Obsah
Seznam použitých zkratek a symbolů... 8
Úvod... 9
1 Popis prototypu ... 10
1.1 Funkce prototypu ... 10
1.2 Konstrukce prototypu ... 10
1.3 Popis nedostatků prototypu... 13
1.4 Oběh média v systému ... 14
2 Plánování inovace míchacího systému ... 15
2.1 Identifikace inovačních příležitostí... 15
2.2 Inovační záměr... 15
2.3 Alokace zdrojů ... 16
2.4 Harmonogram inovace... 16
2.5 Inovační prohlášení... 17
3 Identifikace zákaznických potřeb ... 18
4 Průzkum známých řešení ... 20
4.1 Míchací stroje ... 20
5 Návrh nových variant řešení ... 24
5.1 Stávající řešení ... 24
5.1.1 Průhyb dna recipientu ... 25
5.1.2 Krouticí moment na hřídeli... 30
5.2 Jednotlivé návrhy nových řešení... 35
5.2.1 Využití TRIZ při tvorbě variant... 36
5.2.2 Varianta 1 – lisovaná hřídel ... 39
5.2.3 Varianta 2 – šroubovaná hřídel ... 41
5.2.4 Varianta 3 – svařované lopatky ... 43
5.2.5 Varianta 4 – šroubované lopatky ... 44
5.2.6 Varianta 5 – jednodílné lopatky... 45
5.2.7 Zhodnocení a výběr varianty ... 46
5.3 FMEA ... 48
6 Realizace nového konceptu ... 49
6.1 Nová konstrukce ... 50
6.2 Rozpočet inovace ... 53
6.3 Přínos inovace... 53
Závěr ... 56
Seznam použité literatury a zdrojů ... 57
Seznam příloh ... 58
Seznam použitých zkratek a symbolů
kg – kilogram mm – milimetr µm – mikrometr V – volt
TRIZ – teorie řešení inovačních zadání FMEA – Failure Mode and Effect Analysis
STEP – Standard Template for Electronic Publishing TUL – Technická universita v Liberci
DFX – Design for X
Úvod
Cílem diplomové práce je zlepšení homogenity míchání na vakuovém míchacím systé- mu, který je určen pro zpracování polyethylenového prášku. Ve zprávě je popsán jeho prototyp a na základě požadavků zákazníka bude navržena jeho nová konstrukce. Ta zajistí přívod plynu ode dna recipientu a následně zrychlí promíchání celého objemu prášku uvnitř recipientu. Jednotlivé díly nové konstrukce budou vyrobeny v externí fir- mě a po montáži systému bude ověřena správnost nového řešení.
Cílem diplomové práce není zkoumání a inovace vlastního procesu míchání. Úkolem je seznámit se s možnostmi míchání plastových prášků a pokusit se je aplikovat na stávají- cí prototyp tak, aby pracovní plyn vstupoval do prostoru recipientu ode dna, čímž dojde ke zlepšení homogenity míchané směsi. Nové vlastní řešení bude popsáno, nakresleno a ověřeno.
1 Popis prototypu
Prototyp DN630 je míchací vakuový systém určený pro míchání polyethylenového prášku za účelem modifikace vlastností jeho zrn. Stroj se nachází na pracovišti Katedry materiálů v turnovské laboratoři.
1.1 Funkce prototypu
Stroj byl zkonstruován tak, aby byl za jeho chodu promícháván substrát a zároveň došlo ke změně vlastností zrn. Princip procesu změny vlastností zrn mi nebyl bohužel sdělen z důvodu utajení, proto zde bude popsán zjednodušeně.
Do recipientu se vysype polyethylenový prášek, který je pravidelně promícháván lopat- kami umístěnými u dna. Recipient je připojen na vakuovou pumpu, která vysává vzduch na potřebný stupeň vakua. Po dosažení mezního tlaku je připouštěn nespecifikovaný plyn jakožto pracovní médium. Po dosažení pracovního tlaku je pomocí MW zařízení v horní části recipientu generován plasmový výboj. Proces modifikace je dán určitým časovým rozpětím, na kterém je závislý čas modifikace jedné dávky. Po dokončení pro- cesu je celý objem prášku vysypán otvorem ve dně recipientu do přistavené nádoby a je připraven pro další zpracování.
Ve stroji se zpracovává dávka o velikosti 5 nebo 10 kg, zrna prášku mají velikost 30 nebo 350 µm. Pro návrh řešení nové konstrukce budou použity mezní podmínky při chodu stroje, a sice 10kg dávka o velikosti zrna 350 µm.
1.2 Konstrukce prototypu
Hlavní částí systému je recipient ve tvaru bubnu, ve kterém je zachováno vakuum a kde se odehrává vlastní proces míchání a modifikace vlastností zrn prášku. Recipient je vy- roben z nerezové oceli a je složen z bubnu a víka. Funkční průměr víka má velikost 666 mm a funkční výška stěny bubnu má hodnotu 186 mm. Soudržnost recipientu zajiš- ťuje 32 upínek, upnutých po jeho obvodu. Na boční stěně bubnu je navařeno šest držá- ků, určených pro ustavení bubnu na pracovní stůl. V horním víku se nacházejí otvory
pro vstup pracovního plynu, plazmy a otáčející se hřídele. Dále je zde otvor na sledová- ní děje uvnitř recipientu a vstup pro měřicí přístroje. Stroj je znázorněn na obrázku č. 1.
Obr. 1: Popis celého stroje
Vstup hnací hřídele přes horní víko je zajištěn přes dvě přechodky, ve kterých jsou umístěna teflonová ložiska pro uložení hřídele a vyskytují se zde také o-kroužky, které utěsňují prostor pro míchání (obr. 2). Díky nim se může hřídel otáčet a zároveň se po- hybovat ve směru vlastní osy, aniž by došlo k porušení vakua uvnitř systému. Na víko recipientu je přišroubovaná výztuha z důvodu možného průhybu víka vlivem vakua uvnitř recipientu. Výztuha je ve tvaru rakety a je tvořena pěti díly, které jsou k sobě přivařeny. Prostřední částí výztuhy je vedena hnací hřídel k pohonu celého systému.
Pohon zajišťuje elektromotor značky Siemens a planetová převodovka, které jsou spo- jeny s výztuhou víka šroubovými spoji. Otáčky a krouticí moment, který vystupuje
z motoru je redukován planetovou převodovkou a přes pero vstupuje na hnací hřídel.
Ta ho vede až na dno recipientu, kde je opět přes pero veden na náboj lopatek. Otáčky vystupující z převodovky mají hodnotu 10 min−1 a krouticí moment má velikost 170 Nm, který však není zcela využit. Velikost krouticího momentu na hřídeli je tedy závislá pouze na odporu míchaného prášku a na tření v ložiscích.
Obr. 2: Detail horní přechodky
Lopatky se skládají z náboje, na kterém jsou přivařeny dva listy ve tvaru obdélníku, které svírají úhel 45° se dnem recipientu (obr. 3). Tento úhel byl zvolen po předchozích pokusech pracovníků Katedry materiálů. Náboj lopatek není připevněn na hnací hřídeli pevně, může se však posouvat v ose hřídele. Toto opatření je zde zavedeno z důvodu průhybu dna recipientu vlivem vakua uvnitř recipientu. Promíchaný prášek vystupuje ze systému otvorem ve dně bubnu. Zde se nachází pohyblivá deska, která se otáčí kolem osy recipientu a je ovládána ručně. Otvorem na dně recipientu je tedy všechen prášek vysypán do přistaveného transportního zařízení.
Obr. 3: Pohled do recipientu
1.3 Popis nedostatků prototypu
Hlavním nedostatkem a důvodem proč se inovace zařízení provádí je nedostatečná mo- difikace vlastností všech zrn polyethylenového prášku. Jak již bylo zmíněno, proces modifikace vlastností probíhá na vrchní vrstvě míchané směsi (obr. 4), kde dojde ke kontaktu zrn prášku s plasmou. Na prototypu vzniká problém, že ne všechna zrna prášku se vždy dostanou při míchaní do vrchní vrstvy a zůstávají u dna recipientu. Na- víc nestačí, aby se zrna dostala do kontaktu s plasmou pouze jednou během výrobního cyklu. Záměrem inovace je tedy dosáhnout co nejlepší homogenity míchání během da- ného modifikačního cyklu tak, aby se každé zrno dostalo co nejčastěji do kontaktu s plasmou.
.
