UDK: 621 ISSN: 2630-4333 SODOBNI STROJNIK junij 2022 | številka 5 | letnik V Statistično sklepanje v okolju za delo s preglednicami MECANUM električni voziček MB1/2020 TPM – nič zastojev opreme Primerjava opisov postopkov sintranja stran 4 stran 13 stran 30 stran 33 magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNI STROJNIK, letnik 2022, številka 5 Izdaja: Tehniški šolski center Maribor, VIŠJA STROKOVNA ŠOLA UDK (UDC): 621 ISSN: 2630-4333 Uredniški odbor: dr. Andrej Podbrežnik, mag. Samo Čretnik, Metka Štraser, Živa Brumec Zadravec Izjave oziroma trditve avtorjev prispevkov ne odražajo mnenja uredniškega odbora in za njih ne odgovarjamo. Oblikovanje in prelom strani: TŠC Maribor, Višja strokovna šola Izvod v digitalni obliki. 2 SODOBNISTROJNIK magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor Nagovor urednika Živimo v burnih in dinamičnih časih, ko se poleg neštetih novosti, ki smo jim priče, pojavljajo vedno nove in nove znanstvene vede in discipline, mnoge izmed katerih se med seboj povezujejo, združujejo, mešajo in nastane zmeraj kaj novega, kaj izvirnega in v vsej tej poplavi vedno novih ved in disciplin se pojavi vprašanje, kakšna je vloga strojništva v tej poplavi najrazličnejših ved in disciplin in kakšna bo njegova prihodnost. Ali se bo strojništvo zlilo z drugimi vedami v neko popolnoma novo vedo ali vede, kot je to v primeru mehatronike ali pa bo nemara uspelo ohraniti svojo enovitost in se še naprej uveljaviti kot samostojna veda, ki predstavlja podlago za nastanek in razvoj novih znanstvenih področij? Najbrž imajo prav tisti, ki trdijo, da je strojništvo tako zelo široko znanstveno področje, da se bo zmeraj znalo prilagoditi novostim in bo zmeraj tvorilo substrat – podlago – za nastanek novih ved, ki pa bodo vse nosile v sebi prvine strojništva, ne bodo pa strojništvo, ker same po sebi ne bodo tako obsežne, marveč ozko specializirane, obenem pa same brez strojniške podlage, iz katere so izrasle, ne bodo mogle obstajati. inženirji strojništva uporabljajo kreativno načrtovanje in analitično znanje, da spremenijo nek koncept v nekaj resničnega. Brez strojništva ne bi imeli stvari, kot so motorji, generatorji, dvigala ali celo klimatske naprave. Čeprav se tega morda niti ne zavedamo, najverjetneje vsak dan uporabljamo nekaj, kar je bilo strojno izdelano. Strojništvo igra ključno vlogo v proizvodnih tehnologijah, od avtomobilov do letal do hladilnikov. Omogoča vam, da z lahkoto opravljate številne dnevne aktivnosti, saj prinaša koristne tehnologije v našo sodobno družbo. Je ena najpomembnejših podrazdelkov inženiringa, saj brez nje številne tehnologije, ki jih uporabljamo vsak dan, ne bi bile na voljo. Vsa ta raznolikost strojništva in področij njegove uporabe se odraža tudi v prispevkih v tokratni izdaji Sodobnega strojnika, kjer so zajeta mnoga področja strojništva in njegovega razvoja. Želimo vam obilo užitkov ob prebiranju prispevkov. dr. Andrej Podbrežnik Strojništvo je namreč izredno raznolika in obsežna znanstvena veda. Strojništvo je umetnost – umetnost uporabe različnih specialnih tehnik reševanja problemov in njihove uporabe pri načrtovanju in izdelavi predmetov. V bistvu Kazalo Statistično sklepanje v okolju za delo s preglednicami_4 | Programiranje industrijskih krmilnikov na daljavo_8 MECANUM električni voziček MB-1/2020 (1. del)_13 | MECANUM električni voziček MB-1/2020 (2. del)_18 Ohranjanje avtomobilskih žarometov za zagotovitev večje vidljivosti in varnosti na cesti_24 | Statična analize paličja z MKE v programu PTC Creo 7.0_27 | TPM – nič zastojev opreme__30 | Primerjava opisov postopkov sintranja v učbenikih in priročnikih iz različnih obdobij_33 | Josephine Cochrane in njen pomivalni stroj_41 Električno krmiljena dušilna loputa_44 | Alternatorji z zunanjo regulacijo polnjenja_49 magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 3 dr. Težak Oto, uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Statistično sklepanje v okolju za delo s preglednicami V prispevku je obravnavana možnost uporabe splošno dostopnih programskih okolij za delo s preglednicami za postopke statističnega sklepanja. V bistvenih točkah sta prikazana teoretična podstat in najpogostejši postopek reševanja naloge statističnega sklepanja. Izhodišče je predstavljal postopek t-testa. Podan je podroben in celovit zgled t-testa za dva neodvisna vzorca, vključno s komentarji in z opisom uporabljenih funkcij. V zaključku je opozorjeno na pomen in pasti interpretacije rezultatov, s poudarkom na inženirskem delu. UVOD V reviji Sodobni strojnik št. 3 smo predstavili možnosti statistične obdelave z metodami opisne statistke v različnih programskih okoljih (Težak, 2019). Drugo pomembno in obsežno področje statističnih obdelav obsegajo metode statističnega sklepanja. Uporaba teh metod doda velikokrat težo inženirskemu delu in pomaga pri sprejemanju inženirskih rešitev. V pričujočem prispevku bomo predstavili korake ene izmed metod statističnega sklepanja, ki nam bo dala odgovor na zastavljeno raziskovalno vprašanje. Ne bomo se poglobili v teoretično ozadje, v ta namen toplo priporočamo uporabo katerega od številnih virov (na primer Sheskin, 2004 ali Zar, 1984). Pokazati želimo, kako je moč izvesti postopek sklepanja v okoljih za delo s preglednicami, ki so splošno dostopna. Prednosti uporabe takih okolij v inženirski praksi so: njihova splošna dostopnost, uporabniki jih že poznajo in uporabljajo, ni potrebno investirati v novo programsko opremo, praviloma imajo na voljo potrebne funkcije in orodja za statistično analizo, koraki analize, ki jo opravljamo, so jasno razvidni uporabniku in zlahka upravljamo potek reševanja statistične naloge, kar na splošno ne velja pri bolj sofisticiranih orodjih za statistično analizo. 4 SODOBNISTROJNIK Slika 1: Testna statistika in območja sprejemanja hipotez. | Vir: Težak (2022) TEORETIČNA PODSTAT S postopkom testiranja statističnih hipotez želimo potrditi (ali zavrniti) raziskovalno hipotezo. Raziskovalna hipoteza je trditev, za katero želimo ugotoviti, ali jo lahko sprejmemo ali pa jo moramo zavrniti. Pri postopku testiranja potrebujemo začetno hipotezo, imenovano ničelna hipoteza (v splošnem opisuje običajno ali pričakovano stanje), ki jo označimo s H0, in alternativno hipotezo Ha (govori, da smo odkrili nekaj novega, nepričakovanega) in je potemtakem nasprotna H0. Alternativna hipoteza je lahko enostranska ali dvostranska glede na to, kako formuliramo razlikovanje – z neenakostjo (≠) ali z enim od neenačajev (> ali <). V začetku skle- panja predpostavimo, da je ničelna hipoteza pravilna. S pomočjo parametra, ki ga imenujemo testna statistika, skušamo ugotoviti, ali so podatki, ki jih proučujemo, blizu pričakovanim ali ne. Mejo, do katere zaključimo, da podatki kažejo na pričakovano stanje, določa kritična vrednost testne statistike in njena velikost je odvisna od tega, koliko smo pripravljeni tvegati pri zavrnitvi ničelne hipoteze, in od števila podatkov, ki jih imamo na voljo pri raziskavi. Tveganje običajno označimo z α in ga izrazimo v deležu. Tipično so vrednosti α = 5%, 1% ali 0,1%. V kolikor izračunana testna statistika presega mejno vrednost smemo zaključiti, da zavračamo hipotezo H0 in sprejmemo magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor alternativno hipotezo Ha. Povejmo še, da so praviloma lahko vrednosti testnih statistik v primeru dvostranske hipoteze Ha pozitivne ali negativne in je zato kritična vrednost testne statistike lahko tudi negativna in hipotezo H0 obdržimo, če vrednost testne statistike leži v intervalu, ki ga omejujeta negativna in pozitivna vrednost kritične vrednosti testne statistike. V primeru enostranske alternativne hipoteze Ha je kritična vrednost zgolj pozitivna. Govorimo o enorepem testiranju. Za lažje razumevanje si pomagajmo s sliko 1, na kateri je predstavljena gostota porazdelitve testne statistike ter kritične vrednosti testne statistike za enostransko (modra, krit1) in dvostransko (rjava, krit2) hipotezo Ha. Hipotezo H0 obdržimo povsod, razen v označenih območjih, kjer jo zavrnemo. Tam lahko sprejmemo hipotezo Ha, in sicer s tveganjem α. Kot vidimo na sliki 1 se razdeli območje površine α v primeru dvorepega testiranja (rjava) na dve območji s površino α/2. Na koncu jasno zapišemo statistični in vsebinski sklep, ki sledita iz našega testiranja. Statistični sklep odgovori, ali so proučevani podatki statistično značilni ali ne. V primeru, da ničelno hipotezo obdržimo, govorimo o tem, da rezultati niso statistično značilni. V kolikor ničelno hipotezo zavrnemo v korist alternativne hipoteze, so rezultati statistično značilni. Vsebinski sklep odgovori, ali hipotezo H0 obdržimo ali jo zavrnemo v korist alternativne hipoteze Ha, pri tem pa moramo navesti še stopnjo tveganja α. V primeru statistično neznačilnih rezultatov bi se vsebinski sklep glasil, da proučevani podatki ne nasprotujejo ničelni hipo- tezi. V primeru statistično značilnih rezultatov vsebinski sklep pove, da pri stopnji značilnosti α trdimo, da je alternativna (raziskovalna) hipoteza pravilna. Verjetnost, da je naše sklepanje napačno, je torej manjše od α, kar je tradicionalna statistična dikcija, s sodobnimi metodami in pripomočki pa lahko to verjetnost tudi izračunamo in jo označimo s p. Za zavrnitev hipoteze H0 mora torej veljati: p ≤ α. William Sealy Gosset je leta 1908 predlagal testno statistiko, ki jo imenujemo t-statistika, in je definirana z enačbo: Pomen oznak: t = testna statistika, x̄ = aritmetična srednja vrednost vrednosti spremenljivke iz vzorca, µ = aritmetična srednja vrednost spremenljivke v populaciji, s = standardni odklon vrednosti spremenljivke iz vzorca, n = število vrednosti v vzorcu. Predpostavka je, da so vrednosti slučajne spremenljivke porazdeljene normalno z aritmetično srednjo vrednostjo µ in s standardnim odklonom σ. Zapišemo N (µ, σ). V tem primeru je testna statistika t vzorca, ki je velikosti n, porazdeljena po Studentovi, Gosset je svoj članek objavil pod psevdonimom Student (Student, 1908), porazdelitvi s stopnjo prostosti SP = n – 1. Aritmetična srednja vrednost je najpogosteje uporabljan statistični parameter statističnih spremenljivk in najpogosteje testiramo hipoteze, ki analizirajo aritmetično srednjo vrednost. Zato smo kot primer statističnega sklepanja uporabili t-test. Znanja željan bralec bo poiskal podrobno razlago v primernih virih (npr. Zar, 1984). Za potrebe tega prispevka bo zadoščala sledeča razlaga. S t-testom testiramo ničelno hipotezo H0, ki trdi, da ni razlike med aritmetičnima sredinama vrednosti proučevane veličine. Razlikujemo več vrst t-testov. Predpostavimo, da sta vzorca zajeta iz populacij z normalno porazdelitvijo na naključen in neodvisen način. V tem primeru govorimo o t-testu aritmetičnih srednjih vrednosti dveh neodvisnih vzorcev. dr. Težak Oto, uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Vzorca lahko prihajata od populacij z enako variabilnostjo ali različno variabilnostjo - varianco. Kadar primerjamo vrednost aritmetične srednje vrednosti z vnaprej določeno vrednostjo µ0, tak test imenujemo t-test enega vzorca. O t-testu odvisnih vzorcev govorimo, kadar primerjamo parne vrednosti. Brez izpeljave navedimo testne statistike za različne primere t-testov. Test enega vzorca: H0: µ = µ0 Ha: µ ≠ µ0 lahko tudi Ha: µ < µ0 ali Ha: µ > µ0 Pri čemer je µ0 predpostavljena aritmetična srednja vrednost. Stopnja prostosti SP = n – 1. Testna statistika je določena z Test dveh neodvisnih vzorcev: H0: µ1 = µ2 Ha: µ1 ≠ µ2 lahko tudi Ha: µ1 < µ2 ali Ha: µ1 > µ2 Pri čemer sta n1 in n2 velikosti vzorcev, s1 in s2 pa standardna odklona vrednosti v vzorcih. Stopnja prostosti SP = n1 + n2 – 2. magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 5 dr. Težak Oto, uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Testna statistika je v primeru različnih vzorčnih varianc določena z enačbo V primeru enakih vzorčnih varianc pa z enačbo Test dveh odvisnih vzorcev: H0: µ1 = µ2 Ha: µ1 ≠ µ2 lahko tudi Ha: µ1< µ2 ali Ha: µ1> µ2 Pri čemer je n velikost vzorca, s1 in s2 pa standardna odklona vrednosti v vzorcih. Stopnja prostosti SP = n – 1. Testna statistika je določena s VIRI: (1) Apache OpenOffice. (2020). Pridobljeno s http://www.openoffice. org/ (2) LibreOffice. (2020). Pridobljeno s https://www. libreoffice.org/ (3) Microsoft. (2020). Pridobljeno s https:// support.office.com/en-us/excel Primer statističnega sklepanja Raziskovalno vprašanje: Kot zgled za uporabo statističnega sklepanja si zastavimo raziskovalno vprašanje, ali se statistično pomembno razlikujejo dosežki dveh skupin študentov pri izpitih iz informacijsko komunikacijskih tehnologij (IKT). Proučevani populaciji sestavljajo študenti različnih študijskih smeri. Statistična spremenljivka je število točk, ki jih študent zbere pri pisnem izpitu. Vrednosti statističnih spremenljivk so zbrane na presečni datum (10. 7. 2020). Spremenljivko bomo obravnavali kot številčno in (psevdo) zvezno. Njena vrednost leži na intervalu od 0 do 100. (4) Sheskin, D. J. (2004). Parametric and non-parametric statistical procedures. 3rd ed. Chapman & Hall /CRC. 6 SODOBNISTROJNIK Raziskovalna hipoteza: V primeru uporabe metod statističnega sklepanja je praviloma prvi korak metodološko jasna formulacija raziskovalnih hipotez. Ničelne hipoteze H0 in alternativne ali raziskovalne hipoteze Ha. V našem primeru postavimo sledeči hipotezi: H0: µ1 = µ2 Ha: µ1 ≠ µ2 Odločimo se, da bomo pri statističnem sklepanju sprejeli tveganje α <= 5%. Ničelna hipoteza H0 govori, da ni razlik med skupinama študentov. To je hipoteza, ki opisuje običajno, pričakovano situacijo in jo bomo skušali ovreči. Pri tem bomo uporabili testno statistiko, ki nam jo sugerira teorija. Preverili bomo, ali leži vrednost testne statistike znotraj običajnega, pričakovanega območja - v tem primeru bomo ohranili ničelno hipotezo. Meja območja je odvisna od stopnje tveganja, ki smo ga še pripravljeni sprejeti za napako, ko bi zavrnili ničelno hipotezo, čeprav bi bila pravilna. V kolikor se bo izkazalo, da leži vrednost testne statistike izven pričakovanega območja, bomo sprejeli alternativno hipotezo, ki jo viri poimenujejo tudi raziskovalna hipoteza. Alternativna hipoteza Ha predpostavlja, da obstajajo statistično pomembne razlike med skupinama študentov. Opis vzorca: Skupino 1 sestavljajo študenti prvega študijskega programa, n1 = 112. Skupino 2 sestavljajo študenti drugega študijskega programa, n2 = 34. Slika 2: Parametri opisne statistike obeh skupin. | Vir: Težak (2022) Uporabili smo ocene generacij od 2017 do 2020 na dan 10. 7. 2020. Opisna statistika nam pokaže stanje, ki ga vidimo na sliki 2. Privzamemo, da so rezultati skupin študentov pri izpitih iz IKT porazdeljeni po normalni porazdelitvi. Variance za populaciji študentov ne poznamo. Zato uporaba Z - statistike ne bi bila ustrezna. Vrednost variance bomo ocenili iz vzorcev. Brez dodatnih teoretičnih podkrepitev izvedimo predhodni korak našega zgleda statistične analize. Skladno s teoretičnimi spoznanji najprej ugotovimo, ali imata skupini enako ali različno varianco. Rezultati opravljenega F testa so prikazani na sliki 3. Vidimo, da imamo sicer različni vrednosti variance, vendar se sta- Slika 3: F-test variance za dva vzorca. Težak (2022) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor tistično pomembno ne razlikujeta (F pri tej vhodni napetosti bo U_bat=689 if (U_bat <= 690){ // ce izmerimo povprecno vrednost pod 690, smo pod 10,5V STANJE_NAPAKA = LOW; STANJE_VOZNJA = LOW; STANJE_POCIVA = LOW; STANJE_PRAZEN_AKU = HIGH; digitalWrite (RELE, LOW); // izklopimo rele za napajanje mocnostnega dela } Zastavico za aktiviranje napake vklopimo, ko preberemo nizko stanje na tipki za zasilni izklop. Z vsakim vklopom ene izmed zastavic, ostale tri izklopimo. V visokem stanju zastavice STANJE_VOZNJA najprej vklopimo rele za napajanje močnostnega dela, nato pa sledi hitro utripanje zelene LED diode. if (STANJE_VOZNJA == HIGH){ digitalWrite (RELE, HIGH); // vklopimo rele za napajanje mocnostnega dela if (LED_ZEL == LOW){ if (millis() >= (cas_izklop_LED + cas_NEsveti_LED_kratki)){ LED_ZEL = HIGH; cas_vklop_LED = millis(); digitalWrite (LED1_ZEL, HIGH); // vklopimo zeleno LED } } else if (LED_ZEL == HIGH){ if (millis() >= (cas_vklop_LED + cas_sveti_LED)){ LED_ZEL = LOW; cas_izklop_LED = millis(); digitalWrite (LED1_ZEL, LOW); // IZklopimo zeleno LED } } } // preberemo stanje baterije; na vhodu imamo napetostni delilnik 10kE/4,7kE magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 21 mag. Marjan Bezjak, uni. dipl. ing. ele. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Sledi varčevalna shema STANJE_ POCIVA. Varčevalna shema je sprogramirana tako, da se močnostni del izklopi po 1 minuti neaktivnosti katerekoli tipke na aplikaciji. V tem stanju počasi utripa zelena LED. Ko pritisnemo na katerokoli tipko, se najprej aktiviral rele in nato pričnemo z vožnjo v izbrani smeri. Takrat prične zelena LED hitro utripati. STANJE_NAPAKA je aktivna, ko aktiviramo tipko za zasilni izklop. V tem stanju rdeča LED hitro utripa. V trenutku, ko dobimo ukaz iz Bluetooth modula HC-05 na serijskem vodilu in hkrati zastavica STANJE_ NAPAKA ni aktivna, lahko pričnemo z vožnjo. Z aktivacijo zastavice za vožnjo moramo ostale zastavice izklopiti. if ((Serial1.available() > 0) && (STANJE_ NAPAKA == LOW)) { serialA = Serial1.read(); cas_zadnjega_ukaza = millis(); STANJE_VOZNJA = HIGH; } Glavni del programske rešitve je bila odločitev, kako bomo prenašali znak za aktiviranje in sprostitev posamezne tipke. Odločili smo se za prenos črk angleške abecede. Podrobneje smo ta del opisali v prvem delu članka. Pri programski rešitvi smo za posamezno smer prav tako uporabili zastavice, ki smo jih vklopili in izklopili. if (STANJE_VOZNJA == HIGH){ switch (serialA) { // vklopimo zastavice za posamezno tipko case 97: //Kodo 97 preberemo iz serijskega monitorja, ko s telefonom vklopimo ROTIRAJ_LEVO. ROTIRAJ_LEVO= HIGH; break; Na osnovi aktivne zastavice za smer vožnje se vklopijo posamezna kolesa. Za posamezno kolo smo upora22 SODOBNISTROJNIK bili funkcije, ki krmilijo posamezno H-mostično vezje pri pospeševanju in pri izklopu tudi pripadajoče pojemanje. // Odlocitev, v katero smer peljemo vozicek if (ROTIRAJ_LEVO == HIGH){ // manjsa hitrost rotiraj levo PWM_MAX = PWM_MAX_manjsi; LS_naprej(); LZ_naprej(); DS_nazaj(); DZ_nazaj(); ZAST_ROTIRAJ_LEVO = HIGH; } else if (ZAST_ROTIRAJ_LEVO == HIGH){ LS_nazajustavljaj(); LZ_nazajustavljaj(); DS_naprejustavljaj(); DZ_naprejustavljaj(); } Za prototipno izvedbo smo napajanje močnostnega dela povezali s hitrimi spojkami. Po prvem testiranju smo ugotovili, da močnostni del deluje brez težav, zataknilo pa se je pri komunikaciji, saj smo imeli v prvi fazi vezan Bluetooth modul HC-05 na Tx0 in Rx0. Ta komunikacijski port se namreč uporablja tudi pri komunikaciji z računalnikom preko USB povezave. Pri testiranju smo uporabljali tudi serijske izpise, zaradi česar je prišlo občasno do napak. Bluetooth modul smo prestavili na Tx1 in Rx1, kar je težave odpravilo. Podobno kot pospeševanje pri mehkem zagonu smo v programski rešitvi izvedli tudi pojemanje. Po sestavi vozička je sledil obremenitveni test. Delovanje smo preizkusili z maso, ki za 100% presega skupno dovoljeno bruto maso, torej skupaj 120 kg. Na podlagi iz keramike je voziček deloval brezhibno, pojavila se je le težava na spoju prirobnice in gredi elektromotorja. Spoj je popustil in kolo pri obremenitvi ni več sledilo vrtljajem gredi reduktorja. Sledil je razmislek, kako dodelati ta spoj in odločili smo se za umestitev zatiča v prirobnico, ki bo preprečeval „zdrs“ prirobnice na gredi. Po tej spremembi smo podoben obremenitveni test ponovili na neravni podlagi – na tlakovcih – in težave tokrat ni bilo več. Posneli smo tudi video o delovanju vozička, kjer smo prikazali vožnjo na treh različnih podlagah – na tlakovcih, asfaltu in keramiki. Video se nahaja na povezavi: https://www.youtube. com/watch?v=0N5tnWIFPIE. TESTIRANJE Pri testiranju prototipa smo elektronske komponente postavili na ploščo za montažo krmilja, H-mostična vezja pa smo namestili na držala, ki smo jih 3D zmodelirali in natisnili. Za prvi test delovanja smo povezali elektronske komponente ter preizkusili delovanje programa. ZAKLJUČEK Prvi prototipni MECANUM električni voziček MB-1/2020 je pokazal, da sta načrtovana konstrukcija in krmilje v skladu z zahtevami naročnika. Pomanjkljivost je skupna nosilnost, ki zaenkrat ne presega 60 kg. Ker masa samega električnega vozička brez nadgradnje znaša 30 kg, osta- Pri vožnji smo se odločili, da bomo imeli za vsako kolo ločeno funkcijo. // VOZNJA: // pristevali in odstevali bomo PWM za vsako kolo loceno // najprej izracunamo in na koncu rutine izpisemo na analogni izhod void LS_naprej(){ ENABLE_omogocimo (); digitalWrite (PWM_LS_2, LOW); // izpisemo stanje PWM na izhod PWM_zeljeni = PWM_MAX; // omejitev, da ne gremo s pristevanjem preko 255 if ((PWM_zeljeni > PWM_trenutni_LS) && (PWM_trenutni_LS < (PWM_MAX-2))){ PWM_trenutni_LS = PWM_trenutni_LS + pristevamo; // pristevanje k PWM-u } // izpisemo stanje PWM na izhod, druga veja mostica ostane na LOW analogWrite (PWM_LS_1, PWM_trenutni_LS); delay (cas_za_PWM); } magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor ne za nadgradnjo in vsebino le še 30 kg, kar pa bo za potrebe naročnika najverjetneje premalo. Pri zahtevi za večjo nosilnost bo zato potrebno preiti na modificiran pogonski sklop in povečati kapaciteto akumulatorja. Na obstoječem produktu je glavna omejitev nosilnost mecanum koles, zato bo potrebno najprej izbrati kolesa z večjo nosilnostjo. Ob tem nujno sledi tudi sprememba pri izbiri elektromotorjev. Že pri opisanem prototipu smo ugotovili, da smo pri izračunu potrebne moči nekje na meji. Običajno se glede na izračun doda nekaj 10% rezerve, da preidemo v „varno“ območje. Hkrati je skoraj nemogoče zagotoviti simetrično obremenitev na vseh štirih pogonih. Kot pri vijačnih zvezah ali paralelni vezavi elektronskih komponent bi bilo tudi tukaj smiselno upoštevati, da je vsak element sposoben prenesti le 75% nosilnosti oziroma obremenitve. Tako bi bilo priporočljivo v izračunu vsakemu pogonu, ki v idealnem primeru prevzame ¼ bremena, dodati še nekaj rezerve. Poleg tega ne moremo predvideti popolnoma vseh okoliščin uporabe. Uporabnik lahko na primer zapelje voziček tudi na razgiban teren, kjer pa se koeficient trenja bistveno poveča. Ob upoštevanju vseh zapisanih dejstev bi bilo dobro, če bi se odločili za izbiro elektromotorja, kjer bi od izračunane vrednosti moči povečali le-to še za vsaj 50%. V tem primeru bi lahko zagotovo trdili, da se z izračunom nahajamo v „varnem“ področju. Pri načrtovanju pogonov smo se zaradi cenovne ugodnosti in nezahtevnosti aplikacije odločili uporabiti DC krtačne elektromotorje v odprti zanki. Za nadaljnji razvoj produkta je predvideno povečanje bruto nosilnosti. Tako ob upoštevanju priporočil glede uporabe elektromotorjev z večjo močjo pridemo do vsaj trikratnika trenutne vrednosti. To pomeni tudi novo moč, ki tako znaša preko 100 W za posamezni elektromotor. Pri sistemski napetosti 12 V bi za zahtevano avtonomijo morali povečati torej še kapaciteto akumulatorjev za trikratnik.˝Naslednji razmislek gre v smer izbire vrste elektromotorjev in ali zamenjati tudi le-te. Lahko ostanemo na DC krtačnih elektromotorjih, kar je najenostavnejša rešitev, ki ne zahteva sprememb v načinu krmiljenja. Druga opcija je lahko izbira koračnih motorjev z reduktorjem, pri čemer je treba upoštevati, da se pri visokih vrtljajih zmanjšuje navor. Tretja opcija bi bila pogon z BLDC motorji. mag. Marjan Bezjak, uni. dipl. ing. ele. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Daljša testiranja prototipne rešitve Mecanum vozička MB-1/2020 bodo podrobneje pokazala uporabnost, robustnost in zanesljivost delovanja razvojnega produkta. Po testiranju sledi odločitev o nadaljnjem razvoju, spremembah, izboljšavah, kar pa je že lahko tema novega članka. VIR: (1) YouTube. MECANUM Electric Vehicles MB1/2020 controlled by APP. (2021). Pridobljeno s https://www.youtube. com/watch?v=i-7MZsRs6yo Slika 8: Električne povezave v notranjosti vozička. | Vir: Bezjak (2020) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 23 Dragan Gogić, mag. inž. metal. in mater. tehnolog specialist tlačnega litja MLM. d.d. Maribor predavatelj TŠC Maribor / Academia d.o.o. Maribor Ohranjanje avtomobilskih žarometov za zagotovitev večje vidljivosti in varnosti na cesti Če se strinjamo, da je vetrobransko steklo avtomobila pogled v svet, lahko zagotovo trdimo, da so žarometi iz avtomobilskega stališča, luč sveta. Pri tem vsekakor nimamo v mislih le vožnje v pogojih zmanjšane vidljivosti (megla, noč…) temveč tudi pri normalni dnevni vidljivosti. Kot voznik avtomobila moramo upoštevati glavno dejstvo, da smo v prometu s stališča svetlobnih teles pravočasno opaženi in da nas drugi udeleženci v prometu pravočasno opazijo. Sicer ne gre le za dejstvo „opazovanj“, temveč predvsem kako z ustrezno opremo zagotoviti našo varnost in varnost drugih udeležencev v prometu. UVOD Vse je dobro, dokler so žarometi novi in oddajajo močno svetlobo. Intenzivnost uporabe avtomobila, kot tudi vremenski pogoji, poskrbijo, da se zadeve spremenijo na slabše. Z dotrajanostjo in obrabo žarometov se v pogojih zmanjšane vidljivosti veliko prej utrudijo oči voznikov, njihova pozornost na cesti je veliko bolj zahtevna, reakcijske sposobnosti prav tako. Vedno se v ospredje postavlja trditev, da moramo hitrost vožnje prilagoditi voznim razmeram in vidljivosti, kar pa vsekakor ni razlog, da lahko mirne vesti vozimo z avtomobilom, ki s stališča varnosti ne dosega zahtevanih normativov. V članku bodo predstavljeni osnovni napotki, kako se lahko lotimo pravilnega sistema čiščenja in obnove žarometov, ne da bi pri tem naredili večjo škodo. Ne glede nato, da tudi sam strošek čiščenja in poliranja žarometov ni visok, bo radovednost marsikoga popeljala v branje in s tem lažje razumevanje postopka, ki pa vsekakor ni laične narave. Obnove žarometov se je smiselno lotiti, saj je obnova cenejša kot nakup novih žarometov. 24 SODOBNISTROJNIK Vzroki in detekcija zmanjšane vidljivosti žarometov Konstitucija žarometov v večini primerov sloni na polikarbonatni plastiki, ki je zelo trpežna in odporna proti manjšim udarcem, kamenčkom in peskom na cesti ter praskam. Po daljši izpostavljenosti sončni svetlobi in UV žarkom plastika dobi moten in rumen videz brez prosojnosti. V ekstremnih primerih glede na vsakdanjo izpostavljenost se lahko zgodi, da so leče žarometov prevlečene z mrežo globokih mikro razpok, kar pa bistveno oteži postopek poliranja. Čim bolj so področja žarometov poškodovana, toliko bolj se na poškodovanih površinah nabira in zadržuje tudi umazanija. S časoma se vidljivost na cesti zmanjša do vrednosti, ki ne zagotavljajo varne vožnje. Kdaj po navadi namenimo pozornost žarometom? Vsekakor najbolj pogosto ko pride do poškodbe, drugi pristop je žal redko prisoten. Zavedamo se, da ne bo finančnega šoka, če imamo avtomobil ustrezno zavarovan. Če ga nimamo, je lahko finančni udarec precej močan (sploh pri naprednejših ksenonskih ali LED-žarometih). V tem primeru je marsikomu pri izbiri novih žaro- metov najpomembnejša cena, saj meni, da večjih odstopanj v kakovosti ni. Potrebno je vedeti, da tudi pri žarometih to ne drži. Priznani proizvajalci (Valeo, Hela itd.) so lahko tudi polovico cenejši od originalnih žarometov in kakovost njihovih žarometov ni sporna. Obstajajo pa proizvajalci (Depo, TYC itd.), ki so od teh še za polovico cenejši, kar marsikoga premami k nakupu. Toliko več razlogov je torej za dosledno spremljanje in vzdrževanje ustreznega stanja žarometov. KAKO SE LOTIMO PRAVILNEGA POSTOPKA SANACIJE ŽAROMETOV? Prekontrolirajmo stanje žarometov Zamegljena površina žarometa (slika 1) z rumenim odtenkom zaradi daljše izpostavljenosti UV žarkom. S površine odstranimo umazanijo Za pranje žarometov uporabimo mehko krpo, ščetko ali gobo (slika 2). Prepričamo se, da so žarometi čisti, kajti umazanija in pesek delujeta kot abrazivno sredstvo, ko prideta na površino. Nikoli ne čistimo leč s suho krpo, to lahko namreč povzroči praske na površini. magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor Dragan Gogić, mag. inž. metal. in mater. tehnolog specialist tlačnega litja MLM. d.d. Maribor predavatelj TŠC Maribor / Academia d.o.o. Maribor Slika 1: Stanje žarometa pred obnovo. Vir: Gogić (2022) Slika 2: Pristop k ustreznemu čiščenju pred poliranjem. | Vir: Autodoc (2022) Slika 3: Uporaba čistilnih sredstev (krp) z mehko površino. | Vir: 3M (2022) Po pranju žaromet obrišemo Najbolj priporočljivo je, da oprani žaromet obrišemo z mehko krpo iz mikrovlaken (slika 3). Detekcija stanja brušene površine Med mokrim brušenjem spremljamo učinek dela in izvajamo detekcijo stanja po metodi vizualne kontrole. Pripravimo površino za brušenje in poliranje Površino karoserije okoli žarometov prekrijemo s prekrivnim (markirnim) trakom za zaščito površin (slika 4), da se izognemo poškodbam barve. Nadaljevanje mokrega brušenja Postopek brušenja nadaljujemo z vodobrusnim papirjem P2000, in sicer v pravokotni smeri glede na granulacijo P1000, torej gor – dol. Brušenje izvajamo stopenjsko po enakem zaporedju, kar pomeni, da končamo z granulacijo P3000. Po brušenju odstranimo prekrivne (markirne) trakove ob žarometu za zaščito karoserije, površino žarometov očistimo s suho krpo iz mikrovlaken ter opravimo vizualni pregled brušene površine. Po potrebi preostale napake odpravimo. Začnemo z mokrim brušenjem Čisto gobo namočimo v vodo in jo z eno roko rahlo stiskamo, da voda steka na žaromet, z drugo roko pa hkrati izvajamo mokro brušenje tako, da začnemo z vodobrusnim papirjem P1000 (slika 5). Pomikanje brusnega papirja izvajamo v smeri levo - desno. Zaradi zagotavljanja varnosti in zdravja pri delu ter skladno z zahtevami ekologije je potrebno umazanijo in odplake, nastale pri mokrem brušenju, ločevati v posebne zbiralnike. Slika 4: Markiranje površine okoli žarometa. | Vir: Gogić (2022) Učinek mokrega brušenja je doslednejši, če imamo na razpolago profesionalno orodje (brusilnik), ki ga uporabimo pri stopnji mokrega brušenja z granulacijo P3000 (slika 6). Odstranimo prekrivne (markirne) trakove, obrišemo in pregledamo Izberemo polirno pasto Izberemo polirno sredstvo z večjim abrazivnim učinkom (slika 7). Nanesemo polirno pasto na žaromet Polirno pasto nanesemo v tanjšem sloju (slika 8). Poliranje Poliranje izvedemo s specialnim orodjem, ki ima polirno gobo ustrezne trdote, ki ne poškoduje žarometa. Najprej se z gobo pasta razmaže, na kar se izvede krožni način poliranja (slika 9). Postopek nanašanja paste in poliranja praviloma izvedemo postopoma 3x, odvisno od stopnje dotrajanosti Slika 5: Izbira brusnega sredstva in metodika dela. | Vir: Gogić (2022) Slika 6: Mokro brušenje z brusilnikom. Vir: Gogić (2022) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 25 Dragan Gogić, mag. inž. metal. in mater. tehnolog specialist tlačnega litja MLM. d.d. Maribor predavatelj TŠC Maribor / Academia d.o.o. Maribor Slika 8: Nanos polirne paste. | Vir: Gogić (2022) Slika 7: Izbira polirnega sredstva. Vir: 3M (2022) oziroma poškodb površine. Kot tretjo zaporedno pasto lahko uporabimo pasto finejše granulacije (slika 10). Pregled in primerjava površin Med poliranjem redno izvajamo kontrolo površine in skladno s kakovostjo izvajamo določene dodatne korekcije. Površino nato obrišemo z mehko krpo iz mikrovlaken ter dokončno preverimo ustreznost polirane površine (slika 11). S sledenjem navodilom, z ustreznim zaporedjem ter uporabo predpisane opreme in pripomočkov so rezultati več kot očitni. ZAKLJUČEK V članku so predstavljeni poglavitni vzroki dotrajanosti in poškodb žarometov, ki lahko predstavljajo potencialno nevarnost za udeležence v prometu. Zavedamo se, da umazane in poškodovane luči zelo slabo osvetlijo cesto. Ko so močno umazane, se lahko vidljivost znatno poslabša. Pravzaprav voznik vidi le 10% dogajanja pred avtomobilom. Spoznali smo način in postopek, kako se lahko v domačem okolju lo- Slika 9: Izvedba poliranja. | Vir: Gogić (2022) timo minimalnih posegov, ki imajo velik pomen. Za predstavljeno delo sta potrebna določena spretnost in poznavanje različnih tehnik, da bi se izognili dodatnim težavam in stroškom. V veliki meri se ob rednih kontrolah lahko tem posegom tudi izognemo, upoštevajoč vzdrževale predpise in navodila za ravnanje, ki so predpisana s strani izdelovalcev. Poskrbimo, da so očala našega konjička dobro vzdrževana, ter si na ta način zagotovimo boljši pogled na dogajanje v prometu. VIRI: (1) 3M. (2022). Pridobljeno s https://www.3m.com (2) Autodoc. (2022). Pridobljeno s https://www. autodoc.si (3) AvtoStop. (2022). Pridobljeno s https://www. avtostop.si Slika 10: Polirna pasta fine zrnatosti. Vir: 3M (2022) 26 SODOBNISTROJNIK Slika 11: Površina žarometa po poliranju. | Vir: Gogić (2022) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor Statična analize paličja z MKE v programu PTC Creo 7.0 mag. Leon Pernat, uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Članek pred nami predstavlja primer statične analize preprostega paličja z metodo končnih elementov (MKE) v programu PTC Creo 7.0. Prikazana je tudi primerjava notranjih sil v paličju, izračunanih s klasičnim postopkom projekcijskih ravnotežnih enačb in z MKE. MKE je metoda, ki deli kompleksno geometrijo z neznanim strukturnim vedenjem v končno število preprostih geometrijskih elementov z znanim strukturnim vedenjem. Že dalj časa pri reševanju zahtevnih napetostnih in deformacijskih problemov v strojništvu uporabljamo metodo končnih elementov (MKE). Metoda je zasnovana na diskretizaciji konstrukcije na ustrezne končne elemente in uporabi matrične algebre. Z metodo MKE lahko rešujemo probleme linijske konstrukcije, ploskovne konstrukcije in konstrukcije v obliki teles. Osnova metode je v diskretizaciji geometrije konstrukcije na manjše dele (Prelog, 1975). Elementi konstrukcije