konstrukcyjne i technologiczne zagadnienia dotyczące elementów

2/2012
Technologia i Automatyzacja Montażu
KONSTRUKCYJNE I TECHNOLOGICZNE ZAGADNIENIA
DOTYCZĄCE ELEMENTÓW WIELKOGABARYTOWYCH
O STRUKTURZE MODUŁOWEJ
Maciej MATUSZEWSKI, Janusz MUSIAŁ, Michał STYP-REKOWSKI
Wytwory finalne, a także zespoły funkcyjne maszyn
o dużych gabarytach cechują się specyfiką i to w dużym
zakresie. Zespoły funkcyjne takich maszyn także mają
zazwyczaj duże wymiary, stąd też wielkogabarytowe
struktury konstrukcyjne mają często budowę modułową,
z wszelkimi uwarunkowaniami, jakie z tego faktu wynikają.
Celem badań i analiz opisanych w niniejszej pracy jest
wskazanie czynników, na które należy zwrócić uwagę,
opracowując proces technologiczny elementów wielkogabarytowych (EWg), a także zaproponowanie pewnych
rozwiązań metodycznych, pozwalających zminimalizować prawdopodobieństwo wystąpienia błędów wykonawczych. W przypadku dużych elementów jest to zagadnienie istotne, m.in. ze względu na:
–– ilość materiału zawartego w takim elemencie,
–– dotychczas włożoną pracę (odlewanie, spawanie,
obróbka cieplna, obróbka skrawaniem),
które zostaną utracone w przypadku wadliwej obróbki lub
przedwczesnego zużycia bądź awarii.
ności podejmowane są już w fazie konstruowania, gdyż
skuteczność takich działań w tej fazie jest największa.
Polegają one najczęściej na tym, że całość o dużych gabarytach dzieli się na mniejsze, które obrabiane są oddzielnie, a następnie montuje się je w całość, najczęściej
w sposób rozłączny. Powstają w ten sposób maszyny
o strukturze modułowej. Ważne jest to, aby całość utworzona z tak obrobionych elementów strukturalnych poprawnie spełniała założone funkcje. Reprezentatywnymi
przykładami w tym zakresie mogą być turbiny wiatrowe,
zwłaszcza te o dużych mocach – rys. 1. Przedstawione na schemacie wartości wymiarów są przykładowe –
w praktyce mogą one być znacznie większe, np.:
A = 40 m, F = 100 m.
Czynniki istotne
dla poprawności geometrycznej
i funkcjonalnej EWg
Stwierdzono już wyżej, że elementy wielkogabarytowe
mają swoją specyfikę. Przeprowadzone wcześniej analizy i badania wykazały, że struktura modułowa maszyn
także implikuje charakterystyczne cechy procesów ich
wytwarzania [1, 2, 3]. W przypadku maszyn o dużych gabarytach, których struktura konstrukcyjna jest modułowa,
czynniki decydujące o tej specyfice będą występowały
łącznie, chociaż ich istotność może być inna, niż w przypadku analizowania ich w indywidualnym ujęciu (oddzielnie struktura [1, 2, 3, 4], oddzielnie wymiary [5, 6, 7].
Analizując wymienione wyżej czynniki: konstrukcyjne
i technologiczne w odniesieniu do EWg o strukturze modułowej za szczególnie istotny czynnik technologiczny
należy uznać dokładność obróbki elementów modułów
realizujących zazwyczaj zadania zespołów funkcyjnych
maszyny. Wynika to z faktu, że odchyłki wymiarowe determinują najczęściej poprawność działania maszyny, są
także istotne dla skuteczności i trwałości połączeń modułów tworzących jej strukturę konstrukcyjną – cechy niezbędne dla niezawodności maszyny [2].
W zakresie maszyn o dużych gabarytach EWg działania mające na celu zabezpieczenie właściwej dokład28
Rys. 1. Schemat turbiny wiatrowej, jej podstawowe wymiary i moduły funkcyjne: 1 – podstawa (maszt), 2 – zespół technologiczny,
3 – zespół napędowy (śmigło)
Podział obiektu o dużych gabarytach na mniejsze musi
być dokonany w sposób racjonalny. Przy podejmowaniu
decyzji należy uwzględnić kryteria zarówno konstrukcyjne, jak i technologiczne, ale także eksploatacyjne. Pominięcie któregoś z nich może spowodować zakłócony
przebieg danej fazy istnienia wytworu, np. zły podział
może być przyczyną trudności w obróbce i utrudnionego
montażu, a w konsekwencji zakłóceń w procesie eksploatowania obiektu.
Na kolejnych rysunkach przedstawiono schematycznie dwa moduły funkcyjne elektrowni wiatrowej – rys. 2:
–– technologiczny, w którym następuje przekształcenie
jednej formy energii (wiatru) w drugą (elektryczną),
–– śmigło,
–– oraz element drugiego modułu – rys. 3.
