strömlinjeformad, vilket grundas i teorin om att turbulens skapar ljud. Dessutom minskades arean på bladens bottenbredd, som bidrog till en minskning av skjuvkraften. Detta minskade även kavitationen (Söderlund & André, 2015), det vill säga det undertryck som uppstod när bladen roterade över skärhålen, se kapitel 3.2.3. Detta minskade i sin tur skapandet av kavitationsbubblor som gav upphov till ljud när de imploderade. Slutsatsen kunde dras att när en mindre del av hålen täcktes över vid varje bladpassage minskades ljudnivån. Teorin gällande kavitation kunde därmed bekräftas, vilket var kopplat till spaltavståndet. Minskningen av ljudnivån som uppmättes för prototyperna förväntas uppstå även om mätningar utförs i pumpens naturliga miljö. Ljudnivån för en kniv som skulle tillverkas i rostfritt stål, med samma geometri som den slutliga prototypen, förväntas ha en ljudnivå som är högst 3 dB(A) högre. Samma totala minskning av ljudnivån, det vill säga 5 dB(A), förväntas dock uppnås. Trots det går det inte att garantera att ljudnivån som uppmättes för prototypen kommer vara exakt den ljudnivå som pumpen faktiskt ger upphov till i slutändan, vilket grundas i flera aspekter.
Till exempel kan spalten trimmas fel vid montering och kniven kan kantra, toleranskedjor kan skapa ytterligare monteringsproblem samt att tankmodellen som pumpen installeras i och placeringen av denna kan variera.
Ingen åverkan gjordes på knivens egg eller på det radiella skärets vinkel nertill som ska göra att föremål inte lindas upp kring axeln. Föremål som inte kan finfördelas förväntas stötas bort av de roterande bladen precis som för kniven i rostfritt stål. Kniven bör fortfarande uppfylla svensk standard, men inga av ovanstående mål undersöktes tillräckligt ingående för att kunna bedömas som uppfyllda. Slutsatsen gällande dessa krav är dock att funktionerna inte antas ha eliminerats eller försämrats eftersom inga större förändringar har gjorts av grundkonstruktionen.
Pumpens verkningsgrad har sänkts med 2 %, som antas vara för att vattnet leds bort från inloppet på grund av vinkel på knivens blad. Flödet blir därför lägre och detta minskar verkningsgraden något.
Både Xylem som företag och författarna av detta examensarbete har tagit hänsyn till hållbar utveckling med avseende på människors behov och samhällets mål när det gäller social, ekonomisk och ekologisk utveckling. Installationen av avloppspumparna och systemen har liten påverkan på närområdet och miljön. Systemet gör det möjligt för människor att koppla upp sig till det kommunala avloppet istället för att ha en sluten tank eller en septiktank som behöver tömmas regelbundet med en slambil. Pumparna har inte bara hög standard utan även en rimlig kostnad vilket gör produkten tillgänglig för en stor kundgrupp. Genom att koppla pumparna till en VFD går det även att utnyttja effektreserven, som bidrar till att både högt flöde och högt tryck kan uppnås. Tack vare detta kan användaren välja en mindre pump som är enklare att installera med lägre kostnad än en större variant. Detta är något som skulle kunna appliceras på alla pumpmodeller i framtiden. Ljudnivån har även minskas på dessa hushållsnära pumpar och de upplevs som mindre störande, viket är en viktig faktor då oljud kan påverka hälsa och social trevnad. Genom samtliga ovanstående förfaranden lyfts hållbar utveckling fram vid framtagning och utvärdering av produkter, processer, tekniska lösningar och system hos Xylem. Detta tankesätt gör i längden produkterna ännu mer konkurrenskraftiga anser representanter från Xylem.
I och med att ljudnivån för Xylems grinderpumpar har utvärderats och evaluerats gällande vilka faktorer som gjorde att ljudet uppstod har syftet med projektet uppnåtts och den första frågeställningen har besvarats. Genom att utveckla en kniv som ger upphov till en lägre ljudnivå har målet att föreslå verifierade förbättringar även uppnåtts. Till följd av det har dessutom den andra frågeställningen gällande hur ljudnivån kan bli lägre besvarats.
Sammanställning av de parametrar som påverkade pumpens ljudnivå:
• Störningar i vattnet orsakade av skäranordningen
• Knivens interaktion med skärplattan
• Varvtal
• Tryck och flöde
• Spaltavstånd