gep 2013 3

A GPIPARI TUDOMNYOS EGYESLET MSZAKI FOLYIRATA

2013/3. 48 oldalLXIV. vfolyam

Ember s gpsszhangban van.

IPAR NAPJAI 2013 ahol ember s gp tallkozik.

2013 mjusban j zleti lehetsgeket knlva nyitja meg kapuit a MACH-TECH Nemzetkzi gpgyrtstechnolgiai s hegesztstechnikai szakkillts, valamint az INDUSTRIAUTOMATION Nemzetkzi ipari automatizlsi szakkillts a HUNGEXPO Budapesti Vsrkzpontban. A killts-egyttes komplex megoldsokat knl kis-, kzp- s nagyvllalatok szmra.

Tervezett programok: nmet kamarai nap GTE konferencia keretben: Manufuture A jrmipari fejlesztsek hatsa a gpipar versenykpessgre EDU-POINT (egyetemek bemutatkozja) ingyenes plyzati tancsads nagydjas termkek bemutatja killti jdonsg-bemutatk Application Zone

A killts honlapjn online regisztrci az ingyenes belpsrt:

www.mach-tech-hu/gte

Bvebb informci: www.mach-tech.hu www.industriautomation.hu

CSAPHEGESZTSpontosanbiztosangyorsan

H-8800 Nagykanizsa, Camping t 0404/1 hrsz.Tel.: +36 93/519-018 Fax: +36/93/519-017E-mail: [email protected] www.qualiweld.hu

gyorsan

Extra kiegsztk: Lzeres pozci meghatrozs Minsgbiztostsi modul Internetes tvfelgyeleti modul Felletnedvest Pneumatikus lemezleszort Adatimportl modul

Mszaki adatok:Ismtlsi pontossg: 0,2 mmHegesztsi temid: 20-30 db/percAdagols: kzi/automataAsztalmretek: 700x600-tl 2500x1700 mm-ig

Vsri nagydjas termkG pavilon 403A

kedves Olvas!

A HUNGEXPO Budapesti Vsrkzpont terletn 11. alkalommal megrendezend MACH-TECH Nemzetkzi Gpgyrtstechnolgiai s Hegesztstechnikai Szakkillts megszervezsben je-lents szakmai szerepet vllalt a Gpipari Tudomnyos Egyeslet. 2013. mjus vgn j zleti lehetsgeket knlva nyitja meg kapuit a MACH-TECH, valamint az INDUSTRIAUTOMATION Nemzetkzi ipari automatizlsi szakkillts, amely killts-egyttes komplex megoldsokat knl a kis-, kzp- s nagyvllalkozsok szmra. Az Egyeslet nll standon jelenik meg s ad alkalmat arra, hogy a szolgltatsaink irnt rdekld jogi tag vllalatok kzvetlen felvegyk a kapcsolatot a vsron jelen lv kpviselinkkel, tovbb a killts tematikjhoz igazod szak-mai konferencia megrendezsvel is hozz kvnunk jrulni a killtk s a vsrltogatk kztti kapcsolat elmlytshez, az ipar s az alkalmazott kutats kztti gymlcsz egyttmkds megalapozshoz.

A vsron a rendezk el kvnjk segteni, hogy a gpgyrtstechnolgia eszkz s eljrs-rendszereivel foglalkoz felsoktatsi s ms akadmiai intzmnyi kutathelyek, pl. az MTA SZTAKI, a jelentsebb nemzetkzi szakkilltsokhoz hasonlan itt is megjelenjenek azokkal az eredmnyeikkel, amelyek ersthetik a gazdasg, ezen bell az ipar s a felsoktatsi, valamint ms intzmnyi kutathelyek kapcsolatait. A GTE Orszgos Elnksge abban a remnyben keresi meg az egyeslet szakosztlyainak tagjait, a vsrt ltogat szakmai kznsget s a killtk jl felkszlt szakrtit, hogy idn is, szakmai rdekldsi krknek megfelel programot tud ajnla-ni a MACH-TECH rendezvnyeivel:

a killtshoz kapcsold Jrmipari fejlesztsek hatsa a gpipar versenykpessgre cm konferencin 2013. mjus 30.-n, a killtsi pavilon terletn, a magyar ipar ltal megva-lstott technolgiai jelleg kutatsokrl szmolnak be sikeres cgek szakemberei s az orszg tbb egyetemnek oktati, valamint j plyzati lehetsgekrl hallhatnak az rdekldk tj-koztatst;

A HUNGEXPO ZRt. ebben az vben is meg hirdette a MACH-TECH Nagydjat, ezzel a szakkilltson bemutatsra kerl kiemelked tulajdonsg s jdonsgot jelent termkekre, eljrsokra, illetve mszaki szolgltatsokra vonatkoz kitntet killtsi nagydj, megk-lnbztet minsgjel viselsnek jogt tlte oda. A nagydjak rtkelsnek szakmai zsri-jt idn a GTE adta. A kivlsgi elismerst szerzett termkek bemutatst a GP c. folyirat szerkeszti vllaltk.

A szervezk minden rdekldt szeretettel vrnak elssorban az alkatrsz gyrt kis- s kzpvl-lalkozsok terletrl, akik gazdasgosabb, korszerbb technolgit s szerszmozst kvnnak felhasznlni. Mivel a killts hatkony lehetsg a gazdasg s a kutathelyek kapcsolatnak erstsre, remljk, hogy kezdemnyezsnk tallkozik elkpzelseikkel, s ltogatknt sz-mtunk rszvtelkre s aktv kzremkdskre.

A GTE GP cm szakfolyirata clszmot jelentet meg a szakkillts alkalmval, melyhez a killtk s rdekldk a vsron, a GTE standjn juthatnak hozz. A szaklap a vsri nagydjaso-kat a konferencia eladsait, s fontos ipari s tudomnyos kutatsokrl szl cikkeket mutat be.

Engedjk meg, hogy a Gpipari Tudomnyos Egyeslet nevben j szvvel ajnljam e killtsi cl-szmot valamennyi kedves olvas kezeibe. Tekintsk trekvsnket a megjulni kvn tudsk-zssgek egyesleti szakmai munkja legjabb produktumnak s fogadjk olyan rdekldssel, amilyen elktelezettsggel a szerkeszt bizottsg munkatrsai ezt elksztettk.

Dr. Habil. Takcs Jnosegyetemi tanr, a GTE elnke

A szerkesztsrt felels: Vesza Jzsef. A szerkesztsg cme: 3534 Miskolc, Szervezet utca 67.Telefon/fax: +36-46/379-530, +36-30/9-450-270 e-mail: [email protected]

Kiadja a Gpipari Tudomnyos Egyeslet, 1027 Budapest, F u. 68. Levlcm: 1371 Bp. Pf.: 433.Telefon: 202-0656, fax: 202-0252, e-mail: [email protected], internet: www.gte.mtesz.hu

A GP folyirat internetcme: http://www.gepujsag.huKereskedelmi s Hitelbank: 10200830-32310236-00000000

Felels kiad: Dr. Igaz Jen gyvezet igazgat.Gazdsz Nyomda Kft. 3534 Miskolc, Szervezet u. 67. Tel.: (46) 379-530, e-mail: [email protected].

Elfizetsben terjeszti a Magyar Posta Rt. Hrlap zletga 1008 Budapest, Orczy tr 1.Elfizethet valamennyi postn, kzbestknl, e-mailen: [email protected], faxon: 303-3440. Tovbbi informci: 06 80/444-444

Egy szm ra: 1260 Ft. Dupla szm ra: 2520 Ft.

Klfldn terjeszti a Kultra Knyv s Hrlap Klkereskedelmi Vllalat,H1389 Budapest, Pf. 149. s a Magyar Mdia, H1392 Budapest, Pf. 272.

Elfizethet mg kzvetlenl a szerkesztsgben is.

INDEX: 25 343 ISSN 0016-8572A megjelent cikkek lektorltak.

A kiadvny a Nemzeti Kulturlis Alap tmogatsval jelenik meg.

GPA GPIPARI TUDOMNYOS EGYESLET

mszaki, vllalkozsi, befektetsi, rtkestsi, kutats-fejlesztsi, piaci informcis folyirata

SZERKESZTBIZOTTSGDr. Dbrczni dmelnk

Vesza Jzseffszerkeszt

Dr. Jrmai KrolyDr. Pter JzsefDr. Szab Szilrdfszerkeszt-helyettesek

Dr. Barkczi IstvnBnyai ZoltnDr. Beke JnosDr. Bercsey TiborDr. Bukoveczky GyrgyDr. Czitn GborDr. Danyi JzsefDr. Duds IllsDr. Gti JzsefDr. Horvth SndorDr. Ills BlaKrmn AntalDr. Kulcsr BlaDr. Kalmr FerencDr. Orbn FerencDr. Plinks IstvnDr. Patk GyulaDr. Pter LszlDr. Penninger AntalDr. Rittinger JnosDr. Szab IstvnDr. Sznt JenDr. Tmr ImreDr. Tth LszlDr. Varga Emiln Dr. Szcs Edit

TarTalom

1. Bodzs S.; Duds I.: Kpos csavarfellet ellltsa vltoz kszrkorong bedntsi szg korrekcival 3 Szerzk egy j kszrlsi eljrst javasol-nak, amely a kszrkorong bedntsi sz-gnek folyamatos korrekcijval kompen-zlja a korongkopst. Pldaknt egy spiroid csiga kszrlst mutatjk be.

2. Bauernhuber A.; Markovits T.: Lzersugaras fm-polimer hibrid kts, mint j lehetsg a ktstechnikban 7A cikk egy j, fm-polimer kztti lzersu-garas ktstechnolgit mutat be, amely a konkurens kteljrsokhoz kpest szmos elnnyel rendelkezik. A hibrid kts mi-nsgt elsdlegesen a hevtsi id, az sszeszort er, a lzerteljestmny s a felleti rdessg befolysolja.

3. Hajdu D.; Insperger T.: A Smith-prediktor idtartomnybeli vizsglata 12A Smith-prediktort a szablyozstechnik-ban elssorban stabilis folyamatokban lehet sikeresen alkalmazni. Szerzk bemutatjk a Smith-prediktort ler llapotegyenleteket. Egy egyszer egyenslyozsi feladaton keresztl szemlltetik a zrt szablyozsi kr paramterrzkenysgt.

4. Ladnyi G.; Ladnyi G.:Kalicks indukcis motor hibadiagnoszti-zlsa rezgs s motorram analzis egyt-tes alkalmazsval 16A kalicks indukcis motorok esetben az llapotalap karbantartsi stratgik seg-tenek elkerlni a vratlan meghibsodso-kat s cskkenteni az ennek kvetkeztben szksgess vl lellsok idejt. Tovbbi elny, hogy a tervezett karbantartsok kztti id nvelhet.

5. Tth P.: Adaptv akusztikai forrsmodell mikrofontmb jelfeldolgozshoz 21Az akusztikai forrsok helynek feltrsra szolgl mikrofontmbs mrstechnika adatfeldolgozsa sok szmtst ignyel. A Budapesti Mszaki s Gazdasgtudom-nyi Egyetem ramlstan Tanszke tbbek kztt ennek a mrsi mdszernek a fej-lesztsvel is foglalkozik. A mrstechnika alkalmas axilis ventiltorok zajkutatsra is.

6. Vsrhelyi J.; Kovcs L.: Informcis rendszerek fogalomhl alap osztlyozsi algoritmusnak hard-veres megvalstsa s vizsglata 26 A cikk elemzi a sok adatot tartalmaz foga-lomhlk hardvermegvalstsi lehets-geit. Bemutatja a mdszer elnyeit s poten-cilis htrnyait. A hardver alkalmazsa felgyorstja a fogalomhl ltrehozst s a fogalomhln val keresst.

7. Schwarzenberger J.; Juhsz I.:5D-s megmunklsra alkalmas eszterga-megmunkl kzpontok fejlesztse az Excel Csepel Szerszmgpgyrt Kft.-ben 34

8. Szulim G., Scsukin V.; Turcsin I.; Timr I.:Radilisan rtegezett henger kvzistatikus skbeli hrugalmas llapota aszimmetrikus hevts esetn 36Bemutattuk a hatrfelletn nem tengely-szimmetrikusan hevtett, radilisan rtege-zett henger skbeli hrugalmassgtani fel-adatnak megoldst. A megoldst id sze-rinti Laguerre-fle integrl transzformci-val s a szgelforduls szerinti Fourier-transzformcival hatroztuk meg. Vizsgltuk a kls felleten loklisan hev-tett hromrteg henger feszltsgi llapott.