Technologia i Automatyzacja Montażu
Rys. 2. Dwa istotne moduły funkcyjne elektrowni wiatrowej: moduł technologiczny i śmigło, elementy składowe: 1 – 20
Pokazane na rys. 2 moduły funkcyjne usytuowane są
na dużych wysokościach, co powoduje, że dostęp do
nich jest trudny – stąd wymagana jest duża niezawodność i związana z nią dokładność wykonania (obróbki
i montażu).
2/2012
jest bieżąca obserwacja obróbki w aspekcie jej dokładności i związane z nią pomiary. W procesie produkcyjnym
konieczne jest zatem zaplanowanie kilkakrotnych pomiarów, w tym także na zakończenie obróbki. Ponieważ
przemieszczanie elementu jest trudne, głównie z powodu
jego dużych wymiarów i najczęściej znacznego ciężaru,
a także niewskazane – ze względu na dokładność obróbki, pomiary te należy starannie zaplanować.
Jednym z czynników, który należy uwzględniać przy
sprawdzaniu wymiarów obrobionych powierzchni, jest
czas, jaki powinien upłynąć od zakończenia danej operacji, grupy operacji (obróbka zgrubna, wykończająca) lub
w ogóle obróbki, do początku pomiarów.
Podczas obróbki skrawaniem wydziela się duża ilość
ciepła, którego część odprowadzana jest z wiórami,
część przejmuje medium chłodząco-smarujące (o ile
jest używane), a część wnika do obrabianego materiału,
wywołując w nim odkształcenia termiczne, które mogą
wprowadzać istotne zniekształcenia wyników pomiarów.
Jest to główna przyczyna konieczności zaplanowania
w procesie technologicznym przerw, podczas których następuje ochłodzenie obrabianego przedmiotu i jego stabilizacja wymiarowa.
Czas przerwy stabilizującej jest zróżnicowany i zależy od rodzaju, warunków i parametrów obróbki, a także
od masy obrabianego przedmiotu, pośrednio więc od
rodzaju tworzywa konstrukcyjnego, z jakiego jest wykonany. Ponieważ występuje nieograniczony praktycznie
zbiór geometrycznych cech konstrukcyjnych elementów
wielkogabarytowych, przy bardzo obszernym zbiorze parametrów i warunków obróbki, proponuje się czas wyznaczać orientacyjnie z nierówności:
Tpi ≥ k1 · k2 · k3 · m
Rys. 3. Korpus śmigła (poz. 2 na rys. 2) – przykład EWg
Korpus śmigła, przedstawiony na rys. 3. wymaga dokładnej obróbki, gdyż usytuowana jest w nim przekładnia zębata, a niezawodne i długotrwałe funkcjonowanie
przekładni zależy m.in. od dokładności rozstawu i współosiowości otworów, w których podparte są wały. W przypadku wystąpienia konieczności naprawy cały moduł należy zdemontować, naprawić i powtórnie go zainstalować
w miejscu jego pracy, co jest czynnością trudną ze względu na wymiary i ciężar modułu.
Warunki niezbędne dla uzyskania
dokładności obróbki EWg
Stwierdzono już wcześniej, że dokładność obróbki
elementów o dużych gabarytach ma dominujący wpływ
na dokładne działanie każdej maszyny, jej dokładność,
wydajność, niezawodność itp. Z tego powodu niezbędna
gdzie:
Tpi – czas między kolejnymi operacjami lub grupami operacji, godz.
k1 – współczynnik zależny od rodzaju i warunków obróbki,
k2 – współczynnik zależny od parametrów obróbki,
k3 – współczynnik zależny od rodzaju materiału,
m – masa obrabianego elementu, Mg.
Współczynnik k1 ujmuje wpływ rodzaju obróbki i jej
warunków, które to czynniki mają duże znaczenie dla intensywności zjawisk cieplnych. Od rodzaju obróbki, np.:
wiercenie, frezowanie, szlifowanie, wytaczanie, zależy
ilość ciepła, jaka jest generowana w procesie skrawania.
Warunki obróbki, a więc głównie chłodzenie i smarowanie (jakie, ile) decydują o ilości ciepła, jakie zostanie odprowadzone ze strefy obróbki, nie będzie więc oddziaływało na obrabiany przedmiot.
Parametry obróbki (współczynnik k2) także wpływają
na ilość ciepła, jaka zostaje wydzielona w strefie obróbki. Ten czynnik jest ściśle związany z omawianym wcześniej, dla celów analitycznych uznano jednak za celowe
wyodrębnienie go.
29
2/2012
Współczynnik ujmujący zależność czasu przerwy
i rodzaju materiału (k3) pozwala na uwzględnienie cech
tworzywa konstrukcyjnego związanych z czynnikiem termicznym. Istotne w tym zakresie będą takie wielkości, jak
np.: pojemność cieplna, współczynnik rozszerzalności
cieplnej, współczynnik przenikania, gdyż od nich zależeć
będą skutki oddziaływania ciepła na obiekt.
