analiza fmea metodą macierzową dla turbosprężarki samochodu

ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2)
ARCHIVES OF FOUNDARY
Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2)
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
77/21
ANALIZA FMEA METODĄ MACIERZOWĄ DLA
TURBOSPRĘŻARKI SAMOCHODU OSOBOWEGO
WSPOMAGANA PROGRAMEM KOMPUTEROWYM
J. FABIŚ1, E. LISOWSKI2
Instytut Informatyki Stosowanej, Politechnika Krakowska,
al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków
STRESZCZENIE
W referacie omówiono zastosowanie metody macierzowej analizy FMEA.
Przedstawiono przykładową analizę dla turbosprężarki doładowania silnika samochodu
osobowego przy pomocy programu komputerowego opracowanego w Instytucie
Informatyki Stosowanej Politechniki Krakowskiej. Uzyskane wyniki przedstawiono
w postaci graficznej. Pozwoliło to w łatwy sposób dokonać interpretacji wpływu
poszczególnych wad na funkcje spełniane przez wyrób.
Key words: FMEA analysis, matrix method, turbocharger, computer aided
1. WSTĘP
W ostatnich latach wymagania dotyczące jakości nabrały szczególnego znaczenia.
Stały się one ważnym elementem współczesnego przemysłu. Systemy jakości
pozwalają na ciągłe doskonalenie organizacji we wszystkich jej sferach i w ulepszeniu
wyrobów. Obejmują one nie tylko produkty czy usługi, ale również jakość pracy i jej
organizację. Dotyczą procesów marketingowych, technologicznych i produkcyjnych
zorientowanych na zaspokojenie oczekiwań i potrzeb klientów. Systemy te mają
również wpływ na rozwój i kondycję firmy. Korzyści wynikające z wdrożenia
i utrzymania systemów jakości powodują, że zainteresowanie nimi wzrasta zarówno
wśród producentów jak i jednostek naukowo - badawczych. Prace ukierunkowane są
1
2
mgr inż.
dr hab. inż. prof. PK, [email protected]
głównie na poszukiwanie nowych algorytmów oraz automatyzację narzędzi jakości przy
zastosowaniu systemów informatycznych. W niniejszym referacie przedstawiono
analizę FMEA metodą macierzową dla turbosprężarki samochodu osobowego. Do
analizy wykorzystano specjalistyczne oprogramowanie, które dla tej metody jest
rozwijane w Instytucie Informatyki Stosowanej Politechniki Krakowskiej.
2. ISTOTA METODY MACIERZOWEJ
W metodzie macierzowej w pierwszej kolejności niezbędne jest utworzenie dwóch
macierzy: CF–„Components–Failure” oraz EC-„Function-Components”. Mając
zbudowane obie macierze mnożymy macierz CF przez EC otrzymując macierz
wynikową EF zwaną „ Function – Failure”.
W celu utworzenia macierzy CF dekomponuje się badany obiekt na elementy
pierwsze, którymi zwykle będą części składowe urządzenia. Każda cześć zostaje
poddana analizie i określony jest jej udział w powstawaniu potencjalnych defektów
wyrobu. Przed zbudowaniem macierzy dogodnie jest przygotować tabelę opisującą
rodzaje zniszczeń i przyczyny, które mogą wystąpić. W tabeli 1 pokazano przykładowe
rodzaje zniszczeń i ich przyczyn, które mogą wystąpić w analizowanej turbosprężarce.