GP, LXIV. vfolyam, 2013. 3. SZM 3

*fiskolai adjunktus, PhD hallgat, **professzor emeritus *,**Miskolci Egyetem, Gpgyrtstechnolgiai Tanszk *,**Nyregyhzi Fiskola, Mszaki Alapoz s Gpgyrtstechnolgia Tanszk

KPOS CSAVARFELLET ELLLTSA VLTOZ KSZRKORONG BEDNTSI SZG

KORREKCIVAL

GENERATING OF CONICAL WORM SURFACE WITH CHANGING OF LEAD ANGLE CORRECTION

Bodzs Sndor*, Dr. Duds Ills**

ABSTRACT

Kpos csavarfellet kszrlsekor olyan megoldst kell vlasztani, ahol a korong kops miatt vltoz korongprofil mellett is lehetsg van a csigaprofil jellemzinek megengedett hatrok (trsek) kztt tartsra [4].

Egy j kszrlsi eljrssal a tengelytv vltoztats fggvnyben a csiga menethossza mentn folyamatosan vltoztatjuk a kszrkorong bedntsi szg korrekci rtkt.

Az ismertetett matematikai s gyrtsi eljrst egy j geometrij, tengelymetszetben velt (ellipszis, kr, parabola, stb.) profil spiroid csiga esetn alkalmazzuk [3].

1. BEVEZETS

A kpos csavarfelletek kszrkoronggal trtn befejez megmunklsakor alapveten kt problma vetdik fel, amelyek a geometriailag helyes profil kialaktst szinte lehetetlenn teszik [1, 2]: a kszrls sorn a korong kopsa miatt a

korong profilja s tmrje is vltozik. Emiatt a generlt csavarfellet profilja torzul az elmleti profilhoz, de az eredeti kiindul llapothoz kpest is;

a kpos csavarfellet tengely menti tmrvltozsa a csigaprofil lland vltozst vonja maga utn (a korongprofil llandssga esetn).

A problmt a Duds Ills fle optimlis szerszmprofil meghatrozsi mdszerrel oldjuk meg [1], azaz meghatrozzuk a gyrtand alakpontossg figyelembevtelvel azt a 1 mozgsparamter optimlis rtkhez (1opt) tartoz rintkezsi grbe helyt a kpos csavarfelleten, mely grbvel, mint szerszmprofil grbvel ellltva a kpos csigt

a kapott csiga profilpontossga trstartomnyon belli lesz.

2. AZ OPTIMLIS SZERSZMPROFIL

MEGVLASZTSA

A Duds Ills fle optimlis szerszmprofil meghatrozsi mdszerrel meghatrozzuk a 1opt rtkhez tartoz osztkrtmrt, majd az osztkri emelkedsi szget (0opt). Ezen emelkedsi szggel kell a kszrkorongot

bednteni megmunklskor.

1. bra Az tmr s az emelkedsi szgvltozs

lland emelkeds kpos csignl

A 1. brn lthat, hogy az lland axilis menetemelkeds biztostsa rdekben a kpos csiga hosszmenti tmrvltozsa miatt vltozik a 0 osztkri emelkedsi szg.

Egy j kszrlsi eljrssal a tengelytv vltoztats fggvnyben a csiga menethossza mentn folyamatosan vltoztatjuk a kszrkorong B2 bedntsi szg korrekci rtkt.

A korongot a 0opt emelkedsi szgnek megfelelen dntjk be megmunklskor. A menetemelkedsi hiba kikszblse rdekben 0optB2 osztkri emelkedsi szg korrekcit vgznk a megmunkls sorn (2. bra).

4 3. SZM GP, LXIV. vfolyam, 2013.

Clunk a kpos csavarfellet pontos kszrlsnek kidolgozsa.

3. KPOS CSAVARFELLET BEFEJEZ MEGMUNKLSHOZ

SZKSGES KOORDINTA RENDSZEREK FELVTELE

A megmunkls mozgsviszonyait az 2. brn

szemlltetett koordinta rendszerek s egymshoz viszonytott helyzetk segtsgvel rhatjuk le.

A csiga legnagyobb osztkrtmrnl lv a0 tengelytvhoz lltjuk be a korongot a megmunkls kezdetekor (3. bra), azaz:

2cos2 1max

0akorongwa dhda

. (1)

A 1 szgelforduls (burkolsi paramter)

fggvnyben, ahogy halad a korong a kpos csiga hossza mentn folyamatosan vltozik az a1 adott helyen lv tengelytv:

101 rpaa . (2)

2. bra Koordinta rendszerek kpos fej- s

lbfelletekkel hatrolt csavarfelletek megmunklsnl

Az fejkrtmr egy tetszleges helyen (1. s

4. bra):

aa htg

Hd

20

. (3)

Egy tetszleges osztkrtmrhz tartoz tengelytv:

2cos2 11

akorongwa dhda

. (4)

Behelyettestve (2), (3)-t (4)-be:

2cos2

2

1

010

akorongwa

r

dhh

tgH

pa

. (5)

Kifejezve 0-t:

aakorongw

r

opt

hdhpa

HB

2cos2

arctan

110

200

(6)

3. bra Az a0 kezdeti tengelytv meghatrozsa

Az (6) kifejezsben a 1 a vltoz, melynek

fggvnyben brmely pontban szmthat a 0 osztkri emelkedsi szg a csiga menethossza mentn.

A (6)-nak megfelelen folyamatosan szmtjuk a 0 osztkri emelkedsi szget s ezek alapjn a B2 szgkorrekcit a csiga menethossza mentn, az albbi mdon: ha 0opt> 0, akkor:

optB 002 (7)

ha 0opt< 0, akkor:

optB 002 . (8)


3. ADOTT CSAVARFELLET MEGMUNKLSHOZ SZKSGES

SZERSZM TERVEZSE

A koordinta rendszerek kztti transzformcis mtrixok ismeretben mdunkban ll a K1F koordinta rendszerben adott ltalnos ponthoz, amelyet megadhatunk az

,11 FF rr

(9)

ktparamteres alakban, felleti pontknt is, brmely msik koordinta rendszerben meghatrozni a helyvektort [2].

Amennyiben a K1F koordinta rendszerben adott ,11 FF rr

fellettel kapcsold K2F

hez kttt felletet keressk, kihasznlhatjuk, hogy a kt fellet mozgsa sorn egymst klcsnsen burkolja, s figyelembe vve a

11 szsz i (10) ahol:

1

11

min

1

cos2

cos2

awakorong

ra

a

sz hhd

ph

di

(11)

sszefggst, mondhatjuk, hogy a burkols egy mozgsparamterrel (1) lerhat.

A relatv sebessgvektor s a felleti normlis ismeretben [2] a kapcsold tagok fogfelletein, mint egymst klcsnsen burkol felleteken lv rintkezsi vonal, a kapcsolds I. trvnyt kifejez

0)12()12(

22)12(

11 vnvnvn FFFF (12)

kapcsoldsi egyenlet s a fogfelletet ler vektor-skalr fggvny egyidej megoldsval hatrozhat meg [2].

4. TENGELYMETSZETBEN KRV PROFIL KPOS CSIGA

GYRTSTECHNOLGIJA Az ismertetett kinematikai mdszer alkalmazsval kpos csiga befejez megmunklst valstottuk meg vltoz tengelytv s korongbedntsi szg korrekci nlkli (4. bra) s vltoz korongbedntsi szg korrekci esetekben (5. bra, 1., 2. tblzat) (max=5 mm, dakorong=400 mm).

a) elrehajts oldal

b) htrahajts oldal

4. bra A tengelymetszetben krv profil kpos csiga kszrlshez szksges korong profilok

vltoz tengelytv s korongbedntsi szg korrekci nlkli esetben

1. tblzat: Elrehajts oldal d0opte=58,328 mm, 1opte=730,9, 0opte=4,8995

Szgelforduls 1 []

Tengelytv a1 [mm]

Emelkedsi szg korrekci

B2 [] 0 225,6420 -0,4233

180 224,9549 -0,3253 360 224,2678 -0,2229 540 223,5806 -0,1158 720 222,8936 -0,0037

1opte=730,9 222,8520 0 900 222,2065 +0,1137

1080 221,5194 +0,2369 1260 220,8323 +0,3663 1440 220,1452 +0,5023

1583,2 219,5986 +0,6157 2. tblzat: Htrahajts oldal

d0opth=59,032 mm, 1opth=600,962, 0opth=4,841

Szgelforduls 1 []

Tengelytv a1 [mm]

Emelkedsi szg korrekci

B2 [] 0 225,6420 -0,3648

180 224,9549 -0,2668 360 224,2678 -0,1644 540 223,5807 -0,0573

1opth=600,962 223,3480 0 720 222,8936 0,0548 900 222,2065 0,1722

1080 221,5194 0,2954 1260 220,8323 0,4248 1440 220,1452 0,5608

1583,2 219,5986 0,6742


a) elrehajts oldal

b) htrahajts oldal 5. bra A tengelymetszetben krv profil kpos csiga kszrlshez szksges korong profilok vltoz tengelytv s vltoz korongbedntsi

szg korrekci esetn

Elrehajts oldal esetn a 4.a., s az 5.a. brk sszehasonltsakor megllapthat, hogy a 4.a. brn korongbedntsi szg korrekci nlkli esetben a csiga legkisebb- s legnagyobb osztkrtmrnl szmtott korongprofilok kztt 0,055 mm legnagyobb eltrs van. Ezzel szemben az 5.a. brn a vltoz korongbedntsi szg korrekci esetn a csiga legkisebb- s legnagyobb osztkrtmrnl szmtott korongprofilok kztt 0,031 mm legnagyobb eltrs van. Az elrehajts oldali optimlis osztkrtmrkhz tartoz korongprofilokat megszerkesztve a kt korongprofil kztti eltrs 0,024 mm.

Htrahajts oldal esetn a 4.b., s az 5.b. brk sszehasonltsakor megllapthat, hogy a 4.b. brn korongbedntsi szg korrekci nlkli esetben a csiga legkisebb- s legnagyobb osztkrtmrnl szmtott korongprofilok kztt 0,160 mm legnagyobb eltrs van. Ezzel szemben az 5.b. brn a vltoz korongbedntsi

szg korrekci esetn a csiga legkisebb- s legnagyobb osztkrtmrnl szmtott korongprofilok kztt 0,088 mm legnagyobb eltrs van. A htrahajts oldali optimlis oszttmrkhz tartoz korongprofilokat megszerkesztve a kt korongprofil kztti eltrs 0,036 mm. SSZEFOGLALS A vltoz tengelytv s vltoz korongbedntsi szg korrekci egyidej alkalmazsa esetn az elre- s htrahajts oldali korongprofilok szrdsai a csiga legkisebb s legnagyobb osztkrtmrinl szmtott korongprofilok kztt szkebb tartomnyon belliek (5. bra), mint korongbedntsi szg korrekci nlkli esetben (4. bra). Ebbl addan a Duds fle optimlis szerszmprofil meghatrozsi mdszerrel s a vltoz korongbedntsi szg korrekci alkalmazsval pontosabb szerszmprofilt kapunk, mint a korongbedntsi szg korrekci nlkli esetben. A tengelymetszetben krv profil kpos csigahajtm gyrtsa a DifiCAD Mrnkiroda Kft.-nl (Miskolc, Szentpteri kapu 5-7.) valsult meg. gyvezet igazgat: Dr. Duds Ills. KSZNETNYILVNTS

A cikkben/eladsban ismertetett kutat munka a TMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0008 jel projekt rszeknt az j Magyarorszg Fejlesztsi Terv keretben az Eurpai Uni tmogatsval, az Eurpai Szocilis Alap trsfinanszrozsval valsul meg.

IRODALOM [1] BNYAI, K., DUDS, I.: Analysis of the spiroid

drivings having new production geometry, Production Process and Systems, A Publication of the University of Miskolc, Volume I., Miskolc University Press, 2002, pp. 177 184. (HU ISSN 1215 - 0851)

[2] DUDS, I.: Csigahajtsok elmlete s gyrtsa, Mszaki Knyvkiad Kft., 2007., p. 334., ISBN 978-963-16-6047-0

[3] DUDS I., BODZS S., DUDS I. SZ., MNDY Z.: Konkv menetprofil spiroid csigahajtpr s eljrs annak kszrlssel trtn ellltsra, Szabadalmi iktatszm: P1200405, Szabadalmi bejelents napja: 2012.07.04.

[4] DUDS, I.: Szmjegyvezrls kszrkorong-profiloz berendezs, s eljrs annak szakaszos, illetve kszrls kzbeni folyamatos vezrlsre. Tallmny lajstromszma: 207 963, 1988. 09. 21. (OTH)


__________________________ * Tanrsegd, Budapesti Mszaki s Gazdasgtudomnyi Egyetem, Gpjrmvek s Jrmgyrts Tanszk e-mail: [email protected] ** Egyetemi docens, Budapesti Mszaki s Gazdasgtudomnyi Egyetem, Gpjrmvek s Jrmgyrts Tanszk

LZERSUGARAS FM-POLIMER HIBRID KTS, MINT J LEHETSG A KTSTECHNIKBAN

NEW OPPORTUNITY IN JOINING TECHNOLOGY: THE LASER ASSISTED METAL-PLASTIC HYBRID JOINING

Bauernhuber Andor ,*Markovits Tams **

ABSTRACT

The increase in the amount of plastics in our devices requires their joining with the henceforward essential metals. Thus, low-weight hybrid parts can be manufactured, which can simultaneously combine the benefits of different materials. In the course of this study, the authors joined PMMA plastic and steel in a pin to plate geometry by pulsed Nd:YAG laser. Tensile tests were carried out to investigate the effects of heating time, the laser settings, the surface roughness and the clamping force on the joining strength. Experimental results showed that the joining is feasible and using adequate settings the strength can be maximised.

1. BEVEZETS

Az utbbi vtizedben a tervezs s gyrts terletn j szempontok kerltek eltrbe, mint a fenntarthatsg, krnyezetvdelem, s az ezekkel sszefgg tmegcskkents. Az emltett elveknek az jabb konstrukcis megoldsok mellett j, kis srsg anyagok felhasznlsval tudunk eleget tenni. Innen fakad a manyagok bvl alkalmazsa, hiszen a tmegre vettett nagy szilrdsg, a j alakthatsg, a kmiai ellenll kpessg s a j elektromos- s hszigetel kpessg olyan tulajdonsgok, amelyekkel a manyagok eleget tesznek az j elvrsoknak [1]. Mindemellett tovbbra sem tudjuk nlklzni a fmeket a szerkezeteink tbbsgbl, ezrt egyre gyakrabban kell manyag s fm alkatrszek ktsrl gondoskodni. gy olyan alkatrszek kszthetk, ahol mindkt szerkezeti anyag elnyei egyidejleg kerlhetnek eltrbe. Fmek s manyagok ktsre szmos megolds fejldtt ki, de valamennyinek vannak htrnyai [2, 3]. gy pl. a mechanikai ktelemek alkalmazsa kros feszltsgcscsot okozhat s nehezen automatizlhat, mg a ragaszts adott esetben a ragaszt kikemnyedse miatt lass folyamat, a kts hllsga ltalban alacsony s a kiprolg oldszerek veszlyesek lehetnek az egszsgre is [4].

Kutatsunk clja egy olyan j, lzersugaras hibrid ktstechnolgia kifejlesztse, ami a mr ltez technolgiknak versenytrsa lehet, s kikszbli azok htrnyait. Cikknkben bemutatjuk az j ktst s megvizsgljuk a kts ltrejttt s minsgt befolysol tnyezket, gy pl. a hevtsi id, sszeszort er, lzerteljestmny s a felleti rdessg hatst.

2. KSRLETEK

A kutats sorn aclcsapokat ktttnk ssze

manyag lemezzel. Az acl anyag S235-s szerkezeti acl, mg a manyag poli(metil-metakrilt), vagyis plexi volt (Acriplex PMMA-XT). Az aclcsap s a PMMA lemez geometrija, a kts s a ksrleti sszellts vzlata, valamint a ksz kts az 1. brn lthat. Az aclcsap tmrje 5 mm, a PMMA lemez vastagsga 2 mm, ill. 5 mm. Az alkalmazott lzersugr-forrs LASAG SLS 200 tpus impulzuszem Nd:YAG szilrdtest lzer, a teljestmny-eloszls Gauss jelleg (TEM00 mdus).

1. bra. Ksrleti sszellts s a ksz kts

2. bra. A kts kialakulsa s a sorjakpzds

A mintt a manyaglemez fell sugroztuk be a lzersugrral. A manyag a lzersugr hullmhosszn 90%-os teresztkpessggel rendelkezik, ezrt a


n ugyan, de inkbb degresszv mdon. Feltn klnbsg tovbb, hogy a klnbz nyomerk az eltr benyomds ellenre is csak th=5 s s ennl magasabb hevtsi idk esetn okoznak eltrst a maximlis szakterben. Elmondhat teht, hogy a benyomds s a szakter egymssal nem egyenesen arnyos rtk.

5. bra. A hevtsi id s a nyomer hatsa a

benyomdsra

6. bra. A hevtsi id s a nyomer hatsa a maximlis szakterre

A lert klnbsgek a ktst ksr

buborkkpzdssel magyarzhatak. Amikor a manyag felhevl, a fm felletnl tallhat anyagrszben buborkok jnnek ltre, melyek szma s mrete azonos nyomer esetn a hevtsi id rtkvel n, ill. azonos hevtsi id esetn a nyomer nvekedsvel cskken. A buborkok kialakulst a manyag sszetevinek bomlsa okozhatja a hevts, ill. a loklis tlhevls sorn, de a pontos okok mg nem ismertek [6]. A lert buborkok a kt anyag hatrn anyagfolytonossgi hibt jelentenek, s a ktst gyengtik. Ennek ksznhet, hogy nagyobb benyomds esetn a szakter kisebb, mint vrnnk, hiszen a hosszabb hevtsi id alatt tbb s nagyobb mret bubork fejldik. A nyomernek is csak akkor n meg a szerepe, amikor a buborkkpzds mr intenzv, s azt a nyomer hatkonyan tudja cskkenteni, nvelve ezzel a szaktert. A hevtsi id s a nyomer hatst a buborkkpzdsre a 7. bra mutatja be.

7. bra. A hevtsi id valamint a nyomer hatsa a

buborkkpzdsre

A buborkok ktst gyengt hatst a nagyobb benyomds s az ebbl add nagyobb ktsi fellet csak egy ideig tudja kompenzlni, gy adott hevtsi id utn a benyomds hiba n, a kts szilrdsga cskken, a szakter diagramjban egy maximum jelentkezik. A maximumot 2 mm-es lemezek esetn nem lehet kimutatni, mert a lemez mr az optimumot jelent hevtsi id eltt tszakad. Jl kimutathat viszont 5 mm vastag PMMA lemezek esetn, ahol a lemez nagy hevtsi idk mellett (th=11 s) sem szakad t. A 8. bra a benyomdst, mg a 9. bra a szaktert adja meg a hevtsi id fggvnyben 5 mm lemezvastagsg s Fny=6 N nyomer esetn. A th=3 s, 5 s, 7 s, 9 s s 11 s hevtsi id mellett kszlt mintk kzl 3-3 darabon a csap homlokfellete feletti anyagrszt kimunkltuk a manyaglemezbl, hogy a palst- s homlokfellet szerept a ktsben szt tudjuk vlasztani. Ekkor a ktsben csak a csap palstfellete vett kszt. A szakts utni eredmnyekbl lthat, hogy a buborkok gyengt hatsa elssorban a homlokfelleten jelentkezik, mert a kimunklt mintk esetn a szakter monoton n, mg a nem kimunklt mintk esetn th=5 s hevtsi idt meghaladva cskkenni kezd. A nvekv szakter a kimunklt mintk esetn a palstfellet s a manyag kzt kialakul kapcsoldsi fellet nvekedsvel magyarzhat.

8. bra. Benyomds a hevtsi id fggvnyben, 5 mm vastag PMMA lemez esetn

Ra = 0,5-1,5 m lv= 2 mm

Ra = 0,5-1,5 m lv= 2 mm

Fny = 6 N Ra = 0,5-1,5 m lv= 5 mm

Fny = 6 N Ra = 0,5-1,5 m lv= 5 mm

sugrzs a manyagon thaladva a fm felletn nyeldik el, s kzvetlenl a fmet hevti [5]. Az acl hevlse sorn a h egy rszt tadja a PMMA anyagnak, gy a manyagot kzvetve hevtjk. A manyag a hmrsklet nvekedsvel lgyul s viszkzusan folys llapotba kerl, ezrt az aclcsap az alkalmazott nyomer miatt a manyagba sllyed. Ekzben a csap homlokfellete eltt jabb s jabb anyagrsz hevl fel, ami a lgyuls utn a csap palstja mentn, htrafel tvozik, s a manyag belp felletn a csap krl sorjt kpez. Az anyagok gyors lehlse utn, ami mindssze nhny msodpercet vesz ignybe, ltrejn a kts. A kts kialakulsnak lpseit s a sorjakpzdst a 2. bra szemllteti. A ksrletek sorn alapesetben hasznlt belltsok: a nyomer rtke 3,2 N, az tlagos felleti rdessg 0,51,5 m, a lzeres belltsok rtkei pedig a kvetkezek voltak: f=100 Hz, tp=0,5 ms, Ep=2 J, ahol f az impulzusfrekvencia, tp az impulzusid s Ep az impulzusenergia.

A hevtsi id hatsnak vizsglatakor a hevtsi idt th=2 s s th=11 s kzt mdostottuk.

A nyomer hatsnak vizsglatakor az alkalmazott errtkek Fny=3,2 N, 6 N, 9,2 N voltak.

A lemezvastagsg hatst 2 mm, 3 mm, 4 mm s 5 mm vastag PMMA lemezek alkalmazsval vizsgltuk.

A lzerteljestmny hatsnak vizsglatakor az tlagteljestmnyt a frekvenciartk mdostsval szablyoztuk, a frekvencia 60 Hz s 100 HZ, a teljestmny Pa=120 W s Pa=200 W kzt vltozott, a hevtsi id th=4 s volt.

A felleti rdessg hatsnak vizsglatakor az rdessg rtkt Ra=0,5 m s Ra= 10 m kzt vltoztattuk, a hevtsi id th=6 s volt.

Minden esetben 4,75 l/perc mennyisg argon vdgzt hasznltunk. A kter meghatrozshoz a mintkat elszaktottuk, az aclcsapot kitptk a manyaglemezbl. A ktsltests s a szakts kzt 24 ra telt el.

3. EREDMNYEK RTKELSE

3.1. A hevtsi id, a nyomer s a lemezvastagsg hatsa

Elsknt a hevtsi id s a nyomer hatst

vizsgltuk a benyomdsra s a szakterre. A klnbz lemezvastagsgoknl alkalmazott hevtsi id minimlis rtke ltalban th=3s, mert ennl rvidebb ideig trtn hevtskor a manyag nem ri el a lgyulshoz szksges hmrskletet, mg az idmaximum a lemez vastagsgtl fgg: a fels hatr, aminl a nyomer hatsra a csap a lemezt mg ppen nem lyukasztja t. Ez 2mm-es lemeznl th=7 s, mg 5 mm-es lemeznl th=11 s. Megfelel hevtsi id megvlasztsval elrhet, hogy a PMMA lemez felszne nem deformldik, gy olyan kts hozhat ltre, ahol a fellet nem srl, s nem is vltoztatja meg alakjt. A 3. brn a ktsek metszeteit, a 4. brn a

ktsek szaktdiagramjait mutatjuk be. Lthat a benyomds vltozsbl add eltrs a szaktdiagramokban. Rvid hevtsi idk esetn (th=34 s) az er a maximum elrse utn azonnal a 0 rtkre esik vissza. Ebben az esetben csak a csap homlokfellete vesz rszt a ktsben. Ezzel szemben a hosszabb hevtsi idk esetn (th=47 s) a csap palstfelletnek szerepe megnvekszik. Ekkor szaktskor az er nem esik azonnal nullra, hanem van egy msodik, kisebb maximumrtk is, amely valsznleg a manyag zsugorodsbl s a felleten tallhat rdessgi cscsok alakzrsbl addik. Ebben az esetben az er fokozatosan cskken, ahogy a csapot az ltala ltrehozott regbl kihzzuk, vgl 0 rtkre cskken.