Masa obrabianego elementu m ma związek z przekrojami przenoszącymi obciążenia i objętością materiału
analizowanego elementu, dlatego też została uwzględniona w proponowanej zależności.
Wartości współczynników nie są znane, w literaturze
brak jest informacji na ten temat, dlatego też należy wyznaczyć je doświadczalnie.
Na podstawie przeprowadzonych badań, w których
obrabiany był stalowy korpus o masie 2,5 Mg, stwierdzono, że dla obróbki wykończającej (a więc takiej,
w której ilość generowanego ciepła jest niewielka) wartości współczynników można przyjąć odpowiednio:
k1 = 25, k2 = 0,8, k3 = 1,0.
W rezultacie takich decyzji, stosując powyższą zależność, pomiary końcowe można było prowadzić ok.
48 godzin po zakończeniu obróbki. Weryfikacja tych
ustaleń wykazała poprawność obliczeń – pomiary realizowane po tym czasie wykazywały dużą powtarzalność.
Z powyższych rozważań wynika, że w strukturze poprawnie zaprojektowanego procesu technologicznego
EWg należy usytuować przerwy technologiczne, służące
stabilizacji wymiarowej obrabianego elementu. Jest to
podstawowa cecha odróżniająca procesy technologiczne obróbki dużych elementów od procesów dotyczących
elementów o małych wymiarach. Schematycznie taki
proces technologiczny można przedstawić jako szereg
dwuelementowych zbiorów (obróbka – pomiar, z przerwą
Tpi na stabilizację temperaturową) – rys. 4.
Rys. 4. Schemat blokowy procesu technologicznego elementu
wielkogabarytowego (O – obróbka, P – pomiary, Tp – przerwa)
30
Technologia i Automatyzacja Montażu
Projektując proces technologiczny EWg, należy zawsze dążyć do tego, aby powstałe ewentualnie błędy
wykonania były naprawialne, tzn. wymiary zewnętrzne
wykonywać „w plusie”, a wewnętrzne – „w minusie”. Takie postępowanie pozwoli zapobiec dużym stratom materiałowym wynikającym z istoty elementów wielkogabarytowych.
Podsumowanie
W niniejszej pracy zasygnalizowano jedynie zagadnienia, które są istotne dla prawidłowego funkcjonowania
maszyn, zwracając główną uwagę na te szczegóły, które
dotyczą struktur o dużych gabarytach. Wskazane działania, niewymagające nakładów finansowych, przyczynią
się do zminimalizowania prawdopodobieństwa wystąpienia błędów obróbki, które w przypadku EWg mogą spowodować duże straty.
LITERATURA
1. Musiał J., Styp-Rekowski M.: Technologiczne uwarunkowania modułowej budowy obrabiarek skrawających. Technologia i Automatyzacja Montażu
nr 2/2006, s. 26-29.
2. Styp-Rekowski M.: Konstrukcyjne i technologiczne
aspekty modułowej budowy obrabiarek. Inżynieria
Maszyn, vol. 11, z. 1/2006, s. 17-29.
3. Styp-Rekowski M., Musiał J.: Czynniki determinujące użytkowe cechy połączeń w obrabiarkach modułowych. Technologia i Automatyzacja Montażu
nr 2-3/2007, s. 36-39.
4. Borowski Z., Matuszewski M., Musiał J., Styp-Rekowski M.: Organizacyjne i ekonomiczne uwarunkowania procesów wytwarzania elementów wielkogabarytowych. Zeszyty Naukowe Politechniki
Rzeszowskiej, seria Mechanika z. 83. Rzeszów
2011, s. 219-224.
5. Bromberek F., Musiał J., Styp-Rekowski M., Węgrzyniak T.: Montażowe aspekty produkcji elementów
wielkogabarytowych. Technologia i Automatyzacja
Montażu nr 2/2011, s. 21-24.
6. Borowski Z., Matuszewski M., Musiał J., Styp-Rekowski M.: Obrabiarki modułowe jako czynniki determinujące produktywność procesu wytwórczego.
Materiały Seminarium „Twórczość inżynierska dla
współczesnej Europy”. OB SIMP, Bydgoszcz 2011,
s. 14-20.
7. Kosmol J., Lehrich K., Wilk P.: Optymalizacja konstrukcji obrabiarek HSC. Mechanik nr 12/2011,
s. 12-13.
____________________________
Prof. dr hab. inż. Michał Styp-Rekowski jest kierownikiem
w Zakładzie Inżynierii Produkcji na Wydziale Inżynierii
Mechanicznej Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy. Dr inż. Maciej Matuszewski, dr inż.
Janusz Musiał są adiunktami w Zakładzie Inżynierii Produkcji na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu
Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy.