politechnika zielonogěrska wydział mechaniczny

politechnika zielonogěrska wydział mechaniczny

POLITECHNIKA ZIELONOGÓRSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Kierunek: budowa maszyn
Specjalność: konstrukcyjno- menedżerska
MACIEJ SYDOR
Projekt koncepcyjny wózka inwalidzkiego
aktywnego
PROMOTOR:
PROF. DR HAB. INŻ. FRANCISZEK ROMANÓW
ZIELONA GÓRA CZERWIEC 2001
Spis treści
1 WSTĘP...................................................................................................... 4
1.1
1.2
CEL NINIEJSZEJ PRACY MAGISTERSKIEJ. ....................................................................................................... 4
ZAKRES PRACY ............................................................................................................................................. 4
2 WPROWADZENIE................................................................................. 5
2.1 RODZAJE WÓZKÓW INWALIDZKICH .............................................................................................................. 5
2.1.1
Podział wózków inwalidzkich na podstawie cech eksploatacyjnych................................................. 5
2.1.2
Klasyfikacja wózków inwalidzkich na podstawie cech konstrukcyjnych .......................................... 5
2.2 ROZWÓJ KONSTRUKCJI WÓZKÓW INWALIDZKICH W OSTATNICH 30 LATACH............................................... 8
2.2.1
Idea Independend Living.................................................................................................................... 8
2.2.2
Koncepcja wózka aktywnego.............................................................................................................. 8
2.3 OKREŚLENIE WÓZKA INWALIDZKIEGO AKTYWNEGO - DEFINICJA .............................................................. 10
3 WŁASNOŚCI EKSPLOATACYJNE WÓZKÓW AKTYWNYCH 11
1.1 OPIS PODSTAWOWYCH CECH EKSPLOATACYJNYCH WÓZKÓW AKTYWNYCH ............................................. 11
3.1.1
Możliwość jazdy w balansie ( na dwóch tylnych kołach) ................................................................ 11
3.1.2
Niewielka masa całkowita................................................................................................................ 11
3.1.3
Niskie opory toczenia oraz dobre własności jezdne ........................................................................ 11
3.1.4
Bardzo duża zwrotność i manewrowość. ......................................................................................... 12
3.1.5
Możliwość składania i regulacji. ..................................................................................................... 12
3.2 ERGONOMICZNOŚĆ KONSTRUKCJI WÓZKÓW INWALIDZKICH AKTYWNYCH ............................................... 17
3.2.1
Dane antropotechniczne................................................................................................................... 17
3.2.2
Wymiary charakterystyczne wózka inwalidzkiego aktywnego ........................................................ 18
3.2.3
Ergonomiczny dobór wymiarów wózka inwalidzkiego aktywnego ................................................. 19
3.2.4
Podsumowanie.................................................................................................................................. 20
4 KONSTRUKCJA I WYPOSAŻENIE WÓZKÓW AKTYWNYCH 21
1.1 ELEMENTY KONSTRUKCYJNE WÓZKÓW INWALIDZKICH AKTYWNYCH ...................................................... 21
4.1.1
Rama ................................................................................................................................................. 21
4.1.2
Przednie kółka samonastawne ......................................................................................................... 24
4.1.3
Mechanizm składania oparcia ......................................................................................................... 27
4.1.4
Koła tylne.......................................................................................................................................... 27
4.2 PODUSZKI NA SIEDZISKO STOSOWANE W WÓZKACH INWALIDZKICH ......................................................... 30
5 ANALIZA RYNKU ............................................................................... 31
5.1
5.2
5.3
5.4
WPROWADZENIE ......................................................................................................................................... 31
LICZBA POTENCJALNYCH KLIENTÓW .......................................................................................................... 31
WYMAGANIA UŻYTKOWNIKÓW WÓZKÓW AKTYWNYCH ............................................................................ 33
CENY WYBRANYCH WÓZKÓW AKTYWNYCH OFEROWANYCH W POLSCE ................................................... 35
6 PRZEGLĄD I ANALIZA ISTNIEJĄCYCH ROZWIĄZAŃ ........... 36
6.1 PRZEGLĄD NAJPOPULARNIEJSZYCH WÓZKÓW DOSTĘPNYCH W POLSCE .................................................... 36
6.1.1
Activ (WSK MIELEC)....................................................................................................................... 36
6.1.2
Hornet (Z.P.C. Świdnik)................................................................................................................... 37
6.1.3
Remus-A (M.U.S.I. Lublin)............................................................................................................... 39
6.1.4
Panthera Standard (Panthera Production A.B.). ............................................................................ 40
6.1.5
Panthera U2 (Panthera Production A.B.). ...................................................................................... 41
6.1.6
Soldier (RST EXPO Ltd.). ................................................................................................................ 42
6.2 OCENA NAJPOPULARNIEJSZYCH WÓZKÓW DOSTĘPNYCH W POLSCE WG ICH UŻYTKOWNIKÓW ................. 44
6.2.1
Wprowadzenie .................................................................................................................................. 44
6.2.2
Przedstawienie wyników ocen.......................................................................................................... 45
6.3 FMEA WÓZKÓW TYPU HORNET ORAZ PANTHERA STANDARD .................................................................. 48
6.3.1
Krótki opis zastosowanej metody FMEA (ang. Failure Mode and Effect Analysis) ...................... 48
2
6.3.2
Dekompozycja konstrukcyjna urządzenia technicznego typu wózek inwalidzki aktywny............... 50
6.3.3
FMEA wózka typu Hornet produkcji ZPO Świdnik......................................................................... 51
6.3.4
FMEA wózka typu Panthera Standard produkcji Panthera Production AB .................................. 52
6.3.5
Wnioski z analizy przyczyn możliwych błędów i ich skutków - FMEA ........................................... 53
6.4 PRZEGLĄD KONSTRUKCJI WIODĄCYCH FIRM ŚWIATOWYCH....................................................................... 53
6.4.1
Wózki produkcji Küschall Design AG.............................................................................................. 53
6.4.2
Wózki produkcji Otto Bock Orthopedic Industry............................................................................. 58
6.4.3
Wózki produkcji Medical Sunrise .................................................................................................... 62
7 PROJEKT KONCEPCYJNY ............................................................... 66
7.1 WŁASNA KONCEPCJA WÓZKA INWALIDZKIEGO AKTYWNEGO .................................................................... 66
7.1.1
Ujęcie systemowe.............................................................................................................................. 66
7.1.2
Opis własnej koncepcji..................................................................................................................... 68
7.2 WYSZCZEGÓLNIENIE NOWATORSKICH ROZWIĄZAŃ ................................................................................... 69
7.3 QFD ROZWINIĘCIE FUNKCJI JAKOŚCI ......................................................................................................... 70
7.3.1
Charakterystyka metody ................................................................................................................... 70
7.3.2
Ważność poszczególnych właściwości konstrukcyjnych i użytkowych wg użytkowników .............. 70
7.3.3
Macierz QFD dla wózków inwalidzkich aktywnych ........................................................................ 71
7.3.4
Komentarz i wnioski z analizy: ........................................................................................................ 72
7.4 DEKOMPOZYCJA KONCEPCJI ORAZ OPTYMALIZACJA KOLEJNOŚCI PROJEKTOWANIA ELEMENTÓW Z
ZASTOSOWANIEM ALGORYTMU EWOLUCYJNEGO ................................................................................................. 73
7.4.1
Algorytm ewolucyjny ........................................................................................................................ 73
7.4.2
Dekompozycja................................................................................................................................... 74
7.4.3
Optymalizacja kolejności projektowania elementów wózka przy użyciu algorytmu ewolucyjnego76
7.4.4
Zestawienie otrzymanych wyników .................................................................................................. 79
7.5 USTALENIE OPTYMALNEJ STRUKTURY PRZESTRZENNO - FUNKCJONALNEJ WÓZKA METODĄ
MORFOLOGICZNĄ .................................................................................................................................................. 80
7.5.1
Wprowadzenie .................................................................................................................................. 80
7.5.2
Dekompozycja problemu projektowego........................................................................................... 80
7.5.3
Tablica morfologiczna możliwych rozwiązań.................................................................................. 82
7.5.4
Wybór najefektywniejszych wariantów częściowych....................................................................... 82
7.6 FMEA PROJEKTOWANEGO WÓZKA............................................................................................................. 86
7.7 DOBÓR MATERIAŁU NA RAMĘ ..................................................................................................................... 87
7.7.1
Kryteria doboru materiału ............................................................................................................... 87
7.7.2
Normalizacja kryteriów.................................................................................................................... 87
7.7.3
Porównanie materiałów ................................................................................................................... 88
7.7.4
Ocena wariantów i wybór materiału ............................................................................................... 94
7.7.5
Podsumowanie i wybór materiału.................................................................................................... 95
7.8 OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE RAMY Z PODNÓŻKIEM ........................................................................ 96
7.8.1
Wprowadzenie .................................................................................................................................. 96
7.8.2
Obliczenia statyczne MES .............................................................................................................. 100
7.8.3
Obliczenia dynamiczne MES.......................................................................................................... 111
7.8.4
Wyznaczenie wartości siły krytycznej dla łącznika ściskanego..................................................... 116
7.9 OBLICZENIA ŁOŻYSK................................................................................................................................. 120
7.9.1
Dobór łożysk widelców kółek przednich ........................................................................................ 120
7.9.2
Dobór łożysk kółek przednich ........................................................................................................ 120
7.10
ROZPOZNANIE STRUKTURY KOSZTÓW (DFC – DESIGN FOR COST)...................................................... 121
7.10.1 Dekompozycja ze względu na koszty wytworzenia ........................................................................ 121
7.10.2 Struktura kosztów ........................................................................................................................... 122
7.10.3 Podsumowanie................................................................................................................................ 123
8 WNIOSKI KOŃCOWE ...................................................................... 124
9 LITERATURA ..................................................................................... 125
10 SPIS ILUSTRACJI I TABEL........................................................... 126
11 ZAPIS KONSTRUKCJI ................................................................... 129
3
1 WSTĘP
1.1 Cel niniejszej pracy magisterskiej.
Celem pracy jest opracowanie projektu koncepcyjnego wózka inwalidzkiego aktywnego
(tj. umożliwiającego osobie z dysfunkcją kończyn dolnych w pełni autonomiczne życie)
tańszego oraz o lepiej spełniającego wymagania użytkowników niż konstrukcje dostępne w
kraju.
1.2 Zakres pracy
Praca zawiera:
• Przeznaczenie i definicję wózka inwalidzkiego aktywnego oraz opis jego właściwości,
• Opis konstrukcji wózków inwalidzkich aktywnych
• Ocenę (m.in. analizę FMEA) oraz porównanie najpopularniejszych wózków w Polsce,
• Przegląd najnowszych konstrukcji wózków inwalidzkich polskich i zagranicznych,
• Ustalenie przy pomocy ankiet najważniejszych oczekiwań klientów wobec wózka
inwalidzkiego aktywnego,
• Oszacowanie liczby potencjalnych klientów wózków inwalidzkich aktywnych
(estymacja przedziałowa),
• Przełożenie oczekiwań klientów na parametry techniczne (metodą QFD),
• Ustalenie najlepszej struktury przestrzenno – funkcjonalnej projektowanego wózka
metodą morfologiczną,
• Zastosowanie Algorytmu Ewolucyjnego do optymalizacji procesu projektowania,
• Analizę FMEA projektu,
• Zastosowanie różnych metod wyboru – prostych i intensywnych (dobór materiału
na poszczególne podzespoły, wybór rozwiązań podproblemów),
• Obliczenia (statyczne i dynamiczne) wytrzymałościowe ramy MES z zastosowaniem
komputera (CAD)
• Porównanie wybranych materiałów ramy,
• Rozpoznanie struktury kosztów (DfC),
• Wnioski końcowe.
• Zapis konstrukcji – rysunki schematy.
4