3. bra. A ktsek keresztmetszete klnbz hevtsi

idk esetn, 2 mm vastag lemez esetn

4. bra. Eltr hevtsi idvel kszlt ktsek

szaktdiagramjai

Az 5. s 6. brn a hevtsi id s a nyomer hatst lthatjuk a benyomdsra s a maximlis szakterre. Ahogy azt a keresztmetszeti kpekbl is lthattuk, a nvekv hevtsi idvel a benyomds is n, mghozz gyorsul temben (5. bra). A vrakozsoknak megfelelen a nagyobb nyomer azonos hevtsi id esetn nagyobb benyomdst hoz ltre, azonban ezekben az esetekben th=7 s hevtsi id alkalmazsakor a manyag mr tszakad. A maximlis szakter szintn nvekszik a hevtsi id nvelsvel, de nem a benyomdssal egyenesen arnyosan. Lthat, hogy Fny=3,2 N esetn a benyomds a hevtsi idvel gyorsul temben n, mg a maximlis szakter rtke


meglgyult manyag felveszi a fmcsap alakjt, az rdessgi cscsokat krbefolyja, gy alakzrs jn ltre a palstfelleten. Minl nagyobb az rdessg, vagyis a cscsok mrete, annl ersebb az alakzr hats. A ktsek metszett Ra=1 m s Ra=10 m rdessg esetn a 15. bra mutatja be.

13. bra. Az tlagos rdessg hatsa a benyomdsra

14. bra. Az tlagos rdessg hatsa a szakterre

15. bra. A ktsek keresztmetszete eltr rdessgek mellett

4. SSZEFOGLALS Cikkben bemutatsra kerltek a fbb tnyezk hatsai a kts jellemzire, gy mint a benyomds s a maximlis szakter, s lertuk a ktst ksr buborkosods jelensgt, s annak hatst a kts szilrdsgra. Az eredmnyeinkbl az albbi kvetkeztetsek vonhatk le:

- A lzerrel segtett kts acl s PMMA manyag kztt ltrehozhat;

- A hevtsi id s az tlagteljestmny nvelsvel a benyomds s a maximlis

szakter nvelhet, de csak egy adott rtkig,

tovbbi hevtsi idnvels a szaktert

cskkenti; - A kts ltrejtte sorn buborkkpzds

figyelhet meg, melynek intenzitsa a hevtsi

id s az tlagteljestmny nvelsvel n. A

buborkok anyaghibaknt gyengtik a ltrejtt

ktst, de a buborkok mennyisge az

alkalmazott nyomer nvelsvel

cskkenthet. A buborkok ktsgyengt hatsa elssorban a csap homlokfelletn

jelentkezik; - A lemezvastagsg nvelsvel a kts

szilrdsga nvelhet, mert a lemez merevsge

megn; - A lzerteljestmny hatsa a hevtsi id

hatshoz hasonl: a teljestmny nvelsvel

a benyomds s a szakter is n, de a

ktsszilrdsgot a fokozd buborkkpzds

lerontja; - A szakter a felleti rdessg nvelsvel

hatkonyan javthat, a javul lzersugr-elnyel kpessggel s az rdessgi cscsok

miatt kialakul alakzrssal magyarzhat.

5. IRODALOM

[1] Jens HOLTKAMP, Andreas ROESNER, Arnold GILLNER: Advances in hybrid laser joining, International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2010) 47: 923930

[2] Andreas ROESNER, Sven SCHEIK, Alexander OLOWINSKY, Arnold GILLNER, Uwe REISGEn, Markus SCHLESER: Laser Assisted Joining of Plastic Metal Hybrids, Physics Procedia 12 (2011) 373380

[3] Tams MARKOVITS, Andor BAUERNHUBER, Mrton GCZY: Investigating the shape locking phenomenon in case of LAMP joining technology, Physics Procedia 39 ( 2012 ) 100 107

[4] A. FORTUNATO, G. CUCCOLINI, A. ASCARI, L. ORAZI, G. CAMPANA, G. TANI: Hybrid metal-plastic joining by means of laser, International Journal of Mater Forming (2010), Vol. 3 Suppl 1:1131 1134, Springer-Verlag France 2010

[5] G. W. EHRENSTEIN: Handbuch Kunststoff-Verbindungstechnik, Karl Hanser Verlag, Mnchen, 2004

[6] Seiji KATAYAMA, Yousuke KAWAHITO: Laser direct joining of metal and plastic, Scripta Materialia 59 (2008) 1247125

th = 6 s Fny = 3,2 N lv= 2 mm

th = 6 s Fny = 3,2 N lv= 2 mm

9. bra. A szakter alakulsa a hevtsi id fggvnyben, 5 mm vastag PMMA lemez, ill.

homlokfellet felett kimunklt, s nem kimunklt, teljes mintk esetn

Ha a 6. brn s a 9. brn megadott szakter

rtkeit sszehasonltjuk Fny=6 N nyomer s tetszleges hevtsi id mellett, megfigyelhet, hogy nagyobb lemezvastagsg alkalmazsval a szakter nvekszik. A jelensg magyarzata, hogy a manyaglemez merevsge megn, ha vastagsga nagyobb, ami a szakts sorn nagyobb szilrdsgot biztost. A 10. brn azonos, th= 5 s hevtsi id s Fny=6 N nyomer mellett, de eltr vastagsg manyaglemezzel kszlt ktsek szakter-tlagai lthatk, ahol jl megfigyelhet a nagyobb lemezvastagsg ktsszilrdsg nvel hatsa.

10. bra A lemezvastagsg hatsa a szakterre

3.2. A lzerteljestmny hatsa

A 11. s a 12. brn az tlagos lzerteljestmny hatst ltjuk a benyomdsra s a maximlis szakterre, 2 mm vastag PMMA lemez s th=4 s hevtsi id esetn. A teljestmnyt az impulzusfrekvencia vltoztatsval szablyoztuk, mg az impulzusteljestmny, az impulzusid, s gy az impulzusenergia is lland maradt. Hasonl tendencit figyelhetnk meg, mint a hevtsi id hatsnak vizsglata esetn: a nvekv tlagteljestmny a

benyomdst s a szaktert is nveli, a benyomdst kzel egyenesen arnyosan, mg a szaktert cskken meredeksggel. Az eltrs magyarzata itt is a buborkokban keresend: hiba hoz ltre a nagyobb teljestmny nagyobb benyomdst s nvekv kapcsoldsi felletet, mert a nvekv hmrsklet ltal okozott egyre intenzvebb buborkkpzds a benyomds hatst tomptja, lerontja.

11. bra. Az tlagos lzerteljestmny hatsa a

benyomdsra


legnagyobb szakterre

3.3. Az rdessg hatsa

A 13. brn a felleti rdessg hatst mutatjuk be a benyomdsra s a 14. brn pedig a maximlis szakterre. A hevtsi id th=6 s volt, hogy megfelelen mly benyomdst rjnk el, s a palstfellet is rszt tudjon venni a ktsben. Lthat, hogy a felleti rdessg nvelsvel n a benyomds s a szakter is; a szakter rtke Ra=1 m helyett Ra=10 m rdessg alkalmazsa esetn 200 N-rl 400 N-ra, a ktszeresre ntt. A nvekv benyomds oka, hogy a nagyobb rdessg homlokfellet a lzersugarat jobb hatsfokkal nyeli el, gy azonos hevtsi id esetn is jobban felhevl az acl s n a benyomds. A nvekv szakter oka egyrszt a nagyobb benyomdsbl add nagyobb kontaktfellet, msrszt pedig a mlyebb barzdk a palstfelleten. A

th = 5s Fny = 6 N Ra = 0,5-1,5 m

th = 4s Fny = 3,2 N Ra = 0,5-1,5 m lv= 2 mm

th = 4s Fny = 3,2 N Ra = 0,5-1,5 m lv= 2 mm

Fny = 6 N Ra = 0,5-1,5 m lv= 5 mm

th = 4s Fny = 3,2 N Ra = 0,5-1,5 m lv= 2 mm


meglgyult manyag felveszi a fmcsap alakjt, az rdessgi cscsokat krbefolyja, gy alakzrs jn ltre a palstfelleten. Minl nagyobb az rdessg, vagyis a cscsok mrete, annl ersebb az alakzr hats. A ktsek metszett Ra=1 m s Ra=10 m rdessg esetn a 15. bra mutatja be.

13. bra. Az tlagos rdessg hatsa a benyomdsra

14. bra. Az tlagos rdessg hatsa a szakterre

15. bra. A ktsek keresztmetszete eltr rdessgek mellett

4. SSZEFOGLALS Cikkben bemutatsra kerltek a fbb tnyezk hatsai a kts jellemzire, gy mint a benyomds s a maximlis szakter, s lertuk a ktst ksr buborkosods jelensgt, s annak hatst a kts szilrdsgra. Az eredmnyeinkbl az albbi kvetkeztetsek vonhatk le:

- A lzerrel segtett kts acl s PMMA manyag kztt ltrehozhat;

- A hevtsi id s az tlagteljestmny nvelsvel a benyomds s a maximlis

szakter nvelhet, de csak egy adott rtkig,

tovbbi hevtsi idnvels a szaktert

cskkenti; - A kts ltrejtte sorn buborkkpzds

figyelhet meg, melynek intenzitsa a hevtsi

id s az tlagteljestmny nvelsvel n. A

buborkok anyaghibaknt gyengtik a ltrejtt

ktst, de a buborkok mennyisge az

alkalmazott nyomer nvelsvel

cskkenthet. A buborkok ktsgyengt hatsa elssorban a csap homlokfelletn

jelentkezik; - A lemezvastagsg nvelsvel a kts

szilrdsga nvelhet, mert a lemez merevsge

megn; - A lzerteljestmny hatsa a hevtsi id

hatshoz hasonl: a teljestmny nvelsvel

a benyomds s a szakter is n, de a

ktsszilrdsgot a fokozd buborkkpzds

lerontja; - A szakter a felleti rdessg nvelsvel

hatkonyan javthat, a javul lzersugr-elnyel kpessggel s az rdessgi cscsok

miatt kialakul alakzrssal magyarzhat.

5. IRODALOM

[1] Jens HOLTKAMP, Andreas ROESNER, Arnold GILLNER: Advances in hybrid laser joining, International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2010) 47: 923930

[2] Andreas ROESNER, Sven SCHEIK, Alexander OLOWINSKY, Arnold GILLNER, Uwe REISGEn, Markus SCHLESER: Laser Assisted Joining of Plastic Metal Hybrids, Physics Procedia 12 (2011) 373380

[3] Tams MARKOVITS, Andor BAUERNHUBER, Mrton GCZY: Investigating the shape locking phenomenon in case of LAMP joining technology, Physics Procedia 39 ( 2012 ) 100 107

[4] A. FORTUNATO, G. CUCCOLINI, A. ASCARI, L. ORAZI, G. CAMPANA, G. TANI: Hybrid metal-plastic joining by means of laser, International Journal of Mater Forming (2010), Vol. 3 Suppl 1:1131 1134, Springer-Verlag France 2010

[5] G. W. EHRENSTEIN: Handbuch Kunststoff-Verbindungstechnik, Karl Hanser Verlag, Mnchen, 2004

[6] Seiji KATAYAMA, Yousuke KAWAHITO: Laser direct joining of metal and plastic, Scripta Materialia 59 (2008) 1247125

th = 6 s Fny = 3,2 N lv= 2 mm

th = 6 s Fny = 3,2 N lv= 2 mm

9. bra. A szakter alakulsa a hevtsi id fggvnyben, 5 mm vastag PMMA lemez, ill.

homlokfellet felett kimunklt, s nem kimunklt, teljes mintk esetn

Ha a 6. brn s a 9. brn megadott szakter

rtkeit sszehasonltjuk Fny=6 N nyomer s tetszleges hevtsi id mellett, megfigyelhet, hogy nagyobb lemezvastagsg alkalmazsval a szakter nvekszik. A jelensg magyarzata, hogy a manyaglemez merevsge megn, ha vastagsga nagyobb, ami a szakts sorn nagyobb szilrdsgot biztost. A 10. brn azonos, th= 5 s hevtsi id s Fny=6 N nyomer mellett, de eltr vastagsg manyaglemezzel kszlt ktsek szakter-tlagai lthatk, ahol jl megfigyelhet a nagyobb lemezvastagsg ktsszilrdsg nvel hatsa.

