Utvärdering av ljudnivån för Xylems grinderpumpar
ADELINA ERIKSSON IDA OLSSON
Master of Science Thesis
Stockholm, Sweden 2016
Utvärdering av ljudnivån för Xylems grinderpumpar
Adelina Eriksson Ida Olsson
Master of Science Thesis MMK 2016:138 MCE 338 KTH Industrial Engineering and Management
Machine Design SE-100 44 STOCKHOLM
Examensarbete MMK 2016:138 MCE 338
Utvärdering av ljudnivån för Xylems grinderpumpar
Adelina Eriksson Ida Olsson
Godkänt
2016-06-15
Examinator
Sofia Ritzén
Handledare
Jenny Janhager Stier
Uppdragsgivare
Xylem
Kontaktperson
Jan Bäcke och Måns Bergsten
Sammanfattning
Xylem är ett ledande globalt företag inom vattenteknik som fokuserar på hela cykeln av vattenhantering. Syftet med examensarbetet är att undersöka och utvärdera ljudnivån för Xylems grinderpumpar. Grinderpumpar har en skäranordning bestående av en kniv och en skärplatta som tillsammans finfördelar fasta föremål. Dessa pumpar installeras ofta i anslutning till bostaden, därför kan ljudnivån som pumpen ger upphov till upplevas som störande. För att göra pumpen mer konkurrenskraftig var ljudnivån på pumparna ett problem som behövde förbättras. Målet med examensarbetet var att föreslå verifierade förbättringar som gav lägre ljudnivå, utan bekostnad på pumpens prestanda samt kvarnfunktion.
Det genomfördes en analys av Xylems och konkurrenters befintliga produkter, vilket låg som grund för utvecklingen av koncept. Det utfördes tester av pumparna, för att utvärdera hur ljudnivån förhöll sig till olika parametrar. Dessutom utvärderades vad som gav upphov till ljudet och hur det förhöll sig till fysikaliska teorier såsom Reynoldstal och skjuvning. Utifrån resultaten av dessa tester beslutades det att vidareutveckla skäranordningens kniv. Det togs fram prototyper som testades i syfte att utvärdera hur olika utformningar påverkade ljudet.
Testerna visade att bottenbredden på knivens blad hade stor påverkan på ljudnivån, vilket även låg i linje med teorin gällande skjuvning. Vidare tester visade att en strömlinjeformad kniv gav upphov till lägre ljudnivå, som sammanfaller med teori om att turbulens skapar ljud.
Dessa två aspekter beaktades vid utformningen av den slutgiltiga kniven.
Ljudnivån för grinderpumpen har minskats med 5 dB(A), vilket innebär att ljudtrycket har
minskat med 68 %. Detta motsvarar en tydlig hörbar förändring av ljudnivån. Minskningen
av ljudnivån har åstadkommits genom att göra kniven mer strömlinjeformad och minska
arean på bladens bottenbredd.
Master of Science Thesis MMK 2016:138 MCE 338 Evaluation of noise level of Xylem’s grinderpumps
Adelina Eriksson Ida Olsson
Approved
2016-06-15
Examiner
Sofia Ritzén
Supervisor
Jenny Janhager Stier
Commissioner
Xylem
Contact person
Jan Bäcke och Måns Bergsten
Abstract
Xylem is a leading global company working with water technology, with focus on the entire water cycle. The aim of this master thesis is to examine and evaluate the noise level of Xylem’s grinder pumps. The grinder pumps have a grinder function consisting of a cutter wheel and a cutting ring, which shred solid objects. The grinder pumps are often installed adjacent to a household, the sound level that the pump generates can therefore be perceived as disturbing. In order to make the pump more competitive, the sound level needed to be reduced. The objective of the thesis was to propose verified improvements that decreased the sound level, without impairing the performance of the pump or the grinder function.
An analysis of Xylem’s and competitors’ existing products was conducted, which served as a foundation for the concept development. The pumps were tested in order to evaluate what impact different parameters had on the sound level. Additionally, evaluations regarding what generated the sound and its relation to physical theories such as Reynolds number and shear stress were conducted. Based on the results of these tests, it was decided to further develop the cutter wheel. Prototypes were developed and tested in order to assess how different design parameters affected the sound. The tests showed that the bottom width of the cutter wheels blade had a great impact on the sound level, which is consistent with the theory regarding shear stress. Further tests showed that a streamlined cutter wheel resulted in a lower sound level, which coincides with the theory regarding how turbulence generates sound. These two aspects were considered when designing the final cutter wheel.
The sound level of the grinder pump has been reduced by 5 dB (A), thus the sound pressure
has been reduced by 68%. This has resulted in a clear audible change in the sound level. The
reduction of the sound level has been achieved by making the cutter wheel more streamlined,
and by reducing the area of the blades’ bottom.
FÖRORD
Detta projekt hade inte varit genomförbart utan hjälp och stöd från ett antal personer som författarna gärna vill tacka. Först och främst handledarna Jan Bäcke och Måns Bergsten på Xylem för deras värdefulla vägledning och stöttning genom projektet. Vi vill även tacka alla de hjälpsamma medarbetarna på Xylems laboratorium och R&D-avdelning för deras tid, råd och vänliga bemötande under hela projektet, samt Jenny Janhager Stier i form av handledare från KTH som bidragit med vägledning främst gällande projektets struktur och uppbyggnad.
Adelina Eriksson och Ida Olsson
Sundbyberg, Juni, 2016
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
1 INTRODUKTION 1
1.1 Bakgrund och problembeskrivning 1
1.2 Mål och syfte 1
1.3 Organisation 2
1.4 Uppdragsbeskrivning 2
1.5 Avgränsningar 2
1.6 Metodbeskrivning 2
2 PRODUKTBESKRIVNING 6
2.1 Avloppssystemets uppbyggnad 6
2.2 Pumpens funktion och konstruktion 7
2.3 Centrifugalpumpar 8
2.4 Excenterskruvpumpar 9
2.5 De vanligaste modellerna bland små avloppspumpar 10
3 REFERENSRAM 14
3.1 Ljud- och vibrationer 14
3.1.1 Ljud- och vibrationsvågor 14
3.1.2 Ljudtryck 14
3.1.3 Ljudtrycksnivå 14
3.1.4 Ljudeffekt 15
3.1.5 Frekvens 16
3.1.6 Vibrationer 16
3.1.7 Bakgrundsljud 16
3.1.8 Ljudkällor i pumpar 16
3.2 Strömning och ljud 17
3.2.1 Strömningsmekanik 17
3.2.2 Flödesinducerade ljud och vibrationer 19
3.2.3 Kavitation 19
3.3 Försöksplanering 20
3.3.1 Experiment 20
3.3.2 Statistisk försöksplanering 21
3.3.3 Faktorförsök 22
3.4 Mätutrustning 23
4 GENOMFÖRANDE 25
4.1 Projektplanering 25
4.1.1 Work breakdown structure, WBS 25
4.1.2 Gantt-schema 25
4.1.3 Stage-Gate 25
4.1.4 Riskanalys 26
4.2 Kvalitativ datainsamling 26
4.2.1 Observationer 26
4.2.2 Intervjuer 27
4.3 Teknisk beskrivning av skäranordningar 27
4.3.1 Utförande 27
4.3.2 Xylems skäranordning 28
4.3.3 Konkurrenters produkter 30
4.4 Tester av valda pumpmodeller 31
4.4.1 Arbetsgång vid testförsök 31
4.4.2 Testriggens uppbyggnad 31
4.4.3 Tester av 3068, 3069, DXG och DXGT 32
4.4.4 Tester i Performance Testrigg 35
4.5 Konceptutveckling 36
4.5.1 Tester för utvärdering av ljudnivån 36
4.5.2 Test – Ljudnivåns relation till turbulent flöde 41
4.5.3 Test - Skjuvning 42
4.5.4 Kravspecifikation 44
4.5.5 Idégenerering 44
4.5.6 Konceptmodellering och prototyptillverkning 46
4.5.7 Tester av prototyper 51
4.6 Fluidens strömningar kring kniven 60
4.7 Elimination av bakgrundsnivå 63
4.8 Reducering av ljudtrycket 63
5 RESULTAT 65
5.1 Slutligt koncept och testresultat 65
6 DISKUSSION OCH SLUTSATS 71
6.1 Diskussion 71
6.2 Slutsats 73
7 REKOMMENDATIONER OCH FORTSATT ARBETE 75
7.1 Rekommendationer 75
7.2 Fortsatt arbete 75
8 REFERENSER 77
8.1 Litteraturreferenser 77
8.2 Bildreferenser 78
APPENDIX I
Appendix 1 – Work Breakdown Structure I
Appendix 2 – Gantt-schema I
Appendix 3 – Riskanalys I
Appendix 4 – Intervjuer I
Appendix 5 – Tester med N-pumphjul I
Appendix 6 – Test med/utan skäranordning samt pumphjul I
Appendix 7 – QH-Kurvor I
Appendix 8 – Ritning av det slutliga konceptet I
Appendix 9 – Slutliga QH-kurvor I
1 INTRODUKTION
Xylem är ett ledande globalt företag inom vattenteknik som är verksamt i 40 länder och produkter säljs i över 150 länder. Grundläggande del av företagets arbete är att utveckla nya tekniker för att tillhandahålla utrustning och tjänster för vatten- och avloppstillämpningar.
Xylem inriktar sig på hela cykeln av vattenhantering - från insamling, distribution och användning till dess återföring till miljön. Xylems vision är att med hjälp av sina unika globala tillgångar och högpresterande kultur lösa världens mest utmanande vattenproblem (Xylem Inc., 2016).
I följande kapitel beskrivs projektets bakgrund och omfattning för att ge en tydlig bild av problemet, syftet och målet. Metodiken som arbetats efter förklaras också kortfattat.
1.1 Bakgrund och problembeskrivning
Med Xylems lätt trycksatta avloppssystem är det möjligt för avlägset belägna villa- och fritidshusområden att få kommunalt avlopp med hög standard till en rimlig kostnad (Xylem Inc., 2015). Ett tryckavloppssystem består av uppsamlingstankar, tryckgenererande utrustning och rör som tillsammans bildar ett grenat nät. Till skillnad från konventionella avlopp där avloppsvattnet rinner med självfall i grova rör, innebär trycksatta avloppssystem att avloppsvattnet pumpas under tryck i smala nedgrävda ledningar. Detta medför att man inte behöver ta hänsyn till markens beskaffenhet vid installationen, eftersom slangarna kan följa naturen. Utbyggnad av dessa system har i och med det liten påverkan på miljön. På grund av de smala ledningarna måste alla fasta föremål så som disk- och skurtrasor i avloppsvattnet skäras sönder innan det pumpas vidare. För att kunna skära sönder dessa föremål har pumparna en skäranordning. Det är därmed viktigt att pumpens kvarnfunktion är optimerad för att föremålen ska finfördelas ordentligt utan att pumpen överbelastas. Dessa pumpar installeras ofta i anslutning till bostaden och därför kan ljudnivån som pumpen ger upphov till upplevas som störande av de boende. Xylem anser att ljudnivån för pumparna är ett problem som behöver förbättras, för att pumparna ska bli så konkurrenskraftiga som möjligt.
Under projektet kommer de vanligaste modellerna av Xylems pumpmodeller med skäranordning att undersökas. Dessa modeller benämns av Xylem som grinderpumpar.
1.2 Mål och syfte
Syftet med examensarbetet är att undersöka och utvärdera ljudnivån för Xylems grinderpumpar och arbetet har som mål att föreslå verifierade förbättringar som ger lägre ljudnivå, utan bekostnad på pumpens prestanda samt kvarnfunktion.
Baserat på syftet och problembeskrivningen ovan, formulerades följande frågeställningar,
• Vilka är parametrarna till att ljudet uppstår i grinderpumparna?
• Vilka modifieringar av skäranordningarna kan göra att ljudnivån blir lägre?
1.3 Organisation
Examensarbetet har utförts av två studenter från Mastersprogrammet Integrerad produktutveckling på Kungliga Tekniska högskolan. Från högskolan valdes Jenny Janhager Stier som handledare för projektet. Även Xylem bidrog med två handledare från deras R&D- avdelning, Jan Bäcke (Manager Hydraulic & Mechanical Testing R&D) samt Måns Bergsten (Development Engineer M. Sc.). Detta gjordes för att kunna tillhandahålla så mycket erfarenhet och kunskap som möjligt.
1.4 Uppdragsbeskrivning
Tidsramen för projektet var 20 veckor och skulle genomföras på Xylem under vårterminen 2016. I uppdraget ingick det att utvärdera befintliga skäranordningar med avseende på ljudnivå och sedan generera nya koncept som skulle testas och utvärderas. Slutligen skulle resultatet dokumenteras och analyseras samt presenteras både på Xylem och KTH.
1.5 Avgränsningar
Detta projekt har avgränsats till att endast utvärdera och minska ljudet som uppstår på grund av skäranordningen. Därmed granskas inte övriga komponenters påverkan på ljudet. Projektet begränsades även till att inte utvärdera eller förbättra den skärande funktionen eller pumpens prestanda. De vanligaste modellerna bland små avloppspumpar, DXG, DXGT, 3085, 3068 och 3069 undersöktes. Dock utfördes endast tester av DXG-modellerna, 3068 och 3069 på grund av tidsbrist. Dessa modeller valdes eftersom de hade en axiell skäranordning, vilket är den typ av skäranordning som finns på den mest sålda grinderpumpen i Sverige (Xylem Inc., 2010).
1.6 Metodbeskrivning
I detta projekt togs inspiration från en generell designprocess beskriven i Ullman (2010).
Denna process ansågs vara effektiv vid detta projektupplägg eftersom stora delar i produktutvecklingsprocessen ingick, se Figur 1. Dessutom har konceptutvecklingsfasen inom denna process en iterativ arbetsgång, där koncepten testas och revideras tills dess att de uppfyllt kraven. Denna iterativa arbetsgång ansågs vara lämpligt, eftersom kunskapen om hur lösningen skulle utformas inte var uppenbar och repetitiva tester krävdes för att komma fram till den bästa lösningen.
Projektet inleddes med den första fasen där problemet beskrevs och definierades i samarbete med Xylem. I fas 2 identifierades resurser i form av tid, pengar och utrustning som tillhandahölls under projektet. Tiden fastställdes som den största begränsningen. Utifrån detta gjordes en övergripande projektplan och alla ingående aktiviteter i projektet definierades.
Därefter införskaffades en förståelse för produkten under fas 3. Syftet med denna fas var att
skapa en djupare kunskap om problemet för att lägga en grund för projektet. I fasen utfördes
en litteraturstudie och en bakgrundsundersökning av pumparna samt det system de verkar i.
Inom bakgrundsstudien utfördes även fältstudier där systemen observerades i dess naturliga
miljö. Sedan utvärderades konkurrenter och existerande lösningar för att kunna ta fram en
kravspecifikation.
I fas 4 påbörjades konceptutvecklingen. Resultatet från de föregående faserna användes för att utveckla och utvärdera potentiella lösningar. Fasen bestod av en iterativ process där koncept genererades och prototyper tillverkades som sedan testades och utvärderades. Dessa reviderades till nya koncept som också testades och utvärderades, tills dess att ett koncept som uppfyllde alla kraven tagits fram. Efter fas 4 analyserades resultaten och det koncept med mest lovande resultat vidareutvecklades och presenterades som lösning för Xylem under fas 5.
Figur 1. Översiktlig bild på faserna i projektet.
2 PRODUKTBESKRIVNING
I detta kapitel beskrivs pumpens funktion samt hela systemet som pumpen är en del av. Två pumptyper, centrifugalpumpar och excenterskruvpumpar, med grinderfunktion beskrivs och de vanligaste modellerna av små avloppspumpar tas även upp.
2.1 Avloppssystemets uppbyggnad
Flygt LTA-system, Lätt Trycksatta Avloppssystem är en lösning för att ansluta mindre villor och fritidshus till det kommunala avloppsnätet (Xylem Inc., 2015). Behovet av avloppssystem med hög kvalitet, driftsäkerhet och tillförlitlighet ökar i takt med att allt högre krav ställs på miljö och vattenkvalitet. LTA-systemen är uppbyggda genom olika varianter av uppsamlingstankar med pumpar och tillhörande utrustning samt avloppsrör (Figur 2). Dessa system är fördelaktiga i exempelvis sjönära lägen, områden med högt grundvatten och vid besvärliga topografiska förhållanden, eftersom nivåskillnader i terrängen inte behöver tas i hänsyn. Avloppsledningarna kan grävas ner i grunda diken som följer markkonturen. Detta gör schaktarbetet mindre, vilket leder till att ingreppet i närmiljön inte blir så omfattande.
LTA-systemen har en självrensande konstruktion som ställer mindre krav på underhåll.
Figur 2. Uppsamlingstank med tillhörande pumputrustning.
Systemet fungerar på så sätt att pumpstationer bestående av en sump eller tank grävs ner nära huset (1). Inuti dessa tankar installeras avloppspump, pumpstyrning, nivåvippor och övrig utrustning för övervakning och styrning av pumpen (Xylem Inc., 2012; Xylem Inc., 2015).
Avloppsvattnet från huset rinner de första metrarna med självfall ner till pumpstationen där en skärande avloppspump finns (2). Pumpen finfördelar fasta föremål och sätter avloppet under tryck för att pumpa vidare vattnet genom böjliga plaströr (3) till en svavelvätereducerare (4). Svavelvätereducerare är en produkt som introducerades på marknaden för cirka 3-4 år sedan och blir allt vanligare i dessa system. Reduceraren används för att minska farliga gaser och lukt i avloppsvattnet innan det når den stora utloppspumpstationen (5). Den minskar även bildandet av korrosion i rörledningarna. Från denna station pumpas slutligen avloppsvattnet vidare mot det kommunala avloppsnätet (6), med hjälp av en eller flera avloppspumpar, se Figur 3.
Figur 3. LTA-systemets uppbyggnad.
2.2 Pumpens funktion och konstruktion
Pumpens grundläggande funktion är att transportera en fluid, det vill säga en vätska eller gas, från en nivå till en annan (Ulvås, 1974). Pumpen är därmed ett verktyg som används för att öka det strömmande mediets energi.
De pumpmodeller som har undersökts tillhör gruppen små avloppspumpar, som har ett kapacitetsområde på mindre än 15 l/s (Xylem Inc., 2010). Dessa är lätta, effektiva, kompakta och även dränkbara i och med att både kåpa och pumphus är i gjutjärn. Pumparna har en ganska enkel konstruktion i grunden och består i stora drag av en elmotor, mekaniska tätningar som håller motorn skild från den hydrauliska delen, ett pumphjul eller pumpdon samt en skäranordning (Xylem Inc., 2012). Den mekaniska skäranordningen på grinderpumpar är placerad utanför inloppet till själva pumpen. Skäranordningen är specialutformad för att mala ner fasta föremål till ett lågvisköst slam. Detta är till stor nytta vid små avloppsledningar runt 32-50 mm i diameter för att förhindra stopp i ledningarna som följd av att större fasta föremål har fastnat.
De pumptyper som kommer vara i fokus under projektet är centrifugalpumpar som tillhör
gruppen rotordynamiskapumpar och excenterskruvpumpar som tillhör deplacementpumpar
(Xylem Inc., 2012). Dessa är de vanligaste pumptyperna med grinderfunktion för LTA-
system. Val av pump ur hydraulisk synvinkel bestäms av vad som ska pumpas, var pumpen
ska installeras, hur stora kvantiteter som ska pumpas och hur många meter i lodrät riktning
vattnet ska pumpas.
2.3 Centrifugalpumpar
Centrifugalpumpar har ett pumphjul som av Xylem har beteckningen M-hjul. Hjulen är konstruerade för att klara påfrestningarna i det trycksatta avloppet (Grundfos Pumps Corporation, 2008). Pumpen fungerar genom att en tryckökning skapas mellan pumpens inlopp och dess utlopp när pumpen är i drift. Denna tryckskillnad driver sedan fluiden genom systemet. Ökningen av trycket skapas genom att pumpen överför mekanisk energi från motorn till fluiden genom det roterande pumphjulet. Fluiden strömmar då från inloppet till pumphjulets centrum och sedan ut längs bladen (Figur 4). Centrifugalkraften ökar därigenom fluidens hastighet och följaktligen omvandlas också den kinetiska energin till tryck.
Beroende på tryckförhållandena ger centrifugalpumpar varierande flöden som ligger i intervallet 1-4 l/s. Detta är relativt höga flöden, vilket i sin tur leder till högre hastigheter. I och med det minskar risken för sedimentering och igensättning. Detta skapar alltså självrensning i ledningarna. Det höga flödet gör också att pumpsumpen töms snabbare och bidrar till att färre pumpar behöver gå samtidigt i systemet. Denna typ av pump klarar även av att sörpla, det vill säga pumpa ned vattennivån så lågt att pumpen börjar suga luft. När detta sker pumpas även flytande partiklar och fettansamlingar bort från ytvattnet.
Figur 4. Centrifugalgrinderpump, förstoringen visar pumphjul och skäranordning.
2.4 Excenterskruvpumpar
Excenterskruvpumpar fungerar på så sätt att en spiralformad rotor vrids inne i en gummihylsa som utgör stator (Grundfos Pumps Corporation, 2008). Detta tvingar successivt fluiden som samlats i hålrummen mellan rotor och stator framåt genom pumpen och till utloppet. Som resultat av detta förlopp uppstår ett lågt och stabilt flöde på både sug- och trycksidan (Figur 5). Beroende på tryckförhållandena ger excenterskruvpumpar lägre flöden än centrifugalpumpar, men mer konstanta flöden som ligger mellan 0,7-1,1 l/s. Det låga flödet leder dock till lägre hastighet i ledningarna och risken för sedimentering och igensättning blir högre. Detta gör även att pumpsumpen töms långsammare och fler pumpar behöver gå samtidigt i systemet. Denna typ av pump används oftast för att pumpa exempelvis avloppsslam med stora partiklar eller annat material som är besvärligt att förflytta. Till skillnad från centrifugalpumpar kan inte denna pump sörpla och den har större känslighet för slitage. Däremot klarar pumpen höga nivåskillnader och kan med fördel användas i bergig terräng.
Figur 5. Excenterskruvpump, förstoringen visar pumpdon och skäranordning.
2.5 De vanligaste modellerna bland små avloppspumpar
Pumparnas skärfunktion är konstruerad för att reducera alla fasta föremål till partiklar som inte är större än 5x15 mm, vilket möjliggör användning av rör med liten diameter (Xylem Inc., 2016). Pumparna är väldigt robusta och effektiva. De är konstruerade för att kunna startas 15-20 gånger per timme, men behöver som mest köras en halvtimme per dag.
Modellen DXG är en centrifugalpump med axiellt skär (Figur 6) (Xylem Inc., 2010). Det finns även en version av denna pump som benämns DXGT, där ”T” står för turbo. Det är precis samma pump men den är kopplad till en Variable frequency drive, VDF, som gör det möjligt att kontrollera hastigheten genom att köra pumpen vid olika varvtal. Detta görs för att få både högt flöde och högt tryck, vilket är svårt att åstadkomma utan VDF. Pumphus, statorhus samt axel är tillverkat av rostfritt stål och skäranordningen med grinderfunktion är av härdat rostfritt stål. Lyfthandtaget är av glasfiberarmerad nylon.
Figur 6. Pumpmodell DXG.
Modellen 3085.172 är en centrifugalpump med ett radiellt skär (Figur 7) (Xylem Inc., 2010).
Pumphus, statorhus samt pumphjul är tillverkat av gjutjärn och axeln är av magnetiskt rostfritt stål. Kniven och skärplattan är av härdat rostfritt stål. Statorhusets utformning är tillverkat enligt ett modulsystem för att passa de olika pumphusen inom serien.
Figur 7. Pumpmodell 3085.172.
Modellen 3068.170 är en centrifugalpump med ett axiellt skär (Figur 8) (Xylem Inc., 2010).
Pumpen har nästan dubbla kapaciteten i jämförelse med DXG och är den mest sålda grinderpumpen. Pumphus, statorhus samt pumphjul är tillverkat av gjutjärn och axeln är av magnetiskt rostfritt stål. Likt många av de andra skärande pumparna i 3000-serien är kniven och skärplattan av härdat rostfritt stål. Statorhusets utformning är tillverkat enligt ett modulsystem för att passa de olika pumphusen inom serien.
Figur 8. Pumpmodell 3068.170.
Modellen 3068.175 är en exenterskruvpump med ett radiellt skär, pumpen installeras fristående (Figur 9) (Xylem Inc., 2010). Pumphus samt statorhus är tillverkat i gjutjärn medan spiralrotor och axeln är av rostfritt stål. Skäranordningen är tillverkad av härdat rostfritt kromstål.
Figur 9. Pumpmodell 3068.175.
Modellen 3069 är den senaste modellen i 3000-serien och det är en centrifugalpump med axiellt skär (Figur 10) (Xylem Inc., 2010). Precis som 3068 är pumphus, statorhus samt pumphjul tillverkat av gjutjärn och axeln är av rostfritt stål. Kniven och skärplattan är av härdat rostfritt stål. Det som främst har förändrats från 3068 är skäranordningen, vilket gjordes för att det fanns problem med att montera kniven på korrekt avstånd från skärplattan.
Pumpmodellerna inom 3069-serie har även nytt statorhus.
Figur 10. Pumpmodell 3069.
3 REFERENSRAM
I detta kapitel beskrivs grundläggande begrepp gällande ljud och vibrationer samt hur de olika begreppen är kopplade till varandra. Detta görs för att skapa en förståelse för hur ljud är mätbart. Dessutom beskrivs hur olika strömningsfenomen ger upphov till ljud och vibrationer. Försöksplaneringen som gås igenom beskriver hur en strukturerad arbetsprocess skapas. Slutligen förklaras mätutrustningen som använts under projektet.
3.1 Ljud- och vibrationer
Nedan förklaras de olika begreppen kopplat till ljud och vibrationer.
3.1.1 Ljud- och vibrationsvågor
Ljud- och vibrationsvågor är mekaniska elastiska vågor (Bodén, et al., 2001). Mediet de transporteras i måste därför ha en massa och vara elastiskt. Vågorna är masspartiklar som förskjuts i mediet, men de elastiska krafterna försöker återställa partikeln till dess ursprungliga läge. Partikel påverkar omgivande partiklar och således förflyttas störningen i mediet. En akustisk våg som utbreder sig i en gas eller vätska, vid tiden, t, och punkten, r, i rummet, beskrivs av de akustiska fältstorheterna ljudtryck och partikelhastighet. Det finns två klasser av ljud- och vibrationsvågor, longitudinella vågor och transversella vågor. I gaser och vätskor bildas endast longitudinella vågor eftersom skjuvspänningen i dessa medier är så minimala att de blir försumbara. Det finns plana longitudinella vågor, som definieras av att skilda parallella plan i vågen har samma akustiska tillstånd, exempelvis samma ljudtryck och partikelhastighet. Avståndet mellan två plan definieras som våglängden, λ.
3.1.2 Ljudtryck
Ljud definieras som mekaniska vågrörelser eller täthetsvariationer och tryckvariationer som överförs genom ett medium i form av gas, vätska eller en fast kropp (Johansson, 2002).
Tryckförändringar i luften är det människan uppfattar som ljud eftersom de sätter trumhinnan i svängning. Ljudtrycket, p, mäts i Pascal, Pa, och de minsta tryckförändringar eller ljudtryck som trumhinnan kan uppfatta är cirka
2 ∙ 10−5𝑃𝑃𝑃𝑃.Detta motsvarar 20 µPa, vilket i sin tur motsvarar 0 decibel, dB. Människan kan skilja på olika typer av ljud på grund av att de skiljer sig i styrka och frekvenssammansättning.
3.1.3 Ljudtrycksnivå
De spann av ljudtryck som örat kan uppfatta är mycket stort (Johansson, 2002). En logaritmisk mätskala har utvecklats för att kunna beskriva ljudets styrka och hur vi upplever det. Denna storhet kallas nivå och uttrycks i decibel. Ljudnivån varierar beroende på avståndet till ljudkällan (Bodén, et al., 2001). Hörbart ljud ligger mellan 0-130 dB. Det fysikaliska och dimensionslösa måttet på ljudets styrka kallas ljudtrycksnivå som benämns L
p,som beror av ljudtryckets effektivvärde, 𝑝𝑝�
,och en referensstorhet för ljudtryck på 2×10
-5Pa. Värdet multipliceras med 10 för att erhålla decibel (Johansson, 2002).
𝐿𝐿𝑝𝑝= 10 log𝑝𝑝𝑝𝑝�2
𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟2
Där ljudtryckets effektivmedelvärde, även kallat rms, (root mean square)-värdet, definieras enligt nedanstående ekvation,
𝑝𝑝� = �1
2 � 𝑝𝑝𝑇𝑇 2(𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑡𝑡
0
Örats känslighet varierar med frekvensen (Bodén, et al., 2001). Det finns standardiserade vägningskurvor som används vid bedömning av hörbarhet för olika nivåer av ljud. Dessa kurvor benämns som A, B och C och de dämpar frekvenser under 1000 Hz på grund av att hörseln är mindre känslig för lägre frekvenser. Detta filter är anpassat för att stämma överens med örats känslighet vid relativt låga ljudnivåer, därav är många riktvärden satta som ett dB(A)-värde. En ökning eller minskning med 1 dB(A) upplevs som en knappt hörbar förändring för det mänskliga örat. Förändringen i ljudnivån måste ligga runt 2-3 dB(A) för att upplevas som en hörbar förändring (Transportstyrelsen, 2016). Förändringar på 5-6 dB(A) är en påtaglig och tydlig hörbar förändring av ursprungsnivån. Dock innebär en 3 dB(A) ökning av ljudtrycksnivån ett fördubblat ljudtryck oavsett vilken nivå man utgår från.
Ljudförändringar mellan 8-10 dB(A) upplevs som en dubblering eller halvering av ljudnivån, men en 10-dubbling av ljudtrycket, se Tabell 1. Detta beror på att skalan är logaritmisk. För att skapa en uppfattning av olika ljud och deras ungefärliga ljudtrycksnivå kan följande exempel underlätta. Ett samtal med normal röststyrka ligger runt 60 dB(A), stadsgata 75 dB(A), startande lastbil 90 dB(A) och konsert 110 dB(A) (Ceder, 2008).
Tabell 1. Förändring av ljudtrycksnivån i relation till hörbarhet och ljudtryck.
Förändring av
ljudtrycksnivån Upplevd hörbar förändring Förändring i ljudtryck
± 8-10 dB(A) Dubblering/halvering 10-dubbling/minskning
± 5-6 dB(A) Tydlig förändring Fyrdubbling/minskning
± 3 dB(A) Hörbar förändring Dubblering/halvering
± 1 dB(A) Knappt hörbar förändring -
3.1.4 Ljudeffekt
Den effekt som ljudkällan avger till omgivningen benämns ljudeffekt (Johansson, 2002). Till skillnad från ljudnivån är ljudeffekten i de flesta fall densamma i en hel lokal oberoende av vart ljudkällan är placerad och hur lokalen är utformad. Den momentana akustiska effekten, W, över en bestämd area, S, i ett akustiskt fält definieras som produkten av ljudtrycket, p(r,t), partikelhastigheten, u(r,t), och arean (Bodén, et al., 2001).
𝑊𝑊(𝑟𝑟⃗, 𝑡𝑡) = � 𝑝𝑝(𝑟𝑟⃗
𝑆𝑆
, 𝑡𝑡)𝑢𝑢�⃗(𝑟𝑟⃗, 𝑡𝑡)𝑛𝑛�⃗ 𝑑𝑑𝑑𝑑
Ljudeffektsnivån är ett mått på ljudeffekten och benämns L
wvilket anges i dB (Bodén, et al., 2001). Ljudeffektsnivån beror av ljudeffektens tidsmedelvärde,
𝑊𝑊� ,vilket är ett medelvärde av effekten över ett definierat tidsspann. Den är även relaterad till en referensstorhet för ljudeffekt på 10
12W som benämns W
ref.
𝐿𝐿𝑊𝑊= 10 log𝑊𝑊𝑊𝑊�
𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟
Ljudeffektens tidsmedelvärde är dessutom proportionellt mot ljudtryckets effektivvärde, 𝑊𝑊 � = 𝐶𝐶𝑝𝑝�
2∝ 𝑝𝑝�
2Ljudeffekten går inte att mäta (Bodén, et al., 2001). Men eftersom den är proportionell mot ljudtryckets effektivvärde varierar ljudeffekten tillsammans med ljudtrycket, vilket är mätbart. Det innebär att om det uppmätta ljudtrycket ökar kommer även ljudeffekten att öka.
3.1.5 Frekvens
Frekvens, som anges i Hertz, Hz, bestäms av hur många perioder ljudvågen har per sekund, och definieras som ljudhastigheten, c, dividerat med våglängden, λ (Bodén, et al., 2001).
𝑓𝑓 = 𝑐𝑐 𝜆𝜆
Frekvensen bestämmer tonhöjden, låg frekvens ger bastoner och högfrekvens ger diskanttoner (Johansson, 2002). Ljud kan även delas upp utifrån vilken frekvens det har (Bodén, et al., 2001). Hörbart ljud ligger mellan 20 - 20 000 Hz. Ljud under 20 Hz kallas infraljud och ljud över 20 000 Hz benämns ultraljud.
3.1.6 Vibrationer
Vibrationer definieras som mekaniska svängningar av ett fast föremål och dess styrka kan uttryckas i acceleration, m/s
2(Arbetsmiljöverket, 2015). Vibrationer i tekniska system är direkt kopplade till hållfasthetsproblem och komfortstörningar (Bodén, et al., 2001).
Dessutom har vibrationer indirekt stor påverkan på funktion, tillverkningskvalitet och även ljudgenerering. När en varierande kraft påverkar ett fast föremål orsakas vibrationer som ger upphov till tryckvågor, vilket är en källa till akustisk energi och därmed ljud. Det är därför effektivt att åtgärda vibrationerna i en struktur för att följaktligen minska ljudnivån från strukturen, eftersom orsaken till uppkomsten av ljudet då bekämpas.
3.1.7 Bakgrundsljud
Bakgrundsljud är det ljud som konstant låter i bakgrunden medan andra aktiviteter pågår (Bodén, et al., 2001). Ett exempel är om ljudtrycksnivån för en maskin i en verkstad ska mätas. Där kan det finnas många andra ljudkällor runt omkring som inte kan stängas av under mättillfället, vilket kommer ge upphov till ett felaktigt mätresultat från ljudkällan. För att eliminera bakgrundsljud måste de omgivande ljudkällorna först mätas utan att maskinen är i drift och sedan måste ytterligare en mätning göras när maskinen är startad. Genom dessa resultat kan man subtrahera bakgrundsljudet från totalnivån för att endast få fram maskinens ljudtrycksnivå, se eliminering av bakgrundsljud i kapitel 5.6.2.
3.1.8 Ljudkällor i pumpar
De främsta orsakerna till att ljud och vibrationer uppstår i centrifugalpumpar är mekaniska,
hydrauliska eller andra yttre orsaker (Suhane, 2012). Anledningar till mekaniska ljud kan
vara obalanserade roterande delar, skadat pumphjul samt slitna eller lösa lager. Hydrauliska
orsaker kan till exempel vara hydraulisk obalans. Andra yttre orsaker kan bero på harmoniska
vibrationer från närliggande utrustning eller att pumpen drivs vid en kritisk hastighet.
3.2 Strömning och ljud
Nedan beskrivs hur flödet strömmar runt olika strukturer, hur ljud och vibrationer uppstår i relation till flöden samt kopplingen mellan kavitation och ljud.
3.2.1 Strömningsmekanik
Strömningsmekanik eller hydrodynamik är den vetenskap som behandlar vätskor och fluiders rörelse samt hur fluider påverkar andra fluider eller solider (Blake, 1986). Det finns olika huvudtyper av hydrodynamik och en av dessa är turbulent strömning. Turbulent strömning innebär att varje vätskepartikel rör sig stokastiskt i oregelbundna banor och i olika riktningar, vilket sker vid relativt höga hastigheter, stora friktionskrafter och låg viskositet. Vid turbulent flöde bildas virvlar i olika storlekar som integrerar med varandra. Efterhand bryts virvlarna ned och bildar flera mindre virvlar, som i sin tur upplöses tills de blir så små att deras rörelseenergi dör ut på grund av friktionen. Det kan därför vara fördelaktigt att minska turbulensen kring en struktur eftersom den turbulenta strömningen ökar friktionsmotståndet.
Ett sätt att göra luft- eller vattenmotståndet så litet som möjligt är att skapa en strömlinjeform, eftersom en strömlinjeformad kropp minskas motståndet (Blake, 1986). Motståndet beror på tryckfördelningen på strukturens yta som i sin tur beror av storleken och formen på strukturen, därför benämns detta ofta som formmotstånd. Formmotstånd är en följd av turbulens som orsakas vid separation av en fluid som strömmar över en struktur. Med separation syftar man på förändringen från en fluid som flödar jämt längst en struktur tills det läge där fluiden plötsligt bryter av från strukturens yta. Detta skapar ett kaotiskt flöde.
Separationen resulterar i fickor av lågt och högt tryck som lämnar en ström bakom strukturen, som i sin tur motverkar rörelse framåt. För att visualisera hur formmotstånd förekommer kan flödet runt olika strukturer betraktas, se Figur 11. Längst ner i bilden visas ett laminärt flöde, alltså ett flöde i skikt runt strukturen, där flödet är nära ytan. I strukturen ovanför är flödet laminärt under den första halvan av strukturen och sedan börjar flödet att separera från ytan och bilda många små kaotiska virvelströmmar. De två strukturerna överst har ett ännu större område av separerat flöde och det skapas därav mer virvelströmmar och mer formmotstånd.
Strömlinjeformning minskar alltså formmotstånd genom att separationen mellan fluiden och
strukturen minskas.
Figur 11. Visualisering av flödet runt olika strukturer.
3.2.2 Flödesinducerade ljud och vibrationer
Flödesinducerat ljud är ofta komplext. Det involverar kunskap om hydromekanik, vibrationer och akustik (Blake, 1986). Ostadiga flödesrörelser och turbulens genereras i nästan alla maskiner som involverar flytande medium. Ljud kan uppstå när en fluid rör sig relativt en annan fluid eller yta eftersom det skapas en instabilitet i flödet, till exempel turbulens. Det är själva bildandet av virvlar i flödet som skapar ljudet, då energin omvandlas från hydrodynamisk effekt till akustisk effekt. Såvida kavitation inte inträffar är de akustiska effekterna av interaktionen mellan en kropp och ett strömmande medium tvåfaldigt. För det första kan en struktur förändra ljudfältet vid turbulenta flöden genom att agera som en spridningsyta som ljudet kan studsa emot, därmed kan ljudet uppfattas som högre. För det andra, kan strukturen i sig ändra flödet genom att skapa ytterligare flödesstörningar i form av virvelbildning, alltså en lokal rotation eller spiralbildning i fluiden.
Ljud i ett flöde kan även orsakas på andra sätt, bland annat då en fluid befinner sig i kontakt med en struktur och en varierande kraft appliceras på en eller flera komponenter av strukturen (Blake, 1986). Som svar på detta yttryck kan ljud uppstå eftersom strukturen vibrerar med en våglängd. Ljudtryck är därför utsöndrat från turbulens i sig, fördelningen av krafter på ytan och rörelsen av strukturen. Förenklat kan det förklaras som att ljud produceras när virvellinjer sträcks ut eller accelererar i förhållande till ett akustiskt medium. Ljudtryck från alla sådana källor är beroende av amplituden och fasen för varje ingående part.
3.2.3 Kavitation
Kavitation är skapandet av ångbubblor i områden där det statiska trycket lokalt sjunker till vätske-ångtryck på grund av hög strömningshastighet (Söderlund & André, 2015). När trycket vid inloppet på pumpen sjunker under ångtrycket för den pumpade vätskan börjar vattnet att koka, vilket leder till att ångbubblor bildas. Dessa bubblor rör sig med vätskan genom pumphjulet till ett högre tryckområde (Figur 12). När trycket i pumpen sedan stiger kommer ångbubblorna att kollapsa genom implosion, vilket ger ett mycket högt, men också mycket lokalt tryck vid bubblans kärna, upp till 10 000 bar. Detta tryck frigör chockvågor som kan ge upphov till ljud, vibrationer och skador på materialet i pumpen. Omfattningen av kavitation beror på hur lågt trycket är i pumpen. Kavitation uppträder först vid den punkt i pumpen där trycket är lägst, vilket oftast är vid bladkanten vid pumphjulets inlopp (Grundfos Pumps Corporation, 2008). Men det kan även uppträda i andra områden där tryckskillnader uppstår.