Tabela 1. Przykładowa tabela rodzajów zniszczeń i ich przyczyn
Tabela 1. An example table of kind of failure and their cases
Rodzaj
zniszczeń
Zmęczenie
materiału
Korozja
Materiał
Ścieralność
Przyczyny zniszczenia
Cykliczne zmiany obciążenia, termiczne, powierzchniowe, korozja,
ścieralność,
Czynniki chemiczne, erozja, biologiczne, pod wpływem nacisku (siły),
Przylegający, ścierny, powodujący korozje, powodujący deformacje,
Zmęczenie materiału, korozja,
W kolejnym etapie prowadzonych badań wszystkim analizowanym komponentom
przypisuje się wady, którym mogą one ulec. Wystąpienie wady jest opisywane za
pomocą liczb rzeczywistych lub binarnych. System dwójkowy jest stosowany, jeżeli
projektant nie posiada wystarczających informacji o analizowanym wyrobie. Liczba 1
jest wpisywana, gdy wada występuje, natomiast 0, gdy jej brak. Macierz EC powstaje
przez przypisanie badanym komponentom funkcji, jakie one spełniają. Dlatego tak
ważne jest, by przed przystąpieniem do analizowania jakiegokolwiek wyrobu najpierw
zapoznać się z działaniem wszystkich jego elementów. Dzięki temu dana funkcja
zostanie właściwie przyporządkowana do odpowiedniego elementu.
178
3. ANALIZA FMEA TURBOSPRĘŻARKI
Analizę metodą macierzową rozpoczęto od dokonania dekompozycji urządzenia
na elementy pierwsze jak na rys.1.
Skompensowane
powietrze
5
4
2
6
Wylot spalin
1
8
Wlot powietrza
do sprężarki
3
7
Wlot spalin
Rys.1. Przekrój złożenia turbosprężarki.
Fig.1. Cross section of assemble of the turbocharger.
Badana turbosprężarka składa się z dwóch wirników znajdujących się na
wspólnym wale (1). Jeden z nich to wirnik turbiny (2) umieszczony w układzie
wydechowym. Drugi to wirnik sprężarki (3) znajdujący się w przewodzie dolotowym.
Chociaż są one połączone ze sobą, to podczas analizy metodą macierzową będą
rozpatrywane jako dwa osobne elementy (ze względu na odmienne warunki pracy).
Pozostałe elementy wchodzące w skład turbosprężarki samochodu osobowego to:
korpus centralny (4), osłona turbiny z kanałem wylotowym (5), osłona sprężarki
z kanałem dolotowym (6), śruby M8. W korpusie centralnym znajduje się system
hydrodynamicznych łożysk ślizgowych (7), które w turbosprężarce spełniają takie same
funkcje, dlatego podczas analizy rozpatrzono tylko jeden z nich. Taki sposób
postępowania wynika z zastosowania tzw. filtrów. Można je stosować w sytuacji, gdy
w jednym urządzeniu występuje kilka takich samych części, pracujących w podobnych
warunkach i podatnych na identyczne wady. W trakcie analizy wszystkie te części będą
zachowywać się tak samo. Szczelność korpusu centralnego, przez który przepływa olej
utrzymywana jest przez system uszczelnień w postaci dwóch pierścieni
uszczelniających (8). Wykonując analizę metodą macierzową EF, pominięto te
komponenty, które mimo, że występują w wyrobie, nie powodują jego awarii (śruby).
Natomiast elementy (4), (5), (6) tworzące obudowę rozpatrzono jako jeden komponent.
179
Po uwzględnieniu powyższych założeń, analiza FMEA metodą macierzową objęła:
obudowę, wał, wirnik sprężarki, wirnik turbiny, łożysko ślizgowe i pierścień
uszczelniający.
3.1 Przebieg analizy
W pierwszym etapie analizy określono potencjalne rodzaje wad poszczególnych
części (tab. 2). Podstawowe czynniki niszczące obudowę turbosprężarki to korozja,
zatarcie, pęknięcie pod wpływem działania czynników termicznych( szok termiczny).
Dla wałka wpływ na jego uszkodzenie mają pęknięcia, przegrzanie i ścieranie. Wirnik
turbiny jest podatny na przegrzanie, zatarcia, oraz ścieranie. Dla wirnika sprężarki
wyróżniono zatarcia i ścieranie spowodowane zasysaniem powietrza z drobinkami
kurzu. Zniszczenia łożyska to pęknięcia, zatarcie, przegrzanie, zużycie, ścieranie oraz
korozja. Dla pierścienia uszczelniającego przypisano wadę zużycie.
komponent
Tabela 2. Macierz CF przedstawiająca rodzaje wad dla poszczególnych komponentów
Table 2. Matrix CF – Components - Failure
obudowa
wałek
wirnik turbiny
wirnik sprężarki
łożysko
pierścień
uszczelniający
Rodzaj wad
Pęknięcia Przegrzanie Zatarcia Korozja
1
0
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
0
0
Zużycie Ścieranie
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
W kolejnym etapie analizy stworzono macierz EC. Każdy komponent opisano
funkcją, jaką spełnia (tab.3). Dla obudowy jest to funkcja stabilizacyjna (utrzymuje
w równowadze wszystkie części) oraz funkcja pozycyjna lokującą poszczególne
elementy. Wałek opisano funkcją transportową (przekazuje ruch obrotowy turbiny na
ruch obrotowy sprężarki) oraz funkcją łącznikową (wałek łączy 2 wirniki). Podstawową
funkcją wirnika turbiny jest wnoszenie zmian w turbosprężarce poprzez zamianę energii
kinetycznej spalin na ruch obrotowy sprężarki. Funkcja wnosząca zmiany została
180
przypisana również wirnikowi sprężarki. Powoduje ona zamianę ruchu obrotowego
sprężarki na energię potencjalną ciśnienia. Łożysko zostało opisane przez dwie funkcje.
Pierwszą z nich jest funkcja wnosząca zmiany, która zapewnia ruch obrotowy wału oraz
minimalizuje tarcie. Druga to funkcja stabilizująca zapewniająca stałe położenie osi
obrotu wału. Dla pierścienia uszczelniającego przypisano funkcję separującą.
Uszczelnienie zapobiega przedostawaniu się oleju do turbiny i sprężarki oraz
przedostawaniu się gazów do korpusu centralnego.
Tabela 3. Macierz EC przedstawia funkcje spełniane przez poszczególne komponenty
Table 3. Matrix EC – Function- Components
Funkcja
obudowa wałek
Wnosząca
zmiany
Transportowa
Stabilizująca
Pozycyjna
Łącznikowa
Separująca
wirnik
turbiny
Komponent
wirnik
sprężarki
łożysko
pierścień
uszczelniający
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
W ostatnim etapie analizy metodą macierzową zbudowano macierz EF (tab. 4).
Przedstawiono w niej prawdopodobieństwo wystąpienia wady dla danej funkcji.
Funkcja
Tabela 4. Macierz EF prawdopodobieństwa wystąpienia wady dla danej funkcji
Table 4. Matrix EF – Function - Failure
Wnosząca zmiany
Transportowa
Stabilizująca
Pozycyjna
Łącznikowa
Separująca
Rodzaj wad
Pęknięcia Przegrzanie Zatarcia Korozja
1
2
3
0
1
1
0
0
2
1
2
1
1
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
181
Zużycie Ścieranie
1
3
0
1
1
1
0
0
0
1
1
0
1 2 3 0 1 3
1 1 0 0 0 1
EF =
2 1 2 1 1 1
1 0 1 1 0 0
1 1 0 0 0 1
0 0 0 0 1 0
3.2 Wyniki analizy
Na podstawie danych (tab.4) przeprowadzono obliczenia w programie
komputerowym „Analiza FMEA”. Wyniki analizy przedstawiono na rys. 2. Na osi X są
funkcje jakie spełnia komponent, a na Y są wskaźniki defektów w turbosprężarce: (1) –
pękniecie, (2) – przegrzanie, (3) – zatarcie, (4) – korozja, (5) – zużycie, (6) – ścieranie.
Jak wynika z rys.2a największe wartości otrzymała funkcja „Wnosząca zmiany”. Dla tej
funkcji wskaźniki defektów (3) – zatarcie i (6) - ścieranie mają prawdopodobieństwo
wystąpienia równe 3.
Funkcja „Wnosząca zmiany” dotyczy ruchu obrotowego wałka i minimalizacji
tarcia. Odpowiada także za zamianę energii kinetycznej spalin na ruch obrotowy
sprężarki, który ulega zamianie na energię potencjalną ciśnienia. Na rys.2 dla funkcji
„Wnosząca zmiany” wady: (3) - zatarcie i (6) - ścieranie uzyskują największe wartości.
Defekt zatarcie (3) prowadzi do niszczenia powierzchni komponentu i spadku jego
trwałości. Spowodowany jest brakiem warstwy oleju pomiędzy obudową a osią wirnika.
Następuje wytarcie wału osi i powstanie luzów. Łopatki trą o obudowę sprężarki
i uszkadzają oba elementy. Natomiast defekt ścieranie (6) zachodzi, gdy powietrze jest
zasysane wraz z drobinkami kurzu, które niszczą krawędzie łopatek.
4. PODSUMOWANIE
W pracy podjęto zadanie przeprowadzenia analizy FMEA metodą macierzową dla
turbosprężarki samochodu osobowego. Stworzono macierz CF – „komponent – rodzaj
wady” oraz macierz EC – „funkcja – komponent”. Otrzymane wyniki poddano analizie
i uzyskano informuje o prawdopodobieństwie wystąpienia wady dla danej funkcji
(macierz EF). Narzędziem do analizy był program komputerowy o nazwie „Analiza
FMEA” opracowany w Instytucie Informatyki Stosowanej Politechniki Krakowskiej.
Oprogramowanie to pozwoliło w szybki sposób wprowadzić dane, wykonać niezbędne
obliczenia i przedstawić wyniki za pomocą wykresów. Zintegrowana z programem baza
danych może być swobodnie adaptowana i rozwijana przez użytkownika, co ma duże
znaczenie w sytuacji rozszerzenia analizy na inne obiekty.
182
a) y
b) y
Wnosząca zmiany
3
Stabilizująca
2
2
1
1
1
0
c)
2
y
1 2
e) y
1
0
4
5
6
3
4
5
2
3 4
1
2
d) y
1
6
5 6
0
x
0
x
3
4
5
6
x
Pozycyjna
1
2
f) y
1
Łącznikowa
1
0
x
Transportowa
1
0
3
3
4
5
6
x
Separująca
1
2
3
4
5
6
x
Rys.2 Wyniki analizy FMEA w postaci wykresów słupkowych dla funkcji: a) wnoszącej
zmiany, b) stabilizującej, c) transportowej, d) pozycyjnej, e) łącznikowej, f) separującej.
Fig.2 Graphic presentation the results of FMEA analysis for function: a) changing,
b) stability, c) transport, d) position, e) connection, f) separate.
183
Analiza FMEA prowadzona metodą macierzową jest wykorzystywana głównie
tam gdzie może być zagrożone życie ludzkie i wymagane są wysokie wskaźniki
bezpieczeństwa. Jak wykazano w referacie może ona być zastosowana do poprawy
jakości w maszynach i urządzeniach powszechnego użytku. Metoda macierzowa
charakteryzuje się tym, że już w fazie projektowania pozwala doskonalić konstrukcję
wyrobu, a zgromadzenie danych wejściowych nie jest zbyt skomplikowane.
Przeprowadzenie analizy tą metodą można zautomatyzować poprzez opracowanie
odpowiedniego programu komputerowego. W Instytucie prowadzone są badania nad
rozszerzeniem możliwości komputerowych w analizie metodą EF za pomocą logiki
rozmytej i sieci neuronowej.
LITERATURA
[1]. M. E. Stock & R. B. Stone & I. Y. Tumer. 2003. Going back in time to improve
design: The elemental function-failure design method,
[2]. J. Mysłowski, Doładowanie silników, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności,
Warszawa 2002.
MATRIX METOD IN FMEA ANALYSIS FOR THE
CAR TURBOCHARGER COMPUTER AIDED
SUMMARY
This paper presents an application of matrix method In FEMA analysis of
turbocharger for passenger car engine. Matrixes “component-failure case” and
“function-component” were built. Then they were analyzed what allowed to obtain
information about probability of failure for given function. Furthermore, simulation for
various events was carried out to obtain smaller probability of failure by computer
software made in Cracov University of Technology.
Recenzował: prof. Stanisław Pietrowski.
184