10. bra A lemezvastagsg hatsa a szakterre

3.2. A lzerteljestmny hatsa

A 11. s a 12. brn az tlagos lzerteljestmny hatst ltjuk a benyomdsra s a maximlis szakterre, 2 mm vastag PMMA lemez s th=4 s hevtsi id esetn. A teljestmnyt az impulzusfrekvencia vltoztatsval szablyoztuk, mg az impulzusteljestmny, az impulzusid, s gy az impulzusenergia is lland maradt. Hasonl tendencit figyelhetnk meg, mint a hevtsi id hatsnak vizsglata esetn: a nvekv tlagteljestmny a

benyomdst s a szaktert is nveli, a benyomdst kzel egyenesen arnyosan, mg a szaktert cskken meredeksggel. Az eltrs magyarzata itt is a buborkokban keresend: hiba hoz ltre a nagyobb teljestmny nagyobb benyomdst s nvekv kapcsoldsi felletet, mert a nvekv hmrsklet ltal okozott egyre intenzvebb buborkkpzds a benyomds hatst tomptja, lerontja.


benyomdsra


legnagyobb szakterre

3.3. Az rdessg hatsa

A 13. brn a felleti rdessg hatst mutatjuk be a benyomdsra s a 14. brn pedig a maximlis szakterre. A hevtsi id th=6 s volt, hogy megfelelen mly benyomdst rjnk el, s a palstfellet is rszt tudjon venni a ktsben. Lthat, hogy a felleti rdessg nvelsvel n a benyomds s a szakter is; a szakter rtke Ra=1 m helyett Ra=10 m rdessg alkalmazsa esetn 200 N-rl 400 N-ra, a ktszeresre ntt. A nvekv benyomds oka, hogy a nagyobb rdessg homlokfellet a lzersugarat jobb hatsfokkal nyeli el, gy azonos hevtsi id esetn is jobban felhevl az acl s n a benyomds. A nvekv szakter oka egyrszt a nagyobb benyomdsbl add nagyobb kontaktfellet, msrszt pedig a mlyebb barzdk a palstfelleten. A

th = 5s Fny = 6 N Ra = 0,5-1,5 m

th = 4s Fny = 3,2 N Ra = 0,5-1,5 m lv= 2 mm

th = 4s Fny = 3,2 N Ra = 0,5-1,5 m lv= 2 mm

Fny = 6 N Ra = 0,5-1,5 m lv= 5 mm

th = 4s Fny = 3,2 N Ra = 0,5-1,5 m lv= 2 mm


__________________________ * MSc hallgat, Budapesti Mszaki s Gazdasgtudomnyi Egyetem, Mszaki Mechanikai Tsz. ** egyetemi docens, Budapesti Mszaki s Gazdasgtudomnyi Egyetem, Mszaki Mechanikai Tsz.

A SMITH-PREDIKTOR IDTARTOMNYBELI VIZSGLATA

ANALYSIS OF THE SMITH PREDICTOR IN TIME DOMAIN

Hajdu Dvid*, Insperger Tams**

ABSTRACT

Time domain representation of the original Smith Predictor is presented for systems with feedback delays. It is shown that if the parameters in the internal model of the predictor are not equal to the parameters of the real system, then the dimension of the closed loop system is double of the dimension of the open-loop system. Furthermore, it is shown that the original Smith Predictor can stabilize unstable plants for some extremely detuned internal model parameters. Thus the general concept that the Smith Predictor is not capable to stabilize unstable systems is technically not true.

1. BEVEZETS

Zrt szablyozsi krk stabilitsi tulajdonsgait jelentsen befolysolhatja a kimenet s a bemenet megjelense kztt eltelt holtid [1,2]. A visszacsatolsi idkss kompenzlsnak egyik leggyakrabban hasznlt mdszere a prediktv szablyozs, melynek a lnyege az, hogy a szablyozott jellemzk aktulis rtkt egy bels modell alapjn megbecsljk, s a szablyozt erre a becslt rtkre alkalmazzuk. Az egyik leggyakrabban hivatkozott prediktv szablyoz a Smith-prediktor [3]. Ismert, hogy a Smith-prediktort elssorban stabilis folyamatokra lehet sikeresen hasznlni [4]. Azonban stabilis folyamatok szablyozsa esetn is a zrt szablyozsi kr stabilitsa rzkeny a szablyoz ltal hasznlt bels modell paramtereinek pontossgra [5]. A Smith-prediktort ltalban hatsvzlatval illetve tviteli fggvnyvel definiljk. A jelen cikkben megadjuk a Smith-prediktort ler llapotegyenleteket, s egy egyszer egyenslyozsi feladaton keresztl szemlltetjk a zrt szablyozsi kr paramterektl val rzkenysgt. Megmutatjuk, hogy nagy paramter eltrsek esetn hatrtmenetben a Smith-prediktor egy PD szablyozhoz tart, amellyel akr instabil folyamatot is stabilizlhatunk.

2. A SMITH-PREDIKTOR LERSA FREKVENCIA TARTOMNYBAN

A Smith-prediktor blokk diagramja az 1. brn

lthat. A szablyozott szakasz tviteli fggvnye ,

a szablyoz tviteli fggvnye , az alapjel , a mdostott jellemz , szablyozott jellemz s a tnyleges holtid . Ha a Smith-prediktor ltal hasznlt bels modell tviteli fggvnye s a prediktor ltal hasznlt holt id , akkor a zavar jel s az szablyozott jellemz kztt felrt tviteli fggvny a kvetkez alakban adhat meg

(1)

A szablyozott szakasz s a szablyoz tviteli fggvnyt trt alakban felrva az tviteli fggvny az albbi alakban adhat meg

(2)

(3)

Ebbl az alakbl lthat, hogy ha , akkor a nyitott rendszer plusai megjelennek a zrt rendszer plusai kztt. Ennek kvetkezmnye, hogy pontos bels modell esetn a Smith-prediktor csak stabilis folyamatok esetn javasolt [5].

1. bra A Smith-prediktor blokk diagramja

3. A SMITH-PREDIKTOR LERSA IDTARTOMNYBAN

A blokkdiagram alapjn a Smith-prediktor

llapotegyenlete a kvetkez alakban adhat meg

(4)

(5)

(6)

ahol az llapot vltozk vektora, a Smith-prediktor ltal becslt llapot vltozk vektora, a mdostott jellemzk vektora, s a rendszer illetve a bemeneti mtrix, mg s a rendszer s a bemeneti mtrixok Smith-prediktor ltal hasznlt modellje. A mtrix tartalmazza a szablyoz erstsi tnyezit. A (6) egyenletet behelyettestve a (4) s az (5) egyenletekbe addik a Smith-prediktort ler ksleltetett differencilegyenlet rendszer

(7)

(8)

Idelis esetben , s , ekkor , s a rendszer ekvivalens az -dimnezis rendszerrel. Azonban ha a Smith-prediktor paramterei nem egyeznek meg a vals rendszer paramtereivel, akkor a rendszert a (7)-(8) differencilegyenlet-rendszer rja le, amelynek a dimenzija , azaz az eredeti rendszer dimenzijnak ktszerese. A rendszer karakterisztikus egyenlete

(9)

melynek gykei adjk a zrt szablyozsi kr plusait. A rendszer stabilitst ezrt a (9) egyenlet gykeinek vizsglatval hatrozhatjuk meg.

4. MSODREND RENDSZER VIZSGLATA Reflexksst tartalmaz egyenslyozsi problmk

egyik legegyszerbb modelljt a kvetkez msodrend rendszer adja [6]

(10)

A 2. brn lthat homogn inga modellek esetn jelli az inga fgglegessel bezrt szgt. Az rendszerparamter hagyomnyos inga esetn , az inverz inga esetn , ahol az inga hossza, pedig a nehzsgi gyorsuls. A fajlagos szablyoz

er alakban adhat meg, ahol az inga tmege, pedig az aktulis szablyoz er. Egy PD szablyoz esetn ahol a propocionlis s a derivatv erstsi tnyez. A megfelel stabilitsi trkpeket a 3. bra mutatja, ahol a stabil paramtertartomnyokat szrke sznnel jelltk, s az instabil gykk szmt is megadtuk. Ismeretes, hogy ha a holtid nagyobb egy kritikus rtknl, akkor az instabil rendszer nem stabilizlhat. PD szablyoz esetn a kritikus holtid , ami az inverz inga esetn a sszefggst adja [6].

Bevezetve a

(11)

jellst, a (10) egyenlet trhat a (4) egyenlet alakjra. A Smith-prediktor ezek utn a (8)-(9) egyenletekkel vizsglhat. A bels modell ltal hasznlt paramtereket ( s ) hullmmal jelljk.

2. bra A hagyomnyos s az inverz inga

3. bra PD szablyozval szablyozott

hagyomnyos inga (fent) s inverz inga (lent) stabilitsi trkpei esetn


A 4. s az 5. bra a Smith-prediktorral kompenzlt stabilis nyitott rendszer stabilitsi trkpeit mutatja kis s nagy paramter eltrsek esetn. Lthat, hogy az egyes tartomnyok stabilitsa fgg attl, hogy a bels rendszerparamter alulrl vagy fellrl kzelti a vals rtket. Mg esetn jl lthat a stabil tartomny, addig esetn majdnem eltnik. A stabilitsi trkpek vltozst esetn a 6. bra mutatja, mg az hatrtmenet vltozsai a 7. brn lthatk. A 6. brn lthat, hogy extrm nagy eltrsek esetn ( ) a stabilis tartomny a ksleltetett PD szablyoz stabilis tartomnyhoz tart. Ebben az

esetben az az tagok a (7)-es s a (8)-as egyenletekben elhanyagolhatk az taghoz kpest. A 4. s az 5. brk azt is mutatjk, hogy az idkss modellezsnek pontatlansgra (azaz -ra) a rendszer mr kevsb rzkeny.

Instabilis nyitott rendszer esetn (inverz inga) a stabilitsi trkpeket a 8. bra mutatja. Lthat, hogy nagy s ellenttes rtelm paramter eltrs esetn (pl. vagy ) ltezik stabil tartomny. Ebben az esetben a rendszer lnyegben PD szablyozknt mkdik. A 6., 7. s a 8. brkon feltntetett szmok az instabil plusok szmt jellik.

4. bra Stabilitsi trkpek kis paramter eltrsek esetn ( , ) - stabilis nyitott rendszer

5. bra Stabilitsi trkpek nagy paramter eltrsek esetn ( , ) - stabilis nyitott rendszer

6. bra Stabilitsi trkpek vltozsa a rendszerparamter eltrse esetn ( , , PD = PD szablyoz

holtidvel; SP = Smith-prediktor) - stabilis nyitott rendszer

7. bra Stabilitsi trkpek vltozsa kis paramter eltrsek esetn ( , ) - stabilis nyitott rendszer


holtidvel; SP = Smith-prediktor) - instabilis nyitott rendszer

5. SSZEGZS A Smith-prediktorral kompenzlt rendszer stabilitsi

tulajdonsgait vizsgltuk egy msodrend rendszer (inverz inga s hagyomnyos inga) pldjn keresztl. Megmutattuk, hogy a Smith-prediktort ler llapotegyenletek dimenzija megegyezik a nyitott rendszer mretnek ktszeresvel. A rendszer stabilitst a karakterisztikus egyenlet vizsglatval hatroztuk meg. Stabilitsi trkpekkel demonstrltuk, hogy a Smith-prediktor mennyire rzkeny a modell paramtereinek a pontossgra. Megmutattuk, hogy irrelisan nagy s ellenttes rtelm paramter eltrsek esetn a Smith-prediktor alkalmazhat instabilis folyamatokra is.

6. KSZNETNYILVNTS

A bemutatott kutat munka az OTKAK105433 jel

projekt rszeknt az Orszgos Tudomnyos Kutatsi Alapprogramok tmogatsval valsult meg.

7. IRODALOM

[1] LANTOS B.,: Irnytsi rendszerek elmlete s tervezse I, Akadmiai Kiad, Budapest, 2001.

[2] KEVICZKY L., BARS R., HETTHSSY J., BARTA A., BNYSZ CS.: Szablyozstechnika, Megyetemi Kiad, Budapest, 2007.

[3] SMITH O.J.M.: Closer control of loops with dead time, Chem. Engrg. Prog., Vol. 53, No. 5, (1957), pp. 217-219.

[4] PALMOR Z. J.:Time-delay compensation: Smith predictor and its modifications. The Control Hand-book, pp. 224-237, CRC and IEEE Press, 2000.

[5] MICHIELS W., NICULESCU S.-I.: Stability and Stabilization of Time Delay Systems - An Eigenvalue Based Approach, SIAM Publications, Philadelphia, 2007.

[6] STEPAN G.: Delay effects in the human sensory system during balancing, Phil. Trans. Roy. Soc. A, Vol. 367, (2009), pp. 1951212.


A 4. s az 5. bra a Smith-prediktorral kompenzlt stabilis nyitott rendszer stabilitsi trkpeit mutatja kis s nagy paramter eltrsek esetn. Lthat, hogy az egyes tartomnyok stabilitsa fgg attl, hogy a bels rendszerparamter alulrl vagy fellrl kzelti a vals rtket. Mg esetn jl lthat a stabil tartomny, addig esetn majdnem eltnik. A stabilitsi trkpek vltozst esetn a 6. bra mutatja, mg az hatrtmenet vltozsai a 7. brn lthatk. A 6. brn lthat, hogy extrm nagy eltrsek esetn ( ) a stabilis tartomny a ksleltetett PD szablyoz stabilis tartomnyhoz tart. Ebben az

esetben az az tagok a (7)-es s a (8)-as egyenletekben elhanyagolhatk az taghoz kpest. A 4. s az 5. brk azt is mutatjk, hogy az idkss modellezsnek pontatlansgra (azaz -ra) a rendszer mr kevsb rzkeny.

Instabilis nyitott rendszer esetn (inverz inga) a stabilitsi trkpeket a 8. bra mutatja. Lthat, hogy nagy s ellenttes rtelm paramter eltrs esetn (pl. vagy ) ltezik stabil tartomny. Ebben az esetben a rendszer lnyegben PD szablyozknt mkdik. A 6., 7. s a 8. brkon feltntetett szmok az instabil plusok szmt jellik.

4. bra Stabilitsi trkpek kis paramter eltrsek esetn ( , ) - stabilis nyitott rendszer

5. bra Stabilitsi trkpek nagy paramter eltrsek esetn ( , ) - stabilis nyitott rendszer


holtidvel; SP = Smith-prediktor) - stabilis nyitott rendszer

7. bra Stabilitsi trkpek vltozsa kis paramter eltrsek esetn ( , ) - stabilis nyitott rendszer


holtidvel; SP = Smith-prediktor) - instabilis nyitott rendszer

5. SSZEGZS A Smith-prediktorral kompenzlt rendszer stabilitsi

tulajdonsgait vizsgltuk egy msodrend rendszer (inverz inga s hagyomnyos inga) pldjn keresztl. Megmutattuk, hogy a Smith-prediktort ler llapotegyenletek dimenzija megegyezik a nyitott rendszer mretnek ktszeresvel. A rendszer stabilitst a karakterisztikus egyenlet vizsglatval hatroztuk meg. Stabilitsi trkpekkel demonstrltuk, hogy a Smith-prediktor mennyire rzkeny a modell paramtereinek a pontossgra. Megmutattuk, hogy irrelisan nagy s ellenttes rtelm paramter eltrsek esetn a Smith-prediktor alkalmazhat instabilis folyamatokra is.

6. KSZNETNYILVNTS

A bemutatott kutat munka az OTKAK105433 jel

projekt rszeknt az Orszgos Tudomnyos Kutatsi Alapprogramok tmogatsval valsult meg.

7. IRODALOM

[1] LANTOS B.,: Irnytsi rendszerek elmlete s tervezse I, Akadmiai Kiad, Budapest, 2001.

[2] KEVICZKY L., BARS R., HETTHSSY J., BARTA A., BNYSZ CS.: Szablyozstechnika, Megyetemi Kiad, Budapest, 2007.

[3] SMITH O.J.M.: Closer control of loops with dead time, Chem. Engrg. Prog., Vol. 53, No. 5, (1957), pp. 217-219.

[4] PALMOR Z. J.:Time-delay compensation: Smith predictor and its modifications. The Control Hand-book, pp. 224-237, CRC and IEEE Press, 2000.

[5] MICHIELS W., NICULESCU S.-I.: Stability and Stabilization of Time Delay Systems - An Eigenvalue Based Approach, SIAM Publications, Philadelphia, 2007.

[6] STEPAN G.: Delay effects in the human sensory system during balancing, Phil. Trans. Roy. Soc. A, Vol. 367, (2009), pp. 1951212.


KALICKS INDUKCIS MOTOR HIBADIAGNOSZTIZLSAREZGS S MOTORRAM ANALZIS EGYTTES

ALKALMAZSVAL

FAULT DIAGNOSIS IN SQUIRREL-CAGE INDUCTION MOTORS USING VIBRATION AND CURRENT ANALYSIS JOINTLY

Dr. Ladnyi Gbor*; Ladnyi Gerg**

ABSTRACTThe squirrel-cage induction motors are typical power source in mining industry. The application of condition based maintenance strategies rely on specialized monitors to reliably provide a measure of the health of the drive system. Thus, unexpected failures and consequent downtime may be avoided and/or the time between planned shutdowns for planned maintenance may be increased. Maintenance and operational costs are thus reduced.

1. BEVEZETS

Az aszinkron (indukcis) motorokat, mint ergpeket szakmai berkekben szoktk a villamos hajtsok igslovnak is nevezni. Az elnevezs nem tlzs, ha figyelembe vesszk, hogy korunkban egy iparosodott nemzet villamos energiatermelsnek kb. 45-50%-t aszinkron motoros hajtsok hasznljk el.[1] Ezt az elterjedtsget alapveten a rvidrezrt (kalicks) forgrsz kivitel kedvez tulajdonsgaival magyarzhatjuk. Ezen motorok mkdsi elve ugyanis lehetv teszi a nyomatk kpzdst pusztn az ltal, hogy csak az llrsz tekercselst tplljuk meg a szksges tbbfzis vltakoz feszltsggel, s nincs szksg a forgrsz vezetihez nagyram cssz kontaktusokon keresztli hozzfrsre. Ezen tlmenen, a tekercselt forgrsz helyett, az un. kalicks forgrsz alkalmazsa mretcskkenst s javul hatsfokot eredmnyez. Mindezek alkalmass teszik ezt a motor tpust olyan zrt, strapabr felpts kialaktsra, ami radsul zemideje alatt viszonylag kevs gondozst ignyel. Elbbiek, bnyszati alkalmazsok esetn az alapvet elvrsok kz tartoznak. (Azrt igyeksznk gyorsan hangslyozni, hogy a viszonylag kevs gondozs s a gondozs mentessg kifejezsek ltal kpviselt tevkenysgek nem egyenrtkek!)

A tpll hlzat frekvencijhoz kttt szinkronfordulatszm merevsge korbban akadlya volt annak, hogy fordulatszm-szablyozott hajtsokat, egyenram gpek kzbeiktatsa nlkl, kzvetlenl aszinkron motorok segtsgvel valstsanak meg. A teljestmny-flvezetk fejldsnek eredmnyeknt azonban ma mr a szablyozott villamos hajtsok terletn is egyre tbb helyen s egyre nagyobb teljestmny tartomnyban alkalmaznak egyenram motorok helyett, kalicks aszinkron motorokat. Ilyen esetben a tpll hromfzis hlzat s a motor kz egy kapcsolzem energia talakt eszkz kerl, szoks ezt rviden csak

frekvenciavltnak nevezni. Az utbbi berendezs ra ltalban paritsban van magnak a motornak az rval. Illetve alkalmazsa felveti a tpll hlzat felharmonikussal val szennyezsnek lehetsgt. A kalicks forgrsz motorok alkalmazsi terlete teljestmny tekintetben is igen szles tartomnyt fed le. Az ipari termels legklnbzbb szegmensben, nhny W-tl tbb MW-ig terjed tartomnyban tallkozhatunk ezzel a motor tpussal. A kisebb, nhny szz wattos tartomnyban ltalban a szablyozatlan hajtsi alkalmazsoknl tallkozunk nagy szmban ezzel a tpussal, alapveten olcssga miatt. A preczen, pl. pozcira szablyozott hajtsokban tvette szerept a lptetmotor. A tbb szz kW fltti tartomnyban a meghibsodsuk miatti, vratlan kiess gyakran igen komoly zemviteli problmt, termels kiesst, teht anyagi krt okozhat, s esetenknt okoz is. ppen ez volt az a knyszert er, amely kikvetelte valamilyen diagnosztikai eszkz, esetleg eszkzk kifejlesztst, annak rdekben, hogy egy motor, elssorban villamos jelleg meghibsodst megelz llapota, diagnosztizlhat legyen.

2. MEGHIBSODSOK

A motor tpus fontossgnak tudatban, az EPRI (Electric Power Research Institute) az ipar klnbz terletn zemel, kzel 5000 meghibsodott motor adataibl ksztett statisztikt, amelyet 1985-ben publiklt. A hibk megoszlst az 1. brn lthatjuk. A diagram mell mindenkppen kiegszts kvnkozik. Az adatok amellett, hogy az ipar klnbz terletn zemel motoroktl szrmaznak, a motorok alkalmazsi helye is szertegaz volt. Ha szktjk a figyelembe vett terleteket, pl. a minket jobban rdekl bnyszatra s ksr ipargaira, a hibk megoszlsa jelentsen mdosul. [2] Megn ugyanis a forgrszhez kthet hibk rszarnya, mikzben fknt a csapgyazs hibja miatt bekvetkez lellsok hnyada cskken. Szakmai krben ismert tny, hogy az egyes hibatpusok megjelensi gyakorisga ersen fgg a motor alkalmazsi helytl, mert az, dnten befolysolja a motor zemviszonyait. Teht egyltaln nem mindegy, hogy szivattyt, szlltszalagot, rlmalmot, vagy egy forgcsol gpet hajtunk egy adott motorral. zemidejk sorn gyakran indtott motorok esetn az llrszhez s forgrszhez kthet hibk kzel azonos gyakorisggal jelennek meg. Klnsen igaz ez, ha az indtsok kztt jelents a teljes terhelssel vgrehajtott indtsok szma. A bnyszatban zemel, pl. szlltberendezsek estben sajnos

* egyetemi docens, Miskolci Egyetem **okl. villamosmrnk, evosoft Hungary kft.

KALICKS INDUKCIS MOTOR HIBADIAGNOSZTIZLSAREZGS S MOTORRAM ANALZIS EGYTTES

ALKALMAZSVAL

FAULT DIAGNOSIS IN SQUIRREL-CAGE INDUCTION MOTORS USING VIBRATION AND CURRENT ANALYSIS JOINTLY

Dr. Ladnyi Gbor*; Ladnyi Gerg**

ABSTRACTThe squirrel-cage induction motors are typical power source in mining industry. The application of condition based maintenance strategies rely on specialized monitors to reliably provide a measure of the health of the drive system. Thus, unexpected failures and consequent downtime may be avoided and/or the time between planned shutdowns for planned maintenance may be increased. Maintenance and operational costs are thus reduced.

1. BEVEZETS

Az aszinkron (indukcis) motorokat, mint ergpeket szakmai berkekben szoktk a villamos hajtsok igslovnak is nevezni. Az elnevezs nem tlzs, ha figyelembe vesszk, hogy korunkban egy iparosodott nemzet villamos energiatermelsnek kb. 45-50%-t aszinkron motoros hajtsok hasznljk el.[1] Ezt az elterjedtsget alapveten a rvidrezrt (kalicks) forgrsz kivitel kedvez tulajdonsgaival magyarzhatjuk. Ezen motorok mkdsi elve ugyanis lehetv teszi a nyomatk kpzdst pusztn az ltal, hogy csak az llrsz tekercselst tplljuk meg a szksges tbbfzis vltakoz feszltsggel, s nincs szksg a forgrsz vezetihez nagyram cssz kontaktusokon keresztli hozzfrsre. Ezen tlmenen, a tekercselt forgrsz helyett, az un. kalicks forgrsz alkalmazsa mretcskkenst s javul hatsfokot eredmnyez. Mindezek alkalmass teszik ezt a motor tpust olyan zrt, strapabr felpts kialaktsra, ami radsul zemideje alatt viszonylag kevs gondozst ignyel. Elbbiek, bnyszati alkalmazsok esetn az alapvet elvrsok kz tartoznak. (Azrt igyeksznk gyorsan hangslyozni, hogy a viszonylag kevs gondozs s a gondozs mentessg kifejezsek ltal kpviselt tevkenysgek nem egyenrtkek!)

A tpll hlzat frekvencijhoz kttt szinkron fordulatszm merevsge korbban akadlya volt annak, hogy fordulatszm-szablyozott hajtsokat, egyenram gpek kzbeiktatsa nlkl, kzvetlenl aszinkron motorok segtsgvel valstsanak meg. A teljestmny-flvezetk fejldsnek eredmnyeknt azonban ma mr a szablyozott villamos hajtsok terletn is egyre tbb helyen s egyre nagyobb teljestmny tartomnyban alkalmaznak egyenram motorok helyett, kalicks aszinkron motorokat. Ilyen esetben a tpll hromfzis hlzat s a motor kz egy kapcsolzem energia talakt eszkz kerl, szoks ezt rviden csak

frekvenciavltnak nevezni. Az utbbi berendezs ra ltalban paritsban van magnak a motornak az rval. Illetve alkalmazsa felveti a tpll hlzat felharmonikussal val szennyezsnek lehetsgt. A kalicks forgrsz motorok alkalmazsi terlete teljestmny tekintetben is igen szles tartomnyt fed le. Az ipari termels legklnbzbb szegmensben, nhny W-tl tbb MW-ig terjed tartomnyban tallkozhatunk ezzel a motor tpussal. A kisebb, nhny szz wattos tartomnyban ltalban a szablyozatlan hajtsi alkalmazsoknl tallkozunk nagy szmban ezzel a tpussal, alapveten olcssga miatt. A preczen, pl. pozcira szablyozott hajtsokban tvette szerept a lptetmotor. A tbb szz kW fltti tartomnyban a meghibsodsuk miatti, vratlan kiess gyakran igen komoly zemviteli problmt, termels kiesst, teht anyagi krt okozhat, s esetenknt okoz is. ppen ez volt az a knyszert er, amely kikvetelte valamilyen diagnosztikai eszkz, esetleg eszkzk kifejlesztst, annak rdekben, hogy egy motor, elssorban villamos jelleg meghibsodst megelz llapota, diagnosztizlhat legyen.

2. MEGHIBSODSOK

A motor tpus fontossgnak tudatban, az EPRI (Electric Power Research Institute) az ipar klnbz terletn zemel, kzel 5000 meghibsodott motor adataibl ksztett statisztikt, amelyet 1985-ben publiklt. A hibk megoszlst az 1. brn lthatjuk. A diagram mell mindenkppen kiegszts kvnkozik. Az adatok amellett, hogy az ipar klnbz terletn zemel motoroktl szrmaznak, a motorok alkalmazsi helye is szertegaz volt. Ha szktjk a figyelembe vett terleteket, pl. a minket jobban rdekl bnyszatra s ksr ipargaira, a hibk megoszlsa jelentsen mdosul. [2] Megn ugyanis a forgrszhez kthet hibk rszarnya, mikzben fknt a csapgyazs hibja miatt bekvetkez lellsok hnyada cskken. Szakmai krben ismert tny, hogy az egyes hibatpusok megjelensi gyakorisga ersen fgg a motor alkalmazsi helytl, mert az, dnten befolysolja a motor zemviszonyait. Teht egyltaln nem mindegy, hogy szivattyt, szlltszalagot, rlmalmot, vagy egy forgcsol gpet hajtunk egy adott motorral. zemidejk sorn gyakran indtott motorok esetn az llrszhez s forgrszhez kthet hibk kzel azonos gyakorisggal jelennek meg. Klnsen igaz ez, ha az indtsok kztt jelents a teljes terhelssel vgrehajtott indtsok szma. A bnyszatban

zemel, pl. szlltberendezsek esetben sajnos


kifejezetten jellemz a teljesen terhelt llapotban szksges indts. Emellett ltalban tbb szz kW teljestmny igny berendezseket hajtunk, mozgatunk kalicks motorokkal. Ezek meghibsods miatti kiesse a csere idtartamra, gyakran okozza egyben az zem termelsnek kiesst is.

1. bra Meghibsodsi okok megoszlsa(forrs: MCE TM Motor Testing)

3. A DIAGNOSZTIKA ESZKZEI

A 80-as vekben elindult, majd a 90-es vek elejtl egyre nagyobb teret nyer haznkban is a gpek llapotnak megtlsre alapozott karbantarts. Ennek hatsra a vratlan meghibsodsok miatt keletkez krok szrevehet mrtkben cskkentek. A 90-es vek msodik feltl jabb karbantartsi koncepcik alakultak ki. Olyanok, mint az RCM (Reliability Centered Maintenance) s TPM (Total Productivity Maintenance) rvidtsekkel jellt rendszerek. Ezen karbantartsi rendszerek trgyalsa nem clja cikknknek. (Ha a T. Olvas meg szeretne ismerkedni ezek lnyegi elemeivel, ajnljuk figyelmbe az irodalom listban a [3] s [4] jel anyagot.) Mindkt rendszerre rvnyes azonban, hogy a karbantartsi igny eldntse tekintetben alapoznak a gpnek, a mkds sorn elrt llapotra, s ennek megismershez valamilyen diagnosztikai eszkzt (eszkzket) alkalmaznak. Fenti rendszerek ksbb kiegszltek azzal, hogy a felgyelt gpeket kockzatelemzs al vontk, s ennek figyelembevtelvel alkottk meg a megfigyelsi stratgit. A kockzatelemzs azt a felismerst juttatja rvnyre, hogy egy negatv kvetkezmnyekkel jr esemny ltal hordozott kockzat a bekvetkezs valsznsgtl s azokozott kr nagysgtl egyarnt fgg. Teht ott kell a legsrbben informcit szerezni a felgyelt gp llapotrl, ahol mindkt tnyez nagy. Vagyis a bekvetkezs valsznsgt s az okozott kr nagysgt kifejez mrszmok szorzata a legnagyobb.

A kezdeti idkben a gp llapotnak megtlshez szksges informcit elssorban a gprezgsekbl nyert adatok hordoztk. Teht a rezgsdiagnosztika, hiszen ez a kzismert neve volt az els hatkony eszkz az llapotfgg karbantartst alkalmaz zemi szakemberek kezben. A kezdetek ta a rezgsdiagnosztika nyjtotta diagnosztikus kpessgek, sokat finomodtak. Elssorban a klnbz demodulcis technikk azok melyek megteremtik a lehetsget egy-egy hiba kezdeti

felismershez, de a szinkronizcival trtn mrsek is komoly tmogatst adnak a klnbz hibatpusok sztvlasztshoz. Emellett idkzben megersdtek a ms mrsi elvet hasznl informciszerzsi technikk is. Olyanok, a teljessg ignye nlkl mint pl. a thermogrfia, ultrahangos detektci, olajdiagnosztika, illetve villamos gpek esetn a motorram, vagy a fluxus analzis. Mindenkppen fontosnak tartjuk itt megjegyezni, hogy az elbb felsorolt mdszereknl hasznlt fizikai trvnyszersgek, illetve a feldolgozshoz szksges matematikai httr alapjai mr korbban is ismertek voltak. Nem llt viszont rendelkezsre az az elektronikai fejlettsgi szint, amely mindennapos hasznlatra alkalmas mret s megfelel szmtsi kapacitssal rendelkez, megbzhat eszkzt adhatott volna a gyakorl szakemberek kezbe, olyan ron, amely lehetsget teremt a tmeges elterjedsre. Mra az integrlt ramkrk elemsrsge s a velk megvalstott ramkrk mveleti sebessge lehetv teszi, hogy kzimszer mretben olyan kpessg eszkzket hasznljunk, amit a 80-as vekben csak a nagymret, asztali kszlkek tudtak. (Vagy mg azok sem.) A fentebb felsorolt diagnosztikai mdszerek alkalmazhatk nllan is, de egymst kiegsztve mkdnek a leghatkonyabban. Az alkalmazott mrsi elvekbl fakad, hogy egy-egy diagnosztikus eszkz nem hasznlhat mindegyik gp esetben.

E tekintetben taln a rezgsdiagnosztika br a legszlesebb alkalmazhatsgi sklval. Leolvashat ez a 2. brrl, amelyen sszefoglalva lthatk a motorok esetben elfordul hibatpusok s a diagnosztikus eszkzk, melyek segtsgvel a hibk detektlhatk. Az brn megfigyelhet, hogy rezgsmrssel az elfordul valamennyi rendellenessg szlelhet. Fontos itt megjegyezni azonban, hogy a klnbz rendellenessgek rezgsmrssel trtn beazonostsnak megbzhatsga ersen eltr. Pldul a forg gpeknl, gy a motoroknl is elfordul leggyakoribb rendellenessg a kiegyenslyozatlansg. Legyen az statikus, vagy dinamikus, rezgsmrssel jl beazonosthat, st a kiegyenslyozatlansg mrtke jellemezhet szmszer adattal is. De a forgrszben elfordul olyan villamos hiba, mint a rdtrs vagy ms, a kalickban fennll folytonossgi hiba, detektlhat ugyan, mint valamifle hiba, de beazonostsa nehz. A motor jelleggrbje meredeksgnek cskkense, teht a karakterisztika lgyulsa megerstheti a forgrszkri villamos problma fennllsnak lehetsgt. A lgyabb karakterisztika miatt megn az zemi szlip. Ez kevsb zavar, ha a szlltberendezst csak egy motor hajtja. Komoly indtsi problma jelentkezhet azonban, ha tbb motorral hajtunk egy berendezst. A karakterisztika lgyulsa a motorok kztt aszimmetrikus terhelseloszlst okoz, s ez fleg az indtsi szakaszban fellp tbblet nyomatk igny sztosztsnl jelentkezik lesen. A nagyobb bels ellenlls motor kisebb nyomatkot kpes szolgltatni, mint az p forgrsz, ezrt az indtsi folyamat idignye megn. (Rosszabb esetben a rendszer nem is kpes felgyorsulni a nvleges fordulatszmra.)


2. bra Hibatpusok s diagnosztizlsuk eszkzei

Ha teht a rezgsmrs eredmnybl levonhat kvetkeztets felveti a forgrszkri villamos hiba lehetsgt, illetve zem kzben azt tapasztaljuk, hogy a motor szlipje megntt, mikzben a motor terhelse nem haladja meg a szoksos rtket, clszer kiegszteni az ellenrzst egy motorram analzissel. Ennek sorn a motort tpll hlzat legalbb egy fzisban, megbzhatbb, ha mindhromban ram-id jelet rzkelnk s rgztnk. Majd az idtartomnybeli jelet DFT (Diszkrt Fuorier Transzformci) eljrs al vonjuk. Az ramjel frekvenciatartomnybeli kpnek alakulsbl a motor ll-, s forgrsz llapotra vonatkoz kvetkeztetsek vonhatk le.