Net Positive Suction Head, NPSH- värdet för en pump är det minsta absoluta totaltryck som krävs vid sugsidan av pumpen för att undvika kavitation (Grundfos Pumps Corporation, 2008). NPSH-värdet beror på flödet, när flödet ökar, ökar även NPSH-värdet. Genom att beräkna NPHS kan man bekräfta eller utesluta att kavitation uppstår.
Åtgärder vid kavitation minskas eller förhindras genom att till exempel öka systemtrycket
(slutna system), förkorta sugledningen att minska friktionsförlusten eller sänka
vätsketemperaturen för att minska ångtryck (Grundfos Pumps Corporation, 2008).
Figur 12. Ångbubblornas rörelse i pumphjulet.
3.3 Försöksplanering
Först förklaras experiment ytligt för att sedan beskriva statistisk försöksplanering mer ingående. Metoden för faktorförsök, som är en del av den försöksplaneringen presenteras även.
3.3.1 Experiment
Inom ingenjörsvetenskap spelar experiment en stor roll när en produkt eller process ska utvecklas, oftast då en viss del i systemet ska utvärderas (Montgomery, 2001). Experiment är även betydelsefulla för att tillgodogöra sig kunskap om en process eller en produkt (Vanhatalo, 2009). Experiment definieras som ett test eller en serie av tester där genomtänkta ingångsparametrar eller faktorer variers för att undersöka hur dessa påverkar en process eller ett systems utgångsparametrar (Montgomery, 2001; Olausson, 1992). Vid ett experiment undersöks vilken effekt de kontrollerbara parametrarna, X
p, har på utgångsparametrarna, Y
r. Dock är inte dessa de enda parametrarna som måste tas hänsyn till vid ett experiment, även de okontrollerbara eller störande parametrarna, Z
q, måste beaktas (Vanhatalo, 2009), se Figur 13. De okontrollerbara parametrarna kan dock styras vid ett experiment (Montgomery, 2001;
Holman, 2012). Detta beskrivs mer ingående i senare kapitel. Det finns många olika metoder för att utföra vetenskapliga tester, dock har alla gemensamt att kvalitén på resultatet av testet beror till stor del på hur väl testet planerats innan det påbörjas.
Figur 13. Ingångsparametrar och utgångsparametrar i experimentprocessen.
3.3.2 Statistisk försöksplanering
Försöksplanering är ett samlingsnamn för ett stort antal metoder. Dessa är till för att effektivisera försök genom att maximera informationsutbytet och minimera resurserna utan inverkan på resultatets statistiska reliabilitet (Vanhatalo, 2009). Som nämnts tidigare är planeringen en av de viktigaste delarna då ett experiment ska utföras (Montgomery, 2001;
Olausson, 1992). Nedan beskrivs en arbetsgång för statistisk försöksplanering där alla väsentliga steg täcks in för att inget viktigt ska förbises.
1. Formulera problemet och definiera målet med försöket. Först bör problemet identifieras och formuleras på ett sådant sätt att alla iblandade parter har samma uppfattning om vad som ska undersökas (Montgomery, 2001; Olausson, 1992). Därefter ska målet definieras så att målformuleringen avgränsar och konkretiserar problemet. Målformuleringen ska även säkerställa att alla parter strävar mot samma mål.
2. Samla in förhandsinformation. Innan testet påbörjas är det viktigt att samla information gällande den process som ska studeras (Olausson, 1992). Informationen kan till exempel tillhandahållas genom att studera processbeskrivningar, studera resultat från tidigare utförda försök eller utföra mindre försök. Denna information kan vara till stor fördel vid val av resultatvariabel, faktorer och nivåer.
3. Val av resultatvariabel. Resultatvariabeln bör vara mätbar och förmedla användbar information om testet (Montgomery, 2001; Olausson, 1992). Det är inte ovanligt att ha flera resultatvariabler, dock bör dessa vara kvantitativa, som till exempel livslängd, tid eller ljudtrycksnivå.
4. Val av faktorer och nivåer. De faktorer som påverkar en process kan delas upp i potentiella designfaktorer och störande faktorer (Montgomery, 2001). De potentiella designfaktorerna inkluderar de faktorer som ska studeras, de som bör hållas konstanta och de som tillåts variera utan att de påverkar resultatet. Dessa faktorer bör vara oberoende av varandra, att en faktor varieras bör därför inte leda till att en annan faktor varieras automatiskt (Olausson, 1992). När designfaktorerna valts ut definieras en hög och låg nivå som dessa ska varieras mellan. De störande faktorerna klassificeras som kontrollerbara och okontrollerbara.
De kontrollerbara kan tillexempel vara vilken dag testet utförs. De okontrollerbara faktorerna kan ofta mätas och därmed kan dess påverkan kompenseras för.
5. Val av försöksutförande. Om ovanstående steg gjorts utförligt är detta steg relativt enkelt (Montgomery, 2001; Olausson, 1992). När försöksutförandet definieras ska antalet faktorer och antalet försök väljas samt i vilken ordning försöken ska utföras. Hur data ska samlas in bör definieras och även vilken osäkerhet som är acceptabel i de slutsatser som dras.
6. Utför försöket enligt planen. När experimentet utförs är det viktigt att det övervakas
konstant så att planen följs (Montgomery, 2001). Det är viktigt att faktorer som ska hållas
konstanta förblir så, eftersom det är vitalt att förutsättningarna är likvärdiga. Oförutsedda
händelser bör även antecknas eftersom de kan påverka resultatet och ha inverkan på analysen
(Olausson, 1992). Det kan även vara lämpligt att utföra initiala testrundor för att säkerställa
att testriggen och mätutrustningen fungerar som planerat samt för att öva på tekniken vid
testutförandet.
7. Analysera datamaterialet. Statistiska metoder bör användas för att analysera resultaten av försöken och för att säkerställa att slutsatserna blir objektiva (Montgomery, 2001; Olausson, 1992). Det kan vara fördelaktigt att presentera resultaten grafiskt för att få en överblick. En statistisk metod kan dock inte bevisa att en faktor har ett visst utfall, utan endast ge indikationer gällande reliabiliteten och validiteten för resultaten. Därmed kan statistiska metoder leda till att tillförlitliga slutsatser kan dras.
8. Dra slutsatser och rekommendationer. När resultaten har analyserats ska praktiska slutsatser dras och rekommendationer för fortsatt arbete bör presenteras (Montgomery, 2001;
Olausson, 1992).
3.3.3 Faktorförsök
Vid många experiment är syftet att studera effekten av två eller flera faktorer, faktorförsök är den mest effektiva metoden för den typen av försök. Inom dessa försök testas alla olika kombinationer av nivåerna för alla faktorer (Montgomery, 2001). När nivåerna väljs ut benämns de som en hög och en låg, vilka betecknas som (+) respektive (-). Om två faktorer betecknas A och B varieras presenteras försöksplanen som nedanstående tabell (Tabell 2).
Tabell 2. Exempel på försöksplan med två faktorer.
Försök Faktorer
A B Resultat dB(A)
1 + - #
2 - - #
3 + + #
4 - + #
När olika kombinationer av faktorerna testas varieras dessa tillsammans (Montgomery, 2001;
Olausson, 1992). Den typ av faktorförsök som är mest förekommande är faktorförsök med två nivåer. Dessa betecknas 2
k, där tvåan står för antalet nivåer, k anger antalet faktorer och potensen av dessa blir antalet försök. Fördelarna med att endast ha två nivåer är bland annat att det kan vara lättare att se vilka faktorer som har stor påverkan. Dock medför detta att linjära samband antas mellan faktorerna och resultatvariabeln. Vid faktorförsök kan resultatet analyseras på flera olika sätt, ett medelvärde av resultaten beräknas. Dessutom kan huvudeffekten för varje faktor beräknas, denna betecknas l
xoch innebär den genomsnittliga förändringen av resultatet när en faktor variera från låg till hög nivå. Eftersom faktorerna varieras tillsammans kan även samspelseffekten beräknas, vilken betecknas l
xy. Denna effekt anger om det finns något samspel mellan faktorerna. Om ett samspel förekommer betyder det att faktorn som varieras kommer påverka den andra faktorn.