Obr. 4: Rozložení prášku v recipientu
Další nedokonalost systému se ukrývá v pohonu lopatek. Hnací hřídel, která přenáší krouticí moment, je vyrobena jako jeden kus a je usazena v ložiskách. Na vrcholu vý- ztuhy víka recipientu je spojena spojkou s převodovkou a končí až u dna recipientu, kde je spojena pomocí pera s nábojem lopatek. Vzhledem k nedokonalé souososti výztuhy víka vlivem její svařované konstrukce a hnací hřídele, nejsou lopatky v ideální vodo- rovné poloze. Míchání tak není rovnoměrné a zároveň je zde nebezpečí netěsnosti vli- vem nesouososti převodovky, průchodky a ložisek, které vzniklo konstrukcí rakety.
1.4 Oběh média v systému
Celý systém je napojen na pumpu, která z něho odčerpává vzduch a vytváří tak vakuum uvnitř recipientu. Na druhé straně je do systému po odčerpání vzduchu přiváděno médi- um, které vstupuje do prostoru recipientu a následně je také odsávané pumpou. Vstup i výstup média z prostoru recipientu je realizován přes dva otvory v horním víku recipi- entu. Celý oběh tedy zajišťuje pumpa, která nasává plyn přes systém. Rychlost proudění plynu je ovlivněna škrticím ventilem na vstupu a výkonem pumpy. Vzhledem k tomuto řešení vzniká uvnitř recipientu podtlak. Horní víko, dno a stěna recipientu jsou tedy namáhány atmosférickým tlakem z okolí.
2 Plánování inovace míchacího systému
Plánování inovace je první fází celého inovačního procesu. Jejím cílem je výběr výrob- ku nebo skupiny výrobků, které budou určeny k inovaci a vypracování harmonogramu pro jejich zavedení na trh nebo pro jejich předání zákazníkovi. Při správném průběhu nám fáze plánování inovace zaručuje, že výsledný produkt bude hodnotný. Během plá- nování inovace musíme brát na vědomí více aspektů. Musíme se rozhodnout, zda se jedná o nový či derivovaný výrobek, jak moc časově náročná inovace bude, jaký bude finanční cíl a rozpočet inovace, zda budou do inovace zahrnuty nové technologie atd.
Pro správné vedení plánování inovačního procesu existuje sled metodických postupů, které tuto fázi zrychlují a zlepšují. [7]
2.1 Identifikace inovačních příležitostí
Inovace prototypu vakuového míchacího systému, popisována v této práci, je založena na dílčím zlepšení současného stavu zařízení. Pro zjištění inovačních příležitostí byly absolvovány konsultace s vedoucím projektu na Katedře materiálů, pod kterou inovova- ný stroj spadá. Pro lepší pochopení problémů byla uskutečněna návštěva v turnovské laboratoři, kde byly problémy vysvětleny na fyzickém prototypu. [7]
2.2 Inovační záměr
Na základě zjištění inovačních příležitostí byl zformulován inovační záměr – ”Vytvořte derivaci vakuového míchacího systému pro míchání polyethylenového substrátu, umís- těného na pracovišti Katedry materiálů. Nová konstrukce by měla zajistit zlepšení ho- mogenity míchání během jednoho modifikačního cyklu. V systému musí být zachován klíčový proces modifikace vlastností zrn prášku, je tedy nutné zajistit přítomnost vakua a přístup plasmy. Nová konstrukce by měla být jednoduchá, lehká, lehce smontovatelná a rozebíratelná s ohledem na současný stav. Vytypované části náchylné na vyšší opotře- bení by měly být přístupné a lehce vyměnitelné. Systém by měl být dimenzován na ma- ximální provozní zatížení, tedy na míchání dávky 10 kg o velikosti zrna 350 µm”. [7]
2.3 Alokace zdrojů
Jedním ze základních stavebních kamenů každé inovace jsou zdroje, které proces vyža- duje pro své úspěšné dokončení. Zdroje dělíme na lidské a materiálové. Alokace zdrojů nám pomáhá zajistit efektivní nasazení zdrojů do projektu. Nemělo by se tedy stát, že potřební pracovníci budou zároveň pracovat na několika dalších projektech a jejich vy- tížení bude příliš vysoké. Metodou využívanou pro eliminaci těchto negativních projevů je tzv. souhrnné plánování. Tato metoda zajistí, že zdroje budou využity tak, aby byl projekt dokončen v plánovaném čase a aby nedošlo k překročení rozpočtu.
V souhrnném plánování jsou porovnávány jednotlivé zdroje, které se účastní na projek- tu se zdroji dostupnými. Pro určení využití zdrojů slouží tzv. koeficient využití. Ten se vypočítá jako podíl potřeby zdroje a jeho dostupné kapacity. Dojde- li k překročení hra- nice 100 %, pak se během inovace vyskytne nedostatek zdrojů a projekt nemůže být realizován. Je vhodné index dimenzovat na zhruba 80 %, aby byly vytvořeny rezervy pro neočekávané události. [7]
2.4 Harmonogram inovace
Pro tento projekt byl vypracován harmonogram (příloha č. 1) v programu MS Project 2003. Harmonogram byl naplánován pro časový horizont čtyř semestrů, během kterých bylo nutné vypracovat tuto diplomovou práci. Plánování bylo odvozováno od limitního data ukončení projektu, které bylo totožné s datem odevzdání této práce. V Ganttově diagramu jsou znázorněny jednotlivé úkoly, ke každému je přiřazen jeden nebo více zdrojů, které se na daném úkolu podílí. Při tvorbě harmonogramu bylo nutné vzít v úvahu vytíženost jednotlivých lidských zdrojů, aby bylo možné projekt včas dokončit.
Dále se muselo počítat s realizací nového řešení, kdy bude třeba nechat vyrobit díly nové konstrukce a následně je smontovat. Nakonec bude nutno na prototypu odzkoušet funkčnost nového řešení.
2.5 Inovační prohlášení
Posledním krokem při fázi plánování je formulace tzv. inovačního prohlášení (tab. 1).
Zde se popíší směry, kam by měla inovace směřovat ve fázi vývoje produktu. Jedná se o přeformulování inovačního návrhu do jasných a pochopitelných cílů. Prohlášení musí obsahovat výrobkovou vizi, tedy klíčový přínos, který inovace přináší. Dále je třeba popsat obchodní cíle a nejen primární, ale i sekundární trh, pro který bude produkt ur- čen. Je nutné také uvést předpoklady a omezení, která by mohla být s používání produk- tu spojena a na která musí být ve fázi vývoje brán zřetel. Posledním údajem u inovační- ho prohlášení je výpis členů inovačního týmu, kteří se na prohlášení a potažmo na plá- nování inovace účastnili. [7]
Klíčový přínos Zlepšení homogenity míchání během da- ného modifikačního cyklu.
Klíčové obchodní cíle Úprava vlastností plastových prášků pro další zpracování.
Primární trh Katedra materiálů na TUL
Sekundární trh Firmy zabývající se zpracováním plasto- vých prášků.
Předpoklady a omezení
Údržba mechanismu, výměna dílů náchyl- ných na opotřebení, udržení vakua v pro- storu recipientu, zachování vybraných dílů systému.
Účastníci inovačního procesu Ing. Jan Hladík, Ph.D.
Bc. Radovan Kovář Tab. 1: Inovační prohlášení
3 Identifikace zákaznických potřeb
Metody pro identifikaci zákaznických potřeb pomáhají vytvořit informační kanál mezi lidmi na trhu a lidmi podílejícími se na samotné inovaci. Metody vycházejí z předpo- kladu, že členové inovačního týmu zainteresovaní na inovaci plánovaného produktu musí mít přehled o jeho celkové koncepci, důležitých parametrech a samozřejmě o jeho chování. Bez těchto vědomostí by členové inovačního týmu nebyli schopni navrhnout technická řešení správně. Cílem metod používaných na identifikaci zákaznických potřeb je přednostně identifikovat skryté a zřejmé potřeby zákazníka. Dále pomáhají zajistit, že nebude opomenuta žádná zásadní potřeba a usnadňují porozumět jednotlivým potřebám zákazníka.
KONSTRUKCE STROJE Vstup média do recipientu ode dna Zajistit bezproblémový průchod média
Jednoduché připojení média Zajistit vakuum uvnitř recipientu
Zajistit vstup plasmy
Zachovat vizuální dohled nad mícháním Zajistit jednoduché vysypání celého objemu prášku Eliminovat důsledky vzniklé konstrukcí výztuhy víka
Jednoduchá výměna míchané směsi Zachovat klíčové díly systému
FUNKCE STROJE
Zlepšit promíchání polyethylenového prášku Možnost míchání prášků o různých velikostech zrna
Možnost regulace míchání Variabilní délka míchání Regulace průchodu média strojem
BEZPEČNOST Bezpečnost provozu Možnost kdykoli zastavit stroj
ERGONOMIE Umístění stroje na hale Snadný přístup k ovládání stroje
CENA INOVACE
Minimální finanční náročnost inovace Použít co nejvíce stávajících dílů
Tab. 2: Afinní diagram
Potřeby zákazníka byly získány na základě interview s panem Ing. Janem Hladíkem, Ph.D., který zároveň vykonával funkce konsultanta a zadavatele této diplomové práce.
Byl tedy jediný, kdo mohl o prototypu vakuového míchacího systému poskytnout seri- ózní informace a tím byl považován za zákazníka. Jednotlivé potřeby byly logicky roz- děleny do úrovní významnosti podle toho, jak budou využity při realizaci inovace zaří- zení. Pro lepší přehlednost byl vytvořen afinní diagram (tab. 2).
Po rozdělení zákaznických požadavků do jednotlivých skupin je vhodné si tyto potřeby srovnat dle jejich relativní významnosti. Podle toho je jednoduše možné rozpoznat ty požadavky, na které je důležité se z pohledu zákazníka zaměřit. Tím se šetří čas a práce členů týmu. V tabulce č. 3 jsou označeny potřeby číslem 1 až 5. Ty, které budou ozna- čeny číslem 1 mají z pohledu zákazníka velmi malou významnost. Naopak požadavky s číslem 5 jsou pro zákazníka zásadní. [7]
Potřeba Relativní
významnost
Vstup média do recipientu ode dna 5
Zajistit bezproblémový průchod média 5
Jednoduché připojení média 2
Zajistit vakuum uvnitř recipientu 5
Zajistit vstup plasmy 5
Zachovat vizuální dohled nad mícháním 3 Zajistit jednoduché vysypání celého objemu prášku 4 Eliminovat důsledky vzniklé konstrukcí výztuhy víka 4
Jednoduchá výměna míchané směsi 3
Zachovat klíčové díly systému 5
Zlepšit promíchání polyethylenového prášku 5 Možnost míchání prášků o různých velikostech zrna 5
Variabilní délka míchání 2
Regulace průchodu média strojem 3
Bezpečnost provozu 5
Možnost kdykoli zastavit stroj 3
Umístění stroje na hale 1
Snadný přístup k ovládání stroje 1
Minimální finanční náročnost inovace 5
Použít co nejvíce stávajících dílů 3
Možnost regulace míchání 5
Tab. 3: Relativní významnost jednotlivých potřeb zákazníka
4 Průzkum známých řešení
Smyslem technologie míchaní plastů je smíchání základního polymeru s přísadami pro zlepšení jeho vlastností nebo pro výrazné zlepšení a usnadnění následného zpracování.
Míchání je proces, kdy dochází ke smíchání dvou a více složek v míchacím prostoru tak, aby bylo dosaženo požadované rovnoměrnosti rozložení jednotlivých komponentů ve výsledném produktu a aby byl dosažen požadovaný stupeň homogenity. Konečný stupeň homogenity však nemusí být dosažen hned při počáteční fázi míchání, ale teprve v následujících technologických operacích, jako vstřikování, válcování atd. Míchání se také používá pro promísení jednosložkového produktu za účelem modifikace jeho jed- notlivých částí. Míchání se aplikuje pro všechny stavy polymerů, které mohou být nej- častěji v kapalném, práškovém či granulovaném stavu.
Míchání dělíme podle odporu, který kladou promíchávané částice na míchací těleso, jež na ně působí, na dva případy. První variantou je míchání látek s nepatrným odporem proti posunutí (např. prášky) a druhou variantou jsou procesy míchání s velkým odpo- rem proti posunutí, které se dělí na intenzivní a extenzivní. Intenzivní míchání je tako- vé, kde stupeň homogenity závisí na stupni smykového namáhání (míchání kaučuků s přísadami). V tomto případě je hmota ve změklém stavu a jedná se tedy o hnětení.
Pro její zpracování se používají stroje, které se označují jako hnětiče. Při extenzivním míchání závisí stupeň homogenity na stupni tečení nebo na vytváření nového povrchu (např. míchání prášků s barvivy), používají se stroje označované jako míchačky. Pře- chod mezi míchačkami a hnetiči je skokový. Stroje jsou konstruovány od lehkých až po těžké konstrukce. [4]
4.1 Míchací stroje
Míchací stroje se používají k míchání lepidel, směsí, past atd. Typická je pro ně jedno- duchá a lehká konstrukce, která je přizpůsobena pro pohybující se nástroj (míchadlo).
Podle polohy osy otáčení nástroje se míchačky dělí na horizontální a vertikální. Speci- ální skupinou jsou míchačky bez pohyblivých elementů.
Bubnová míchačka, kterou řadíme mezi horizontální stroje, je nejčastěji využívané zaří- zení pro míchání sypkých hmot (obr. 5). U těchto strojů dochází k minimálnímu smy- kovému namáhání míchaného materiálu. Pokud je potřeba, jsou uvnitř bubnu apliková- ny úpravy na zlepšení promíchání hmot.
Obr. 5: Bubnová míchačka
Pásovou míchačku řadíme mezi horizontální stroje (obr. 6). Hnací těleso roztáčí pásy spirálově vinuté do tvaru válce, které přehrnují materiál uvnitř bubnu z jedné strany na druhou. Tyto míchačky jsou určeny k míchání práškových hmot. Pro míchání kapalin nebo past se pásy nahrazují lopatkami ve tvaru přerušované šroubovice.
Obr. 6: Pásová míchačka
Dvouramenná míchačka (obr. 7) je používána pro míchání lepidel, past, kaší atd. Má masivní konstrukci s velkým objemem nádrže až do 10 000 litrů. Dno nádrže je tvořeno
dvěma půlválci, v nichž se otáčejí dvě míchadla. Ta je možno volit z mnoha druhů tva- rů. Přední míchadlo je poháněno 1,5 až 2krát pomaleji, než zadní. Nádrž se chladí nebo vytápí a po ukončení procesu se vyklápí pootočením.
Obr. 7: Dvouramenná míchačka s příslušenstvím
Lopatková míchačka patří mezi vertikální stroje. Vyznačuje se lopatkovým tvarem mí- chadel a s velmi jednoduše vyměnitelnou míchací nádrží. Je používána pro míchání kapalin, lepidel a past. Planetová míchačka je vhodná pro míchání viskózních hmot, dále se používá pro přípravu past, roztoků, tmelů atd. Dvě míchací ramena, na kterých jsou připevněny lopatky, se pohybují kolem stěn nádoby a zároveň se otáčejí kolem vlastní osy. Výhodou jsou především jednoduché míchací nádoby, které je možné snad- no vyměnit a uzavřít. Lopatková a planetová míchačka jsou znázorněny na obrázku č. 8.
Obr. 8: Lopatková míchačka (vlevo), planetová míchačka (vpravo)
Fluidační míchačka (obr. 9) je typem vysokootáčkového zařízení schopného promíchat práškové hmoty. Dále se využívá pro homogenizaci, barvení apod. Motor přenáší krou- ticí moment přes řemenový převod na míchací nádrž stroje, která se otáčí kolem své osy rychlostí 30 až 60 m.s-1 a uvádí práškový substrát do vířivého pohybu. Během procesu naráží jednotlivé částice na rotor a stěny nádrže, čímž mezi nimi vzniká teplo. Dle pou- žité teploty je výsledná směs buď suchá nebo hrudkovitá. Míchačka se plní přes horní víko a výpusť je ve dnu nádrže. Cykly jsou v rozmezí 5 až 10 minut. Speciální míchač- ky jsou schopny dosáhnout takového míchacího účinku, že dokáží rozdělit tekoucí tave- ninu do několika proudů při jejich směšování a opětovném dělení. Nejčastěji jsou umis- ťovány před trysky stroje nebo před vytlačovací hlavu. [4]
Obr. 9: Fluidační míchačka
5 Návrh nových variant řešení
Jak již bylo v práci zmíněno, úkolem je dopracovat se k takovému řešení konstrukce systému, které zajistí zvýšení stupně homogenity míchání v prostoru recipientu a tím dojde k požadované modifikaci vlastností jednotlivých zrn. Pomocí metod inovačního inženýrství byly zformulovány cíle a požadavky zákazníka tak, aby nedošlo k opomenutí žádného významného faktoru. V souladu se zadáním byl proveden prů- zkum trhu v oblasti míchání plastových prášků.
V další části této práce bude provedeno několik návrhů nové konstrukce systému tak, aby stroj plnil svou funkci a byly tak splněny požadavky zákazníka. Veškeré klíčové vlastnosti, které by měl stroj mít, jsou popsány v již zmíněném afinním diagramu.
Z těchto požadavků se vycházelo při návrhu jednotlivých variant řešení. Při tvorbě no- vých návrhů konstrukce budou použity CAD systémy, které značně sníží časovou ná- ročnost jejich tvorby a eliminují rizika vzniku chyb. Jelikož zákazník využívá pro prá- ci prostředí programu Solidworks již od začátku realizace prototypu, pak na jeho přání budou jednotlivé varianty zpracovány v identickém prostředí. Pouze dílčí potřebné pev- nostní analýzy budou vypracovány v programu ProEngineer.
Po představení jednotlivých variant řešení bude vybrána po konsultaci se zákazníkem ta nejvhodnější, na kterou bude zhotovena technická dokumentace jako podklad pro její výrobu. Po montáži nových dílů na prototyp bude ve skutečnosti ověřena její funkčnost.
5.1 Stávající řešení
V první kapitole této práce byl popsán původní prototyp určený pro inovaci, a to jak jeho konstrukce, tak jeho funkce. Při návrhu nových řešení konstrukce je třeba se poučit z chyb předešlého řešení a pokusit se jich vyvarovat. Jedním z požadavků zákazníka však bylo zachování jistých součástí systému. V důsledku tohoto omezení přetrvají ně- které chyby z původního řešení i do nové konstrukce stroje a je třeba s nimi počítat.
Jedná se hlavně o nedokonalé vyztužení dna recipientu a o nesouososti vzniklé svařova- nou konstrukcí výztuhy horního víka recipientu. Na základě 2D výkresové dokumenta- ce, kterou dodal zákazník, byl vymodelován prototyp ve 3D prostředí (obr. 10).
Obr. 10: Model prototypu ve 3D
Práce ve 3D virtuálním prostředí přináší mnoho výhod oproti klasickým konvenčním metodám. Po vytvoření modelu ve 3D je možné měnit, vyjímat a vkládat jednotlivé komponenty do systému, a to bez vedlejších nákladů. Jelikož je tento projekt zaměřen na dílčí zlepšení systému, budou nahrazeny pouze některé komponenty. Ve 3D prostředí je možné tyto komponenty odstranit a určit rozměry pro nové komponenty tak, aby je bylo možné namontovat do systému. Tím se snižuje riziko výroby špatného dílu a ná- sledně se šetří čas i peníze za případné opravy. Ve 3D prostředí je možné provádět ana- lýzy, které budou využity a popsány i v této práci.
5.1.1 Průhyb dna recipientu
Zajištění vakua v prostoru recipientu je klíčovou podmínkou úspěšného chodu stroje.
Přítomnost vakua má však za následek, že vznikají deformace ve stěně a na obou víkách recipientu vlivem okolního tlaku. Největší deformace nastávají na středech obou vík, kde je možné naměřit jejich největší průhyb. Horní víko je vyztuženo výztuhou ve tvaru rakety, která jednak vede hnací hřídel od převodovky do prostoru recipientu, ale hlavně eliminuje průhyb samotného víka. Výztuha byla navržena a testována pracovníky Ka- tedry materiálů, proto není třeba se otázkou průhybu horního víka dále zabývat.
Závažnější situace však nastává na spodním víku recipientu. Zde jsou jako výztuhy po- užity dvě tyče se čtvercovým průřezem a výsypka. Výztuhy však nejsou tak účinné, aby nedošlo k zamezení jakékoli deformace. Pokud by se problém průhybu dna neřešil, mohlo by dojít k zadření celého stroje a následně k jeho poškození. Lopatky, které se otáčejí v prostoru recipientu a míchají substrát, jsou navařeny na náboji, který se otáčí spolu s hnací hřídelí pomocí pera. Na něm se náboj zároveň posouvá ve směru osy hří- dele. Pokud by byl náboj připevněn k hnací hřídeli napevno, pak by při průhybu dna směrem do prostoru recipientu došlo ke vzpříčení hřídele a k poškození systému.
Pro tvorbu návrhů nové konstrukce je tedy nutné zjistit, jak veliký je daný průhyb víka vlivem okolního tlaku.
Pro zjištění velikosti průhybu dna byla použita tzv. metoda konečných prvků. Jedná se o numerickou metodu, která je určena k simulaci průběhů napětí, deformací, proudění, vlastních frekvencí na vytvořeném fyzikálním modelu. Její princip spočívá v nahrazení kontinua jeho diskretizací na konečný počet prvků. Posuzované parametry jsou určová- ny v jednotlivých uzlech, které vznikají na rozhraní konečných prvků. Metoda je dělena do tří částí. První fází je Preprocessing, ve kterém je zahrnuta tvorba 3D modelu, připo- jení okrajových podmínek a vytvoření sítě skládající se z konečných prvků. Případně přidání dalších vlastností modelu. Ve druhé fázi, která je nazývána jako Processing, probíhá vlastní analýza modelu. Poslední fáze se nazývá Postprocessing. Zde jsou zob- razeny výstupy z výpočtů, tedy posunutí uzlů a mechanická napětí.
Jako software pro aplikaci metody konečných prvků byl použit ProEngineer verze M040 s modulem promechanica. Nejprve musela být převedena 3D data z prostředí Solidworks do prostředí programu ProEngineer (obr. 11). V programu Solidworks byl uložen zjednodušený 3D model ve formátu STEP. Ten je univerzálním mezinárodním formátem CAD dat, který je podporován mnohými softwarovými balíčky a popisuje objem tělesa pomocí uzavřených ploch. Následně byl 3D model otevřen v prostředí programu ProEngineer a pomocí modulu, který je součásti softwaru, byl automaticky vytvořen objemový model. Pro zjištění velikosti průhybu dna recipientu postačí zjedno- dušený 3D model, který se skládá ze spodního víka recipientu, dvou výztuh, výsypky a příruby výsypky. Jedná se o komponenty, které mají přímý vliv na velikost průhybu dna recipientu. Použití modelu celého prototypu je v tomto případě zbytečné a nevhod- né z hlediska složitosti výpočtu a časové náročnosti zpracování.
Obr. 11: Převod modelu z prostředí Solidworks do prostředí Proengineer
Dalším krokem byla aplikace okrajových podmínek na model, čímž rozumíme uložení a zatížení modelu stejně, jako by tomu bylo ve skutečnosti. Pro definici okrajových pod- mínek byl zvolen kartézský souřadný systém. Při definici geometrických podmínek modelu je nutné zakázat posunutí uzlů v jednotlivých osách tak, jako by se tam nachá- zela stěna recipientu, ke které je spodní víko ve skutečnosti připevněno. Na obrázku č.
12 je znázorněno uložení modelu s nulovým posunutím ve všech třech osách systému.
Obr. 12: Definice uložení modelu
Dále bylo třeba zatížit model tak, jak na něj působí síly ve skutečnosti, čili provedení aplikace silových podmínek. Jak již bylo zmíněno, vlivem vakua uvnitř recipientu je jeho spodní víko namáháno okolním atmosférickým tlakem, který má velikost 0,1 MPa.
Aplikace zatížení na model je znázorněna na obrázku č. 13.
Obr. 13: Definice zatížení modelu
Aby bylo možné spustit analýzu, bylo třeba definovat materiál jednotlivých komponen- tů modelu a vytvořit síť konečných prvků. Na základě úvahy, že průhyb bude největší na středu víka, byl v daném místě vytvořen tzv. surface region. V této oblasti byla defi- nována menší vzdálenost jednotlivých uzlů pro tvorbu sítě, než by vygeneroval automa- ticky program (obr. 14).
Obr. 14: Surface region s měřítkem posuvu
Do tohoto regionu bylo také umístěno měřítko posunutí uzlů v ose Y, tedy ve směru průhybu dna recipientu. Díky tomuto měřítku bude úloha počítána pouze v daném mís- tě, což zpřesní výsledek a značně zkrátí dobu výpočtu. Síť je automaticky tvořena tetra prvky, které mají tvar trojúhelníku a kterých bylo pro potřebu vyřešení úlohy vytvořeno 5 740. Vygenerovaná síť je znázorněna na obrázku č. 15.
Obr. 15: Síť tvořena tetra prvky
Metoda konečných prků obsahuje několik algorytmů, kterými je možné úlohy počítat.
Pro zjištění průhybu dna recipientu byla využita P-konvergence, někdy označována jako P-metoda. Smysl této metody je ve změně struktury polynomů aproximačních funkcí při daném počtu prvků. Při výpočtu rovnic se tedy nemění síť modelu, ale postupně se zvy- šují stupně polynomů. U zvyšování stupně polynomu se numerické řešení musí blížit k řešení spojitého problému. Správnost výpočtu úlohy dokazuje konvergence řešení, přičemž se jedná o monotónní konvergenci vyjádřenou zespoda (obr. 16).
Obr. 16: Konvergence řešení, přiblížení spojitému řešení
Po provedení výpočtu v programu byla zjištěna hodnota posunutí uzlů v ose Y, a tedy hodnota průhybu dna recipientu, která má velikost 0,11 mm. S touto hodnotou bude
počítáno dále při tvorbě konstrukčních návrhů. Na obrázku č. 17 je znázorněn výsledný model, kde jsou barevně odlišeny jednotlivé oblasti tak, jak veliké posunutí uzlů se v nich nachází. Červenou barvou jsou značeny oblasti s největším posunutím uzlů. [2]
Obr. 17: Výsledná velikost průhybu dna recipientu (posunutí uzlů)
5.1.2 Krouticí moment na hřídeli
Během provozu stroje se otáčí hnací hřídel a spolu s ní i lopatky, které promíchávají substrát. Na hřídel je od motoru přes planetovou převodovku přenášen krouticí moment, který má údajnou velikost 170 Nm. Krouticí moment však není zcela spotřebován, a proto hřídel není skutečně namáhána zmíněným momentem. Ten je závislý výhradně na odporu míchaného prášku a samozřejmě na tření v ložiskách. Pro zjištění jeho veli- kosti byla oslovena Hydrodynamická laboratoř spadající pod Katedru částí a mechanis- mů strojů na TUL. Zde byl podán návrh na měření, který byl konzultován s vedoucím laboratoře. Měření probíhalo na prototypu v turnovské laboratoři.
V prvním kroku bylo třeba zjistit, kde na hřídeli vzniká největší krouticí moment, tedy kde se nacházejí největší deformace a kde bude vhodné provést vlastní měření. Pro ten- to úkol byla opět použita metoda konečných prvků jako u kontroly průhybu dna recipi- entu. Nejprve byl vytvořen 3D model, následně byl zatížen okrajovými podmínkami tak, jako je skutečná hřídel zatížena na prototypu. Pro zadání okrajových podmínek byl
použit cylindrický souřadný systém. Model byl na konci pevně uchycen a uložen do ložisek dle skutečnosti tak, aby se mohl otáčet kolem své osy. Dále byl na konci za- tížen krouticím momentem zvolené velikosti, simulující odpor lopatek při otáčení. Ná- sledně byla vygenerována síť konečných prvků spolu se zadáním materiálu modelu.
Opět byla v místě předpokládaného výskytu největšího napětí síť zhuštěna pro dosažení přesnějších výsledků (obr. 18).
Obr. 18: 3D model hřídele s okrajovými podmínkami, materiálem a sítí
Po dokončení analýzy, při které byla použita opět P-metoda, byl vygenerován průběh napětí na součásti (obr. 19). Z obrázku vyplývá, že největší měřitelná deformace na hří- deli je na její spodní části, označené světle zelenou barvou. Toto místo je ideální pro následné měření na prototypu.
Obr. 19: Průběh napětí na hřídeli
V dalším kroku následovalo vlastní měření přímo na prototypu. Nejjednodušším způso- bem, jak změřit velikost krouticího momentu na hřídeli, je použití snímačů pro měření
deformace, tzv. tenzometrů. Tenzometr je vodič, který se deformuje spolu se zkouše- ným objektem a měří se změna odporu tohoto vodiče, která je úměrná jeho deformaci.
Tenzometr je přilepen k objektu a musí být umístěn tak, aby směr jeho deformace byl stejný jako směr deformace objektu (obr. 20). V případě hřídele, která je zatížena krou- ticím momentem, probíhá deformace součástí po trajektorii šroubovice. Po správném připevnění tenzometru na hřídel byl na jeho konce připájen kabel, který zajišťuje komu- nikační spojení s počítačem. Při měření se bude kabel navíjet na hřídel, je proto nutné dbát na jeho dostatečnou délku. [6]
Obr. 20: Připevněný tenzometr na hřídeli ve směru průběhu deformace
Před vlastním měřením bylo nutné provést kalibraci. Během ní byla zjištěna převodní konstanta, díky které bude možné hodnoty naměřené tenzometrem ve V převést na hod- noty v požadovaných jednotkách Nm. Kalibrace spočívá v porovnání změřené síly na známém poloměru při umělém zatížení hřídele krouticím momentem a hodnot získa- ných tenzometrem. Na obrázku č. 21 je znázorněn průběh kalibrace. Na lopatce byl od- měřen poloměr, který představuje vzdálenost umístění siloměru od osy hřídele. [6]
Obr. 21: Průběh kalibrace
Po umělém vyvození krouticího momentu naměří současně siloměr i tenzometr jisté hodnoty, jejichž závislost je znázorněna v grafu č. 1. Pro zpřesnění výsledků bylo zatí- žení provedeno třikrát a ze zjištěných hodnot byla vypočítána průměrná převodní kon- stanta elektrického napětí měřeného na tenzometru na krouticí moment, která má veli- kost 113,1 Nm/V. Hodnoty elektrického napětí naměřené na tenzometru je třeba násobit tímto číslem, abychom dostali krouticí moment v Nm. [6]
Graf 1: Kalibrace
Po úspěšné kalibraci byl do recipientu nasypán polyethylenový prášek a bylo zahájeno vlastní měření skutečného zatížení hnací hřídele. Jak již bylo zmíněno, na stroji bude míchán substrát o velikosti zrna 30 µm a 350 µm a dávkách 5 kg a 10 kg. Měření bylo provedeno pro obě velikosti zrna. V grafu č. 2 je znázorněna závislost průběhu krouticí- ho momentu na době míchání pro substrát složený ze zrn o velikosti 30 µm a dávkách 5 kg a 10 kg.
Graf 2: Velikost krouticího momentu při velikosti zrna 30 µm a dávce 5 kg a 10 kg
Graf č. 3 znázorňuje hodnoty krouticího momentu při maximálním provozním zatížení stroje, protože pro měření byl použit substrát o velikosti zrna 350 µm a dávce 10 kg.
Měření proběhlo dvakrát. Z grafu plyne, že průměrná hodnota krouticího momentu na hřídeli je 8 Nm. Vyskytují se zde však výkyvy, způsobující pulsující zatížení hřídele, které jsou způsobeny vrstvením substrátu před lopatkami. Během nabývání substrátu krouticí moment stoupá a po přepadnutí materiálu přes okraj lopatky odpor prášku klesne. Pro konstrukční návrhy bude použita hodnota krouticího momentu 13 Nm.
Graf 3: Velikost krouticího momentu při velikosti zrna 350 µm a dávce 10 kg
5.2 Jednotlivé návrhy nových řešení
Ze stávající konstrukce a omezení prototypu plyne, že pole působnosti pro nové návrhy na zlepšení míchání není příliš veliké. Aplikace známých řešení míchání na původní prototyp je tedy značně problematická. V našem případě je možné aplikovat dva způso- by míchání.
Prvním způsobem je fluidační míchání, které vychází ze známého řešení používaného na trhu. Z dřívějších pokusů v laboratoři na malém prototypu však plyne, že tento způ- sob míchání je nevhodný. Během tohoto procesu se sice zrna prášku dostávají opakova- ně ode dna do vrchních vrstev substrátu, kde dochází k jejich modifikaci. Zároveň se však některá zrna dotknou horního víka, kde dojde k jejich spečení a tím pádem k znehodnocení celé míchané dávky.
Druhým způsobem je již aplikovaný nejjednodušší mechanismus dvou lopatek otáčejí- cích se u dna recipientu kolem středové osy. Úhel natočení lopatek vůči dnu a jejich výška byly zjištěny mnohými pokusy v laboratoři, a proto není vhodné je měnit.
V tomto případě však nedochází k přemisťování zrn ode dna na povrch substrátu. Je tedy zřejmé, že známé konstrukce strojů, které jsou určené pro míchání plastových prášků, nelze v našem případě aplikovat. Při tvorbě nových návrhů bude využito meto- dy TRIZ. Nová konstrukce bude navrhována s ohledem na DFX v závislosti na prototy- pu.
Při tvorbě nových variant řešení bude vycházeno ze současného stavu prototypu a z požadavků zákazníka. Tento projekt je zaměřen na dílčí zlepšení systému, proto bu- dou nahrazeny pouze některé komponenty. Části systému, které zůstanou zachovány, určí zákazník. Dosažení vakua je na prototypu realizováno pomocí tzv. o-kroužků. O- kroužek je těsnění z pryže určené k zabránění nežádoucí propustnosti nebo ztráty kapa- liny či plynu. Těsnicí schopnost je závislá nejen na o-kroužku, ale i na zástavbovém prostoru. Při použití o-kroužků se může hřídel nejen otáčet, ale i omezeně posouvat ve směru vlastní osy. Na přání zákazníka bude tento princip těsnění zachován i do no- vého návrhu konstrukce. Pro lepší vizualizaci prototypu bude použito 3D prostředí.
Na obrázku č. 22 je znázorněn prototyp vakuového míchacího systému, kde jsou červe- ně vyznačeny komponenty, které mohou být při inovaci nahrazeny nebo odstraněny.
Naopak šedé díly si zákazník přeje zachovat. 3D model byl zhotoven na základě 2D výkresové dokumentace, kterou dodal zákazník.
Obr.22: Komponenty možné k výměně či odstranění
Komponenty určené pro možnou výměnu či odstranění tvoří vlastní zařízení, které za- jišťuje míchání substrátu. Jedná se o hnací hřídel, která přenáší krouticí moment od pře- vodovky až do lopatek. Dále bude možné nahradit spojku hnací hřídele a hřídele převo- dovky, horní i dolní přechodku včetně ložisek a o-kroužků, teflon, lopatky a pera.
Ostatní části systému musí zůstat zachovány, což značně limituje aplikaci nových mož- ností na systém v rámci inovace.
5.2.1 Využití TRIZ při tvorbě variant
TRIZ je zkratka složená ze začátečních písmen metody pro kreativní generování nových technických návrhů. Tato metoda vychází z názoru, že svět okolo nás je systémový a jednotlivé systémy vznikají a rozvíjejí se podle objektivních zákonů. Tyto zákony byly objevovány a shromažďovány dlouhou dobu a slouží ke zdokonalení technických systémů. Ideální systém by byl takový, pokud by vůbec neexistoval, ale jeho funkce by
se uskutečnila. Tedy v našem případě by v prostoru recipientu nebyl žádný míchací prvek a míchaní by probíhalo pouze za pomocí pracovního média. Je zřejmé, že není možné se k tomuto řešení dopracovat, je však možné se zvýšením stupně ideálnosti k němu alespoň přiblížit. Dle zákonitosti zvyšování stupně ideálnosti je ideální technic- ký systém takový, jehož hmotnost a rozměry se blíží k nule, ale je stále způsobilý plnit svou funkci.
Podle metodiky TRIZ existují tři cesty ke zvýšení stupně ideálnosti:
1. zvýšení počtu funkcí technického systému – při zachování rozměrů, hmotnosti a energie,
2. zjednodušení částí technického systému do pracovního orgánu – například nástroje, 3. přechod do nadsystému a zvýšení jeho funkcí.
Technický systém je soubor vzájemně propojených částí, které vykazující systémovou vlastnost. Tou se systém vyznačuje jako celek. V našem případě je technický systém chápán jako spojení hřídele a lopatek v jeden celek a jeho funkcí je míchání plastového substrátu. Každý systém má hranice svého rozvoje a po jejich dosažení může pokračo- vat na úrovni nadsytému. Většinou dochází k předávání funkcí starého systému na nový společně se všemi positivními vlastnostmi. Pro lepší názornost ukazuje systémový pří- stup metodika tzv. 9 obrazů. Zde je znázorněna minulost, přítomnost i budoucnost sys- tému, nadsystému i podsystému. Z obrázku č. 23 je zřejmé, že v minulosti byl stav za- daný zákazníkem, přítomnost značí nové řešení systému a budoucnost představuje vizi, kam by se měl eventuální vývoj dále ubírat.
Z těchto poznatků byla navržena nová vize, kdy pracovní médium bude vstupovat do systému skrze horní přechodku, následně přejde do hřídele, která bude provrtaná a krze lopatky bude vstupovat do prostoru recipientu. Tím pádem dojde k vyhnání zrn prášku, které budou přecházet přes lopatky směrem vzhůru a dostanou se tak do vrch- ních vrstev substrátu (obr. 24). Dále bude možné pomocí pumpy a škrticího ventilu re- gulovat rychlost, kterou bude procházet pracovní médium skrze systém. Tím se zabrání kontaktu zrn s horním víkem recipientu.
Obr. 23: 9 obrazů
Obr. 24: Vstup pracovního plynu do recipientu skrze hřídel a lopatky
Při tomto řešení však nastává fyzikální rozpor, který se týká hřídele. V nové konstrukci by měla být hřídel o vnějším průměru 15 mm se sražením na 14 mm kvůli lepší integra- ci do systému. Pro vedení plynu by měla skrz hřídel procházet díra o průměru 5 mm.
Vzhledem k tomu, že hřídel má mít délku přes 300 mm a její vnější průměr je omezen otvorem ve středu horního víka, vzniká zde fyzikální rozpor – ”Vím to, že chci mít v hřídeli díru, ale nevím jak toho dosáhnout”. V České republice je pouze jedna firma, která by dokázala pomocí dělového vrtáku takto malou díru do nerezové oceli vyvrtat, avšak cena za výrobu by byla neúnosně vysoká.
Fyzikální rozpor spočívá v tom, že část technického systému musí mít určitou vlastnost, aby vyhovoval jednomu požadavku úlohy a současně musí mít opačnou vlastnost, aby splnil jiný požadavek úlohy. V těchto případech nabízí metodika TRIZ tři možnosti pře- konání fyzikálního rozporu. Vybranou část technického systému je možné rozdělit jed- nak v čase, v prostoru a nebo ve struktuře. V našem případě by bylo nejvhodnější rozdě- lit hřídel v prostoru a pro novou konstrukci navrhnout dělenou hřídel. Míchací nástroj určený pro inovaci se skládá ze dvou hlavních částí. Jedná se o hřídel, která přenáší krouticí moment od pohonu systému, a o lopatky, které jsou v přímém kontaktu s míchaným substrátem a zajišťují jeho promíchání. Nejprve budou vypracovány návrhy konstrukce hřídele a následně budou popsány nové návrhy lopatek. [3]
5.2.2 Varianta 1 – lisovaná hřídel
Pomocí metody TRIZ bylo navrženo řešení, že hnací hřídel bude dělené konstrukce.
Po odměření ve 3D modelu byla zjištěna její potřebná délka, která má hodnotu 302 mm.
V externí firmě vzniklo omezení, že takto malou díru vyvrtají na maximální délce 60 mm, hřídel tedy bude rozdělena do 5 částí. Pro správnou funkci systému je třeba, aby souosost všech jednotlivých dílů hřídele byla co nejpřesnější. Proto jedním z návrhů jak spojit všechny díly k sobě, bylo použití lisovaných spojů (obr. 25).
Obr. 25: Hřídel spojena nalisováním
V nalisovaných spojích vznikají i při nízkých zatíženích relativně velké tlaky, a proto byly tyto lisované spoje ověřené výpočtem. Celá hřídel je zatížena krouticím momen- tem 13 Nm a je navržena z materiálu s označením DIN 1.3965 (ČSN 17460). Vnější průměr hřídele má hodnotu 15 mm.U některých dílů je zúžen na hodnotu 14 mm, výpo- čet proto bude prováděn pro menší hodnotu. Vnitřní díra pro vedení pracovního média má průměr 5 mm. Kontrola lisování bude prováděna na průměru 10 mm. Nejprve bylo třeba zjistit, jaký vznikne ve spojení tlak po zatížení krouticím momentem.
[ ]
2 2
1
2 2 13
55,17 0, 01 0, 01 0,15
Mk
p MPa
d l f
π π
× ×
= = =
× × × × × × (1.1)
Ve vztahu (1.1) značí d průměr, na kterém je styk lisovaných ploch, l je délka lisova-1 ného spoje a f značí součinitel tření. Dále je třeba zjistit minimální potřebný přesah △d1 a rozměrové konstanty.