A motorok llapotnak megtlshez a nemzetkzi gyakorlatban kialakult s elfogadott normkat clszer figyelembe venni. Ezek szerint a forgrsz rdjainl fennll brmilyen villamos aszimmetria, amit okozhat trs s/vagy az ellenllsok klnbzsge, aszimmetrit kelt a rotor forg mgneses mezejben. Az aszimmetria hatsa a motort tpll ram spektrumban is megmutatkozik, fknt a hlzati frekvencia mellett megjelen ktszeres szlipfrekvencis komponensek jelenltben. Az ramspektrumban ettl eltr frekvencia tartomnyban mutatkoz jellegzetes sszetevk ms villamos hibra is utalhatnak, illetve mechanikus hibkat is jelezhetnek. Az elbbi lehet tipikusan az llrsz tekercselsben fennll, a menetzrlatot, vagy fldzrlatot megelz llapot. Az utbbi pedig az ll- s forgrsz kztti lgrs egyenetlensge. fellp menetzrlat miatt kvetkezik be, hanem azrt mert a megelz llapot viszonylag rvid ideig ll fenn. Ennek oka, hogy a bnyszatban A cmben is szerepl bnyszati alkalmazsoknl azonban az llrsz zrlatot megelz llapotnak detektlsa kisebb jelentsggel br, mint a mr megfogalmazott forgrszkri rendellenessgek. Nem azrt, mert a motor vratlan kiesse ltal okozott anyagi vesztesg kisebb, ha

a lells, pl. az llrszben alkalmazott nagyobb teljestmny (>100kW) motorok estben a tpfeszltsg ltalban 6kV. Ilyen feszltsgszinten egy kezdd, zrlatot megelz llapot nem ll fenn sokig. A legkzelebbi terhels alatti indts alkalmval a nagy indtram miatti felmelegeds vglegesen lerontja a szigetels llapott a mr srlt helyen, s bekvetkezik a zrlat. gy a hibamegelz llapot detektlsnak csak akkor van eslye, ha a motor folyamatos monitorozs alatt ll. Ez a bnyszati ipargban nem csak Magyarorszgon, de a minktl jelentsebb bnyszai tevkenysget folytat orszgokban sem ltalnos. Tengeri frplatformokon zemel, gyakran tbb MW teljestmny motoroknl tallkozhatunk folyamatos felgyelettel. (Lsd a nhny bekezdssel elbb, a kockzatelemzsen alapul llapotfgg karbantartsrl mondottakat.)

Ezen, bekezdsnyi kitr utn trjnk vissza a ktszeres szlipfrekvencis komponensekhez. Ha ezek nagysga terhelt llapotban jelentsen meghaladja az resjrati rtket, s arnyuk az alapharmonikushoz (50Hz) kpest tl nagy, akkor van szmottev pulzl sszetevje a mgneses trnek s valsznsthet a forgrsz kr villamos aszimmetrija. Az ramok arnybl levonhat kvetkeztetseket sszefoglalva adja meg az 1. tblzat.

1. tblzat

A forgrsz kalicka llapota

ram sszetevk arnya [dB] Megjegyzs

kivl 60

j 54-60

elfogadhat 48-54 Ciklikus megfigyels ajnlott

figyelmeztets 42-48 Srlt forgrszrd, s/vagy tbb nagyellenlls kontaktus

riaszts < 42 Trtt forgrszrd, s/vagy tbb nagyellenlls kontaktus


3. bra A szlltszalag hajtsegysg elrendezsi vzlata

4. bra Rezgsspektrum, a tengelykapcsol motor oldaln

5. bra Rezgsspektrum, a tengelykapcsol hajtm oldaln

A Megjegyzs oszlopban tallhat kvetkeztetseken tl, a trtt rudak szmnak becslsre is tallunk sszefggst az irodalomban. Jelen cikknek azonban nem clja a tmakr ilyen mlysg trgyalsa. Mikzben a tblzat kzps oszlopban feltntetett ramarny-rtkeket tanulmnyozzuk, hasonl kiegszts megttele szksges, mint az 1. bra esetben. A hatrrtkek nagyszm, klnbz teljestmny s felpts kalicks motoron vgrehajtott mrs eredmnyeibl levont kvetkeztetseket tkrznek. A bnyszati berendezseket mozgat motorok tlnyom tbbsge ktkalicks, teht kln indt s zemi kalickval szerelt forgrsszel rendelkezik. A szerzk tapasztalata szerint ezeknl a gpeknl az 1. tblzat rtkei elssorban az indt kalicka llapotnak megtlsnl vehetk figyelembe.

4. ESETTANULMNY

A szerzk tbb ve vgeznek diagnosztikai mrseket a Vrtesi Erm Mrkushegyi Bnyazemnek berendezsein, tbbek kztt a szlltrendszert mozgat villamos motorokon, melyek 160-400kW teljestmny tartomnyba tartoz lg-, egy-egy esetben vzhtses motorok. A szlltszalagokat ltalban ktdobos hajtsok mozgatjk, tbbnyire egy-egy hajtsegysggel. Ott, ahol a plya teljestmny ignye ezt megkveteli, hrom hajtsegysggel van szerelve a kt hajtdob. A szllt rendszer alapvet tulajdonsga a soros felpts, teht brmely egysg kiesse bntja a szlltsi tevkenysget. Ezrt a bnya szakemberei a szlltszalagok hajtsegysgeit rendszeres rezgsdiagnosztikai ellenrzs alatt tartjk. A plyk kzl az egyik, a helyi jells szerint K2-es szlltplya, amelynek kt azonos felpts hajtsegysge van, hajtselrendezsi vzlatuk a 3. brn lthat. A motorok nvleges teljestmnye 200kW, nvleges fordulatszma 985 ford/perc.

A 4. s 5. bra az 1. hajtsegysg temezett ellenrzse sorn kszlt rezgsspektrumok kzl mutat kettt, amelyek a hidrodinamikus tengelykapcsol kt oldaln tallhat mrpontokon (m02v s m03v) kerltek rgztsre. Az ellenrzs idpontjig az 1. motor mr tbb mint kt ve futott ebben a hajtsegysgben. A 4. bra spektrumt tanulmnyozva lthat, hogy akiegyenslyozatlansg alacsony s a tbbi sajt komponens is 1mm/s alatt van. Felmerlt azonban a gyan, hogy a motoron kiemelked 387Hz-es komponens ezen ll a kurzor a hajtmtl szrmazik, mert ez a frekvencia a hajtm els fogaskerk-prjnak fogkapcsoldsi frekvencijhoz nagyon kzeli rtk. (Hajtmvek esetben a kpkerk kapcsolat mindig jelents energij rezgsforrs, mg akkor is, ha a kapcsold kerekek fogfellete nincs elhasznldva s a hzagols is megfelel.) Ugyanezen mrsi ponton a szlessv rezgssebessg effektv rtke 3,5-7,2mm/s tartomnyban mozgott, fggen attl, hogy mrs kzben mennyire vltozott a terheltsgi szint. Egy ilyen teljestmny egysgnl a 7,2mm/s mr jelents rtk. Ezrt egyben figyelmeztet is, mert olyan rezgsenergit kpvisel, ami lervidti, fknt a csapgyak lettartamt. De a motorban ms helyen is okozhat problmt, pl. az llrsz tekercselsnl. A tekercselsben fellazthatja ugyanis a vezetk rgztst, s az egymssal rintkez huzalfelletek egy-egy kritikus helyn ledrzsldik a szigetels. Ami szintn a motor lettartamnak rvidlst okozza. Az sem ltalnos, ha a terhels vltozst ilyen mrtkben kveti a rezgs energiaszintjnek vltozsa. Egy egszsges motornl az 50-100% kztti terhelsvltozs nem okozza a rezgs effektv rtknek megduplzdst. Az 5. brn az is megfigyelhet, hogy ezen, a hajtm kpkerk kapcsoldsnak kzelben lev mrsi pontrl (m03v) szrmaz spektrumon csak 0,78mm/s, mg a motoron 1,78mm/s nagysg a 387Hz-es sszetev. Ha a forrs a kpkerk-pr lenne, akkor a forrshoz kzelebbi helyen, teht a hajtmnl kellene mutatkozni nagyobb energival ennek a komponensnek, nem pedig a motoron.Elmondottak miatt, a bnya szakembereivel egyetrtve, motorram analzist is vgeztnk a K2-es plya rintett motorjn. A terhels alatt zemel motor ramnak 50Hz


krli, nagy felbontssal kszlt spektrumt a 6. bra mutatja. Az ram frekvenciatartomnybeli kpe igazolta a rezgsmrsek ltal megfogalmazott gyant. A ktszeres szlipfrekvencis komponensek ezeken ll a kt kurzor ltal kpviselt ramhnyad jelents. Az 50Hz-es alapfrekvencihoz kpesti viszonyuk ~42dB. Az 1. tblzat besorolsa szerint ilyen szlipfrekvencis ramszint esetn mr biztos, hogy vannak a kalickban trtt rudak teht tbb is s az zem kzben fellp egyenetlen hterhels miatt a ktsek sok helyen tkristlyosodtak. E tekintetben leginkbb veszlyesek azok a helyek, ahol a plck kapcsoldnak a rvidrezr gyrkhz. Itt ugyanis kevsb rvnyesl a forgrsz vastestnek helvezet, ht hatsa, s a hsokk miatt fellp mechanikai feszltsg idvel trst okoz. Ez jl lthat a 7. brn, amely a sztszerelt motor forgrsznek egy rszlett mutatja. A karikzott rszleteknl egyrtelmen beazonosthatk a rvidrezr gyrkbl kitrt plcavgek.

6. bra A vizsglt motor ramspektruma

5. SSZEFOGLALS

A bemutatott eset megersti azt a korbban mr megfogalmazott megllaptst, hogy tbb diagnosztikai mdszer egyttes alkalmazsa jelentsen megnveli egy ismeretlen hiba beazonostsnak valsznsgt. Indukcis motorok esetben, mint lttuk, jl kiegszti egymst a rezgs s motorram analzis.

7. bra Forgrsz, a rvidrezr gyrkbl kitrt plcavgekkel

Ezen utbbi mdszer, bnyszati alkalmazsoknl klnsen javasolt. Nem ignyel ugyanis komoly elkszletet. A motorok mrs kzbeni terhelse tbbnyire biztosthat, mert a mozgatott berendezsek zemidejk nagyobb rszt nem resjratban futjk. A szban forg teljestmny tartomnyba tartoz motorok tpll hlzata pedig gy van kiptve, hogy a motort kiszolgl rendszerben kijelzik, estenknt regisztrljk is a motorok ramt. Az ehhez beptett ramvlt szekunder oldaln minden nehzsg nlkl mrhetnk, betartva termszetesen a szksges biztonsgi szablyokat.

Msrszt megersti azt a gyakorlatot is, amelyet a Mrkushegyi Bnyazem szakemberei mr tbb ve folytatnak, az zem termelst jelentsen befolysol gpek felgyelete tekintetben. A szerzk tisztban vannak azzal, hogy a berendezsek korbbitl hosszabb, vratlan hibktl mentes zeme, vagy legalbb egy ezt megkzelt llapot csak gy rhet el, ha a diagnoszta s az zemi szakember, aki a gphez legjobban rt szorosan egytt dolgozik, felismerve a kzs rdeket. Ezrt ezton is megksznik azt a nyitott hozzllst s segtsget, amit a Mrkushegyi Kollgk a mrsek elksztse s vgrehajtsa kzben, majd a mrsek kirtkelse alatt tanstottak.

KSZNETNYIVNTSA tanulmny/kutat munka a TMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0008 jel projekt rszeknt - az j Magyarorszg Fejlesztsi Terv keretben - az Eurpai Uni tmogatsval, az Eurpai Szocilis Alap trsfinanszrozsval valsul meg.

IRODALOM [1] W.T. Thomson, R.J. Gilmore: Motor Current Signature

Analysis to Detect Fault in Induction Motor Drives Fundamentals, Data interpretations, and Industrial Case Histories; Proceedings of the Thirty-second turbomachinery symposium, 2003

[2] O.A.Thorensen, M.Dalva: A Survay of Fault on Induction Motors in Offshore Oil Industry, Petrochemical Industry, Gas Terminals, and Oil Refineries; IEEE Transaction on Industry Applications; Vol.31.; No.5. Sept/Oct 1995

[3] Pczeli Gy.: Korszer karbantartsi rendszerek, hazai eredmnyek, A.A.Stdium kft.

[4] Pczeli Gy.: Mirt magasabb rend a T az R-nl? Lezrult krds a karbantartsi rendszerek fejldsben, A.A.Stdium kft.

[5] W.T. Thomson: A review of on-Line condition monitoring techniques for three phase squirrel-cage induction motors, pastpresent and future

[6] P.J.Tamer; J.Penman: Condition monitoring of electrical machines, Research studies press Ltd. Wiley, New York

KSZnetnyILVntS


__________________________ *tanszki mrnk, Budapesti Mszaki s

Documents

gep 2013 3