Vid vissa försök är det nödvändigt att testa fler faktorer, dock medför detta att antalet försök
ökar exponentiellt med antalet faktorer (Olausson, 1992). Detta resulterar i att experimentet
tar längre tid, blir mer kostsamt och att det blir svårare att analysera resultatet. Ett fullständigt
faktorförsök med fyra faktorer resulterar i 16 tester med fyra huvudeffekter, 6 två-
faktorsamspelseffekter och 4 tre-faktorsamspelseffekter. Dock är det ofta så att det endast är
huvudeffekterna och två-faktorsamspelseffekterna som är intressanta och då kan ett reducerat
faktorförsök utföras istället för ett fullständigt.
Vid ett reducerat faktorförsök utförs färre tester än vid ett fullständigt faktorförsök, till exempel utförs bara halva försöksplanen, antalet försök blir då 2
k-1. Fördelen med att genomföra ett reducerat faktorförsök är att resurserna för testet minimeras.
Nackdelen är att resultatet inte blir lika pålitligt eftersom vissa effekter blir sammanblandade.
Detta betyder att det inte går att utskilja vilken effekt som ger vilket utfall. Till exempel beräknas huvudeffekten l
Aoch samspelseffekten l
ABsom;
l
A→ A + BCD = Huvudeffekt l
AB→ AB + CD = samspelseffekt
Den uträknade huvudeffekten för A blir sammanblandad med tre-samspelseffekten BCD, vilket betyder att resultatet är summan av dessa två effekter. Men om det antas att tre- samspelseffekten är obetydligt liten är det sannolikt att resultatet endas avspeglar huvudeffekten för A i alla fall.
Däremot blir två-samspelseffekterna svårare att analysera eftersom tvåsamspelseffekten för AB blir sammanblandad med två-samspelseffekten för CD (Olausson, 1992). För dessa är det inte lika självklart vilken effekt som har mest påverkan på resultatet. Det är därför viktigt att planera ett reducerat faktorförsök så att de effekter som är mest intressanta inte blir sammanblandade med varandra.
3.4 Mätutrustning
Det finns enkla enkanaliga instrument för att mäta ljud, till exempel ljudnivåmätare (Bodén, et al., 2001). Dessa mäter den totala ljudtrycksnivån i hela det hörbara området och med denna utrustning erhålls mätstorheten i decibel. Det går att ställa in hur långa integrationstiderna ska vara genom de standardiserade lägena, low och high.
För att kunna avläsa och analysera uppmätta ljudvärden på en dator kan programmet Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench, kortare benämnt LabVIEW användas (National Instruments TM, 2016). Detta är ett grafiskt programmeringsspråk som gör det möjligt att programmera och automatisera processer och mätinstrument i labbmiljö.
Genom det blir det enkelt att visualisera, skapa och koda tekniska system. Användaren kan
därmed individuellt anpassa programmet för att få ut mätdata, parametrar och resultat som
önskas. Programmet är framtaget av National Instruments och till detta program kopplas en
modul som omvandlar och överför ljudvågor som mätts upp med hjälp av en mikrofon.
4 GENOMFÖRANDE
I detta kapitel beskriv de metoder som använts under projektet och de pumpmodeller som undersökts, samt en teknisk beskrivning av olika skäranordningar. Därefter beskrivs det hur testerna av ljudnivån och pumparna utförts samt resultatet av detta.
4.1 Projektplanering
För att genomföra projektet strukturerat och åstadkomma ett så kvalitativt arbete som möjligt skapades och implementerades en projektplanering. Detta innebar att metoder för systematisk och effektiv produktutveckling användes och regelbundna möten med intressenter hölls.
4.1.1 Work breakdown structure, WBS
I detta projekt användes en Work Breakdown Structure, WBS, (Fairley, 2009) för att definiera vilka aktiviteter och uppgifter som skulle utföras under projektets gång. WBS:en är utformad som en trädstruktur där grenarna representerar olika uppgifter. Den högsta nivån består av huvudaktiviteterna: Förstudie, Konceptutveckling, Beräkningar, Tillverka prototyper, Tester, Vidareutveckla koncept och Slutförande. Under dessa redovisas delaktiviteter och uppgifter (Appendix 1).
4.1.2 Gantt-schema
Aktiviteterna som definierades i WBS användes sedan som en bas för att konstruera ett Gantt-schema (Matthews, 2012; Lester, 2014) (Appendix 2). Gantt schemat visualiserade hela projektets planering. I Gantt-schemat presenterades alla ingående aktiviteter kopplade till när de skulle utföras och hur lång tid de skulle ta. Tidsåtgången för de olika aktiviteterna definierades utifrån antaganden och i relation till den tidsbegränsning som fanns.
Aktiviteterna representerades av en horisontal stapel vars längd definierade hur lång tid aktiviteten skulle vara. Dessa svarade mot en kalenderskala för att definiera start och slutdatum för aktiviteten. Genom att visualisera projektet på detta sätt erhölls en överblick över projektets gång och framsteg. Gantt-schemat upprättades i början av projektet men hanterades som ett levande dokument under hela projektets gång och anpassades utifrån oförutsedda omständigheter.
4.1.3 Stage-Gate
Under projektet har en generell designprocess (kapitel 1.6) använts och inspiration har även tagits från Stage-Gate processen (Cooper, 2008). Fokus låg på att använda gater mellan de fyra faserna som definierades i designprocessen. Efter varje fas fanns det en gate där resultatet presenterades för handledarna. Sedan togs det gemensamt ett beslut om projektet skulle fortsätta in i nästa fas eller om vidare arbete skulle utföras i den föregående fasen.
Efter fas 4, där konceptutvecklingen pågick och prototyper tillverkades samt testades låg den
tydligaste gaten. Där togs beslut om vilket koncept som skulle vidareutvecklas och
presenteras som slutlig lösning. Gaterna i faserna innan handlade om att presentera resultat
och säkerställa att projektet låg i fas och fortgick i rätt riktning.
4.1.4 Riskanalys
En riskanalys utfördes för att i förväg identifiera potentiella risker som projektet stod inför.
På så sätt blev det möjligt att avgöra hur ett lämpligt tillvägagångssätt skulle se ut. De potentiella riskerna identifierades, vilket innebar att alla risker som möjligen kunde uppstå listades. Sedan bedömdes sannolikheten att dessa risker skulle förekomma och inverkan på projektet om riskerna inträffade. Faktorer värderades på en skala för att kunna avgöra vilka risker som var av högsta prioritet. Sedan kartlades riskernas sannolikhet och inverkan i ett diagram. Riskerna med hög sannolikhet och hög inverkan prioriterades. Sedan utvecklades åtgärder för varje risk för att snabbt kunna kontrollera eller minska problemen om de skulle uppstå (Maylor, 2010). Slutsatsen drogs att de risker som borde ges mest tid och uppmärksamhet var risken ”Ingen reservtid för tekniska problem" samt risken "Prototyperna går inte att testa som planerat". Åtgärden för den första risken var att försöka arbeta så effektivt som möjligt och hitta tillfälliga lösningar på de tekniska problemen. Åtgärden för den andra risken var att tillverka prototyper på annat sätt, använd andra material eller utforma testet annorlunda. Övriga potentiella risker, dess sannolikhet och inverkan samt åtgärder kan ses i Appendix 3
4.2 Kvalitativ datainsamling
I den kvalitativa datainsamlingen utfördes observationer och intervjuer. Dessa utfördes i syfte att samla in den kunskap som behövdes för att förstå pumpsystemen samt pumpen och dess konstruktion.
4.2.1 Observationer Utförande
För att skapa en djupare förståelse av pumpsystemens funktion och hur de är installerade hos användarna utfördes observationer på befintliga stationer på Ekerö. Fem olika pumpstationer besöktes och på dessa platser utfördes enklare ljudmätningar med hjälp av en ljudnivåmätare.
Pumparnas ljudnivå vid igångsättning, drift och sörpling uppmättes. Omgivningens ljud eller bakgrundsljudet mättes också upp för att kunna avgöra hur stor del av det uppmätta ljudet som endast orsakades av pumpen. Ljudnivåmätaren placerades cirka 50 cm ifrån ljudkällan på samtliga ställen och fem mätningar utfördes på varje pump för att få ett medelvärde.
Resultat och analys
Maxvärdet för alla pumpar uppstod vid sörpling. Ett medelvärde av bakgrundsljudet
beräknades till cirka 56 dB(A). Medelvärdet och maxvärdet för det uppmätta ljudet på
pumpstationerna kan ses i Tabell 3 nedan. Det visade sig att fyra av stationerna hade ungefär
lika hög ljudnivå, medan pumpen på Klyvarestigen hade något lägre ljudnivå. Detta berodde
förmodligen på att den sistnämnda pumpen hade ett radiellt skär och de fyra andra hade ett
axiellt skär.
Tabell 3. Ljudnivåresultatet för pumpstationerna som besöktes.
Plats Medelvärde, dB(A)
Maxvärde, dB(A)
Janne 77 81
Klyvarestigen 57 60
Linus 80 83
Svampen 86 91
Ica Skå 78 84
4.2.2 Intervjuer Utförande
Kortare intervjuer utfördes med tre personer på Xylem som varit involverade i framtagningen och utvecklingen av skäranordningen, se Appendix 4. Dessa intervjuer var semi-strukturerade med syfte att undersöka specifika konstruktionsdetaljer i skäranordningen. Genom intervjuerna skapades en förståelse för tankegången gällande nuvarande design och konstruktion. Intervjuperson 1 är avdelningschef och har varit mest involverad i utvecklingen av skärplattan och kniven. Intervjuperson 2 är pensionerad men har arbetat på Xylem i över 30 år och var med när företaget tog fram sin första grinderpump. Intervjuperson 3 är produktutvecklare och har varit delaktig i att 3D-modellera både kniven till DXG och kniven till 3069.
Resultat och analys
Intervjuperson 1 bidrog med mycket information om bland annat dimensionering, funktion och prestanda. Med hjälp av den erfarenhet och kunskap som Intervjuperson 2 besitter kunde funderingar kring skäranordningens ursprungliga utformning redas ut. Teorier och resultat från de första grindertesterna som utfördes 1982 diskuterades, vilket bidrog till många värdefulla råd som kunde appliceras under konceptutvecklingen. Från Intervjuperson 3 anskaffades information om nuvarande problem gällande konstruktion, produktion och montering. Dessa aspekter gav en anvisning om vad som bör tas hänsyn till vid framtagningen av en ny skäranordning.
4.3 Teknisk beskrivning av skäranordningar
4.3.1 Utförande
I den tekniska genomgången studerades Xylems nuvarande skäranordningar genom att skruva lös dessa från respektive pump. Fem olika skäranordningar undersöktes. Detta gjordes för att få en uppfattning om specifika konstruktionsdetaljer för olika skäranordningar. Konkurrenters pumpar undersöktes genom internetsökningar för att kunna samla in produktdatablad. De företag vars produkter granskades var Robota AB, Scandia Pumps, Pentair, Sulzer och Baga.
Dessa företag valdes ut för att de är stora återförsäljare av grinderpumpar.
4.3.2 Xylems skäranordning
Även fast skäranordningarna är olika i utseende och design har de samma grundläggande funktion, med hjälp av en skärplatta och en kniv ska fasta föremål kunna skäras sönder.
Kniven, som roterar vid drift, har tre blad med skarp skäregg på undersidan. Kniven monteras i centrum av skärplattan med en liten frigång för att komponenterna inte ska vara i direkt kontakt och slita ner varandra. Skärplattan kan ha olika antal hål, som är utformade för att skära material när knivens blad roterar över hålen. Skärplattan har slipats för att uppnå en fin yta som möjliggör vassa skär.
DXG har två olika skär som i stort sätt är utformade på samma sätt. Det som skiljer dem åt är främst att den ena skärplattan har åtta stycken skärhål medan den andra endast har fyra stycken (Figur 14). Skärplattan med fyra hål har i och med det ett mindre genomlopp som minskar det maximala flödet, för att pumpen inte ska överbelastas. På skärplattan med fler hål går två av de frästa spåren hela vägen in till centrum, vilket är en uppdatering från den andra konstruktionen. Knivarna är i princip desamma för båda modellerna. De har en strömlinjeformad design med en lätt lutning upptill för att kunna stöta bort hårda föremål som inte går att finfördela. När skärplattan fick en ny version ändrades även kniven då ett radiellt skär frästes ut på sidan av kniven mellan två av bladen. De frästa spåren som går hela vägen in till centrum samt det radiella skäret på kniven är två förändringar som gjorde skäranordningen mycket mer effektiv. Detta bidrog till att föremål som förut kunde fastna i frigången mellan kniven och skärplattan kunde skäras sönder. Ett exempel på hur det kan se ut när föremål fastnar och stoppar skäranordningen kan ses i Figur 15 nedan.
Figur 14. DXG skäranordningar, äldre version till vänster och nyare till höger.
Figur 15. Skäranordning där fasta föremål fastnat mellan kniv och skärplatta.
Skäranordningen till 3068 har ett skär som liknar DXG, men anordningen är lite enklare i konstruktionen. Skärplattan har åtta skärhål men har inga utfrästa detaljer eller spår mot centrum av plattan. Kniven på 3068 är lite större och kantigare samt rak upptill, dock saknas det radiella skäret som konstruerades vid uppdateringen av DXG, se bilden till vänster i Figur 16 nedan. Pumpmodellen 3069 är den nyaste modellen av pump och således även skäranordningen. Skärplattan är i princip konstruerad som DXG förutom att den har något större dimensioner i och med att det är en större pump (Figur 16). Kniven har nästan samma utformning som 3068. Skillnaden är att knivarna har olika typer av infästningar samt att 3069s kniv även har ett radiellt skär mellan bladen.
Figur 16. Till vänster, 3068 skäranordning och till höger 3069s skäranordning.
Modellen 3085 skiljer sig mest från de övriga skäranordningarna i konstruktionen.
Anordningen består av en skärring med vassa urgröpningar och en kniv med två skär i radiellt
led istället för axiellt led (Figur 17). När kniven roteras finfördelas föremålen mellan de
radiella skären och urgröpningarna.
Figur 17. Kniv och skärring tillhörande 3085.
4.3.3 Konkurrenters produkter
Resultatet av konkurrentundersökningen visade att de flesta skäranordningar är väldigt snarlika i utformningen. Likt Xylems pumpar består de av en skärplatta och en kniv som roterar över skärhålen. Vissa mindre skillnader kunde uppmärksammas gällande storlek, riktning och antal skärhål samt knivens design, men inga påtagligt stora olikheter. Pentairs Jung pumpen multicut och Robota AB avloppspump av skärande typ visas i Figur 18.
Figur 18. Ett urval av konkurrenters pumpar.
4.4 Tester av valda pumpmodeller
Som en del av testningen av pumpmodeller beskrivs arbetsgången som följts, hur testriggen var uppbyggd samt själva testerna och resultaten från dessa.
4.4.1 Arbetsgång vid testförsök
För att testa och utvärdera pumparna som undersöktes inom projektet användes en statistisk försöksplanering, som nämnts i kapitel 3.3.2. Problemet som identifierades var att ljudnivån för pumparna med skäranordning gav upphov till högre ljudnivå än önskvärt. Syftet med testerna var därför att undersöka ljudnivån för pumparna under olika förhållanden, till exempel med eller utan skärplattan. Innan testerna utfördes krävdes viss förhandsinformation, som samlades in i två delar. Den ena delen var att samla in information om pumparna och skäranordningarna. Detta gjordes genom att konsultera medarbetare på Xylem och genom att studera datablad och produktspecifikationer. Den andra delen var att samla information gällande ljud och ljudmätning. Detta utfördes också genom att konsultera kunniga medarbetare men även genom att studera teori. För att få ut användbar information av testerna var de resultatvariabler som valdes ut ljudtrycksnivå och frekvens. Vid det initiala försöket utformades en förenklad modell, därför har inte faktorerna höga och låga nivåer.
Pumpmodellerna 3068, 3069, DXG och DXGT skulle testas på fyra olika sätt,
•
Med komplett skäranordning inkluderande både skärplatta och kniv
•
Utan skäranordning
•
Med endast skärplatta
•