2 2 2 2 1
2 2 2 2
1
10 5
1, 6667
10 5
I
d d
C d d
+ +
= = =
− − (1.2)
2 2 2 2
2 1
2 2 2 2
2 1
14 10
3, 0833
14 10
II
d d
C d d
+ +
= = =
− − (1.3)
[ ]
1
1min 5
. 0, 01.55,17
( ) (1, 6667 3, 0833) 12, 48
2,1 10
I II
d d p C C m
E µ
= × + = × + =
△ × (1.4)
Ve vztahu (1.2) a (1.3) značí d vnitřní průměr a d vnější průměr hřídele. Ze vztahu 2 (1.4) udává hodnota 12, 48 µm nejmenší dovolený přesah a podle strojnických tabulek bylo navrženo vyhovující uložení s přesahem H7/u7. Toto uložení má maximální přesah
43 µm a s touto hodnotou se musí počítat při kontrole na tlak.
[ ]
5 1max
max 1
0, 000043 2,1 10
190,1 0, 01 3, 083 1, 667
I I
d E
p MPa
d C C
= × = × × =
+ +
△ (1.5)
( ) ( )
1
max
230 0, 454
1 1, 6667 1 190,1
e I
k R
C p
ϕ = = =
+ × + × (1.6)
( ) ( )
1
max
230 0, 296
1 3, 0833 1 190,1
e II
k R
C p
ϕ = = =
+ × + × (1.7)
Ze vztahu (1.5) je jasné, že výsledný tlak je příliš vysoký a zatěžovaný spoj by nevydr- žel. Součinitele bezpečnosti by se měly rovnat alespoň jedné, v tomto případě tomu však není. Tato varianta konstrukce hřídele nevyhovuje.
5.2.3 Varianta 2 – šroubovaná hřídel
Dalším způsobem, jak jednoduše a rychle spojit jednotlivé díly hřídele a zároveň zacho- vat jejich souosost, je použití šroubového spoje. Díky němu je možné z více částí vytvo- řit za provozu jednolitý celek se zaručeným silovým dotykem ve stykových plochách a s neměnnou vzájemnou polohou spojovaných částí. Ve strojírenství se jedná o nejčastěji používaný způsob, jak k sobě pevně a trvale spojit dvě součásti.
Na obrázku č. 26 je znázorněna hřídel sestávající se z pěti částí, které jsou spojeny šroubovými spoji. Použit byl klasický metrický závit M10 se stoupáním 1 mm. Jelikož se hřídel a lopatky otáčejí ve směru hodinových ručiček, bylo z hlediska samosvornosti navrženo pravotočivé stoupání šroubovice. Při práci stroje se tedy závity neustále dota- hují a není třeba se tak zabývat problematikou jejich náhodného povolení. Délka závitu v závislosti na jeho průměru byla navržena 10 mm. V každém spoji je vložen o- kroužek, eliminující případnou netěsnost zaviněnou závitem. Je předpoklad, že spojená hřídel nebude v budoucnu rozebírána. Tím pádem není třeba návrhu konstrukce usnad- ňující její demontáž. Jednotlivé díly hřídele budou vyrobeny z materiálu s označením DIN 1.3965 (ČSN 17460). Tato ocel vyniká korozivzdorností, tedy odolností vůči vodě, parám a slabým kyselinám.
Obr. 26: Šroubovaná hřídel
Kontrolní výpočet je prováděn ze vztahu (2.1) pro nejmenší průřez náboje i díry, který přenáší krouticí moment. Kde M je maximální krouticí moment, k W je modul průřezu k v krutu a τD k, značí maximální dovolené smykové napětí.
, k
k D k
k
M
τ = W ≤τ (2.1)
Modul průřezu v krutu je v tomto případě počítán pro mezikruží, což vyjadřuje vztah (2.2). Dovolené smykové napětí je odvozeno z meze kluzu použitého materiálu a po- psáno rovnicí (2.3). K této hodnotě bude posuzován výpočet.
3 4
1 3 k 16
D d
W m
D
π×
= × − (2.2)
[ ]
,
Re 275
158,8
3 3
D k MPa
τ = = = (2.3)
Pro díru je počítán kontrolní výpočet vztahem (2.4). Rovnice (2.5) ukazuje, že zvolený materiál je vhodný.
[ ]
3
4 4
3 3
13 10
32, 6
14 10
1 1
16 16 14
k k
k k
M M
W D d MPa
D
τ π π
= = = × =
× ×
× − × −
(2.4)
,
k D k VYHOVUJE
τ ≤τ ⇒ (2.5)
Kontrolní výpočet pro hřídel vychází ze vztahu (2.6). Z rovnice (2.7) plyne, že materiál vyhovuje.
[ ]
3
4 4
3 3
13 10
127,8
8, 4 5
1 1
16 16 8, 4
k k
k k
M M
W D d MPa D
τ π π
= = = × =
× ×
× − × −
(2.6)
,
k D k VYHOVUJE
τ ≤τ ⇒ (2.7)
5.2.4 Varianta 3 – svařované lopatky
Druhým dílem inovované části systému jsou lopatky, které slouží jako pracovní nástroj a mají přímý styk s míchaným práškem. Lopatky se také skládají ze dvou částí, a sice z náboje a dvou listů. Náboj v tomto případě bude vyroben samostatně a listy budou na něj připevněny. Jak již bylo zmíněno, tvar sklonu a výška lopatek byla převzata
z původního řešení aplikovaného na prototypu. Jedním ze způsobů výroby lopatek je použití technologie svařování. Ta se vyznačuje sice rychlou, avšak ne zcela přesnou výrobou z důvodu vnitřních pnutí při chladnutí svaru. Pro přesnou výrobu, kdy je třeba zajistit kolmost mezi spodní hranou lopatky a osou díry vedoucí hřídel, by musel být použit na zakázku vyrobený přípravek, což by náklady na inovaci nezanedbatelně zvýši- lo. Návrh svařovaných lopatek je vidět na obrázku č. 27. Lopatky mají v průměru 640 mm a jsou navařeny na náboj. Skrze něj prochází díra, kterou je veden pracovní plyn.
Do obou lopatek je zavařena trubka, která vede médium po celé délce lopatek. V trubce jsou vyvrtány díry, kudy vstupuje pracovní plyn do prostoru recipientu. Nevýhodou je nemožnost její výměny po zavaření a tím je snížena variabilita použití lopatek.
Obr. 27: Lopatky navařené na náboj
5.2.5 Varianta 4 – šroubované lopatky
Dalším řešením, jak připevnit lopatky k náboji, je použití šroubových spojů. Lopatky budou našroubovány na oba boky náboje čtyřmi šrouby. Náboj bude stejně jako v předešlém návrhu vyroben samostatně. Mezi stěnou náboje a stěnou lopatky je zajiš- těno těsnění o-kroužkem, který je usazen okolo díry, skrze kterou je veden pracovní plyn do lopatek. Uvnitř lopatek je ponechán prostor pro rozvod pracovního plynu po je- jich celé délce. Tento prostor je z vrchu utěsněn 2 mm tlustým plechem, ve kterém jsou vyvrtány otvory, kterými vstupuje plyn do prostoru recipientu. Výhodou je možnost výměny celých lopatek bez nutnosti výroby nového náboje. Také je možné nahradit pouze plechy, pokud je třeba optimalizovat rozměry děr pro vedení plynu. Nevýhodou
je potřeba mnoha dílů pro kompletaci lopatek a tím i složitá a časově náročná montáž.
Je zde také riziko toho, že míchaný substrát se bude zasekávat a hromadit v okolí šrou- bů. Tím by nedošlo k jejich modifikaci a celá dávka by byla znehodnocena. Konstrukce šroubovaných lopatek je znázorněna na obrázku č. 28. Jedná se o variantu s největší variabilitou, ovšem zároveň s největším počtem komponentů.
Obr. 28: Lopatky přišroubované k náboji
5.2.6 Varianta 5 – jednodílné lopatky
Další možností je výroba lopatek i náboje z jednoho kusu polotovaru. Je to zřejmě nej- rychlejší varianta, protože pro výrobu lopatek je potřeba stejných strojů a nástrojů, jako pro výrobu náboje. Na obrázku č. 29 jsou znázorněny lopatky vyrobené z polotovaru čtvercového průřezu, které mají délku hrany 50 mm a celkovou délku 640 mm. Díra, která je vyvrtaná v náboji a vede médium, přechází do prostoru obdélníkového průřezu, který prochází celou délkou lopatek. Tento prostor je stejně jako v předešlém návrhu krytý 2 mm tlustým plechem s vyvrtanými dírami pro vstup plynu do míchacího prosto- ru. Opět je zde zřejmá variabilita výměny plechu, pokud je třeba zvětšit či zmenšit otvo- ry. Nevýhodou může být pevný sklon a tvar lopatek, avšak zákazník nemá v plánu tyto parametry měnit a pokud by se tak rozhodl, pak by bylo nutné vyrobit celé lopatky zno- vu. Plech je připevněn 18 šrouby se zapuštěnou hlavou, které nevyčnívají do prostoru a prášek se o ně nezasekává. Při práci stroje jsou plechy zatlačovány do lopatek odpo-
rem míchané směsi. Tyto šrouby tedy plní pouze úlohu zajištění plechu proti posunutí ve směru jeho hran. Potenciálním omezením může být problematické vyvrtání díry do náboje pro vedení média. Díra není ideálně přístupná pro vrták, avšak ve výrobní firmě bylo přislíbeno, že tuto díru je možné vyhotovit.
Obr. 29: Lopatky vyrobené z jednoho kusu polotovaru
5.2.7 Zhodnocení a výběr varianty
Nová konstrukce se skládá ze dvou stěžejních částí, a sice z hřídele a lopatek. Podle výpočtů provedených při tvorbě návrhů jednotlivých variant je zřejmé, že použití liso- vání pro spojení jednotlivých dílů hřídele je nevhodné. Části hřídele proto budou spoje- ny šroubovanými spoji. Složitější situace nastává při volbě konstrukce lopatek. Zde jsou k dispozici 3 návrhy a je nutné se mezi nimi rozhodnout.
Výběr nové varianty řešení je proces, při kterém dochází k porovnání dílčích návrhů mezi sebou. Srovnávají se klady a zápory jednotlivých variant s ohledem na aspekty, které jsou v daném tématu stěžejní. Jedná se o důležitý proces, protože výběrem špatné či nevhodné varianty by mohlo dojít k znehodnocení celého procesu. Proto výběr vhod- ného návrhu bude provedeno formou analýzy silných a slabých stránek dílčích návrhů.
Bude vyhotovena tabulka, ve které budou zanesena podstatná a pro nás důležitá kritéria.
V tabulce č. 4 jsou ve sloupcích jednotlivé návrhy konstrukcí lopatek a do řádků jsou
umístěna kritéria výběru. Ta jsou hodnocena počtem bodů od 1 do 5, kde 1 znamená špatnou vlastnost a 5 naopak výbornou vlastnost. Návrh, který získá nejvíce bodů, bude zvolen jako vítězný a bude se s ním dále pracovat. Rozhodování bylo prováděno za asis- tence konzultanta této práce.
Tab. 4: Rozhodovací tabulka mezi variantami
Z tabulky plyne, že nejvhodnější konstrukce lopatek k realizaci je varianta číslo 3. Lo- patky jsou vyrobeny z jednoho kusu polotovaru, což se jeví jako nejekonomičtější vari- anta. Ta zároveň vychází jako nejvhodnější díky ceně výroby, snadné montáži do systému a dostačující variabilitě.
5.3 FMEA
Pod pojmem FMEA se skrývá systematický soubor činností, díky kterému je možné předcházet vadám a tím šetřit čas a peníze vynaložené na opravy. Smyslem metody FMEA je identifikovat příčinu vzniku chyby a navrhnout opatření, jak tuto chybu elimi- novat. Při tvorbě FMEA je nutná přítomnost všech pracovníků, kteří se na projektu po- dílejí. Na novou konstrukci byla aplikována D-FMEA, která se orientuje na výrobky.
Její použití je vhodné jak při tvorbě nového, tak při změně stávající výrobku.
V příloze č. 2 je vypracovaná FMEA pro nové řešení konstrukce vakuového míchacího systému. [7]
6 Realizace nového konceptu
Po úspěšném zhotovení návrhu nové konstrukce bylo možné začít s jeho realizací. Ví- tězná varianta byla aplikována na stávající konstrukci prototypu. Při inovaci byly nahra- zeny všechny díly určené pro možnou výměnu, kromě dolní přechodky. Na obrázku č. 30 je znázorněn řez celým strojem, kde jsou barevně vyznačeny nové komponenty.
Obr. 30: Nové komponenty přidané do systému v rámci inovace
Návrhem nové konstrukce byl vyvinut inovovaný přívod média do systému. Skrze hří- del a lopatky je veden pracovní plyn, který vstupuje do prostoru recipientu ode dna tak, jak požadoval zákazník. Pro návrh rozměrů nových komponentů bylo opět využito vý- hod modelování ve 3D prostředí. Ze 3D modelu původního prototypu byla zachována jen kostra, která svými rozměry určuje prostor pro inovované komponenty. Jednotlivé díly byly tedy konstruovány tak, aby se do tohoto prostoru vešly, a to jak na úrovni dílu, tak na úrovni sestavy. Tím se snížil čas tvorby konstrukce těchto komponentů a snížilo se tak riziko špatného návrhu.
6.1 Nová konstrukce
V první kapitole byly popsány dva stěžejní problémy, kvůli kterým byla inovace reali- zována. Jedním z nich bylo nedokonalé zajištění souososti hřídele a válcovité části vý- ztuhy víka vlivem její svařované konstrukce. Tím pádem mohlo dojít k příliš velké od- chylce rovnoběžnosti lopatek se dnem recipientu a k jejich špatné funkci. V nové kon- strukci je hřídel rozdělena a použita jako mezičlen mezi dvěma spojkami (obr. 31).
Krouticí moment je přenášen pomocí těsných per. Spojky se skládají ze tří částí, které jsou spojeny čtyřmi šrouby. Mezi jednotlivými částmi jsou vloženy pryžové membrány.
Spojka má únosnost krouticího momentu až 134 Nm, což pro naše podmínky zcela vy- hovuje. Rozměry spojky a zbylá technická data jsou k dispozici k nahlédnutí v příloze č. 3. Horní spojka je ustavena na spojovací hřídeli pomocí pojistného kroužku. Další pojistný kroužek zajišťuje ustavení spojovací hřídele na spodní spojce, která sedí na osazení první části dělené hřídele.
Obr. 31: Opatření proti nesouososti vzniklé svařovanou konstrukcí výztuhy víka
Hlavním důvodem, proč byla tato práce zadána, je inovace přívodu média do systému a tím zlepšení homogenity míchání. Nově je plyn přiváděn přes horní přechodku, hřídelí a lopatkami do prostoru recipientu. Horní přechodka zajišťuje uložení ložiska a zároveň
od sebe odděluje pomocí o-kroužků okolní prostor a prostor, kudy je vedeno médium.
Horní přechodka je vyrobena z oceli 11523, která se vyznačuje dobrou obrobitelností a svařitelností. V ose přechodky je vysoustružen profil, který zajišťuje uložení ložiska a o-kroužků. Rozměry uložení o-kroužků jsou uvedeny v katalogu. [1]
Na obrázku č. 32 je znázorněna horní přechodka a její integrace do systému spolu s dolní přechodkou. Přechodky jsou k víku recipientu připevněny každá čtyřmi šrouby, kdy po jejich dotažení dochází k deformaci o-kroužků o horní víko recipientu. Je tak zajištěna požadovaná těsnost v potřebných místech. Horní o-kroužek je stlačený hřídelí a stěnami drážky, ve které je uložen. Světle modrou barvou jsou vyznačena místa, kde dochází k utěsnění. Je tedy zřejmé že pracovní plyn je oddělen od okolí. Dále je patrné, že dolní o-kroužek je přebytečný a neplní žádnou funkci. Jedná se o pozůstatek z původní konstrukce prototypu, avšak pro nové řešení není nijak škodlivý, proto je v novém řešení ponechán a vykonává pojistnou úlohu těsnosti vakua. Z boku přechodky je přilepena vakuovým lepidlem trubka, kterou je přiváděno pracovní médium od zdro- je. Žlutou křivkou je vyznačena cesta, kterou je plyn veden přes přechodku do hřídele.
Zároveň je na obrázku znázorněna i dolní přechodka, která zůstala jako jediná nepo- změněna. Pro uložení dělené hřídele byla použita kluzná teflonová ložiska.
Obr. 32: Horní a dolní přechodka a jejich integrace do systému