so povezani med seboj preko vozlišč in tvorijo celotno konstrukcijo. Ob upoštevanju enačb elastomehanike tvorimo osnovno enačbo končnega elemen- ta, v kateri so neznanke vozliščni pomiki. Ko združimo enačbe posameznih elementov v enačbo konstrukcije, lahko ob upoštevanju robnih pogojev in zunanje obremenitve izračunamo vse neznane vozliščne pomike, nato pa še specifične deformacije in napetosti, s čemer je elastomehanski problem rešen. Načeloma je potek dela s računalniškim programom sledeč: – izdelava CAD modela konstrukcije, – diskretizacija, – definiranje robnih pogojev in obremenitev, – izračunavanje, – prikaz rezultatov. Na začetku uporabnik definira geometrijski model, ki je sestavljen iz točk, robov, površin in volumnov. Nato se model diskretizira z ustreznim tipom končnih elementov. S tem se lahko bistveno vpliva na kvaliteto rezultatov. Nadalje se definirajo robni pogoji, ki v večini primerov popisujejo vpetja konstrukcije, morebitne simetričnosti v konstrukciji, ter povezavo s sosednjimi elementi konstrukcije in obremenitve konstrukcije. Tako pripravljene podatke program uredi v matrične zapise. Ob upoštevanju znanih robnih pogojev se za elastomehanske probleme dobi kot rezultat množica vozliščnih pomikov. Rezultate večinoma prikazujemo grafično v obliki barvnih polj in diagramov. Na tak način je mogoče zelo hitro oceniti mesta na konstrukciji, kjer nastopajo koncentracije veličin, ki nas zanimajo (Kolšek, 1998). Opravili bomo trdnostni preračun paličja s konstantnim prerezom z metodo končnih elementov (MKE) v programu PTC Creo 7.0. Paličje je obremenjeno s tremi točkovnimi silami ter podprto z nepremično členkasto podporo v točki A in premično členkasto podporo v točki B (slika 1). Slika 1: Palična konstrukcija. | Vir: Pernat (2021) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 27 mag. Leon Pernat, uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor V programu PTC Creo odpremo novo datoteko in z ikono Sketch v ravnini XY narišemo palično konstrukcijo (slika 2). V zavihku Applications preklopimo na modul Simulate, izberemo strukturno analizo Structure Mode, nato prostorsko analizo 3D (slika 3). V zavihku Refine Model kliknemo na puščico ikone Beam in izberemo Beam Section, da določimo prerez palic (slika 4). Kliknemo na puščico ikone Beam in izberemo Beam Orientations za določitev lege prereza paličja in izberemo lego prereza v središču (slika 5). Da definiramo paličje, kliknemo na ikono Beam, izberemo material jeklo (Steel) (slika 6). Za določitev podpor paličja kliknemo zavihek Home in ikono Constraint ter definiramo nepremično členkasto podporo v izhodišču koordinatnega sistema (točka A). Vse skupaj ponovimo še za premično 28 členkasto podporo v točki B (slika 7). Izberemo ikono Force/Moment in vnesemo vrednost sile F1. Vse skupaj ponovimo še za sili F2 in F3 (slika 8). V zavihku Refine Model z ikono AutoGEM generiramo mrežo končnih elementov (slika 9). Za preračun paličja in analizo rezultatov v zavihku Home kliknemo na ikono Analyses and Studies. Izberemo New Static Analyses in metodo večkratnega izračuna z 10% konvergenco. Z izbiro manjšega odstotka konvergence bi podaljšali čas izračuna in dobili še natančnejše rezultate izračuna (slika 10). S klikom na ikono Start run se prične izračun. Ko je postopke zaključen, lahko izpišemo rezultate izračuna (slika 11). Za grafični prikaz kliknemo na ikono Review Results in prikažemo grafe osnih sil FN posameznih palic (slika Tabela 1: Primerjava FN. Vir: Pernat (2021) Slika 2: Risanje paličja. Vir: Pernat (2021) Slika 3: Izbira prostorske analize. Vir: Pernat (2021) Slika 4: Prerez palic. Vir: Pernat (2021) Slika 5: Izbira lege prereza. Vir: Pernat (2021) Slika 6: Definicija paličja. Vir Pernat (2021) Slika 7: Definiranje podpore v točki A. Vir: Pernat (2021) SODOBNISTROJNIK magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor 12). S klikom na ikono Edit izberemo palico 2. Na podoben način lahko prikažemo grafe vseh palic. V tabeli 1 je prikazana primerjava osnih sil, izračunanih z metodo končnih elementov in metodo projekcijskih ravnotežnih enačb. Ker v modelu CAD paličja vozlišča niso izvedena s členki, se v palicah pojavljajo poleg osnih sil tudi prečne sile in upogibni momenti (slika 13). mag. Leon Pernat, uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Slika 8: Definiranje sile F1. Vir: Pernat (2021) Slika 9: Generiranje mreže končnih elementov. Vir: Pernat (2021) VIRI: (1) PTC. Programska oprema Creo Parametric. (2020). Pridobljeno s https://www.ptc.com/en Slika 10: Preračun paličja. Vir: Pernat (2021) Primer prikazuje uporabnost metode MKE pri reševanju problemov plastomehanike, v kateri se izvede velika Slika 11: Rezultati izračuna paličja. Vir: Penat (2021) količina numeričnih operacij, ki pa jih računalniška oprema izvede brez težav. (2) Čretnik, S. (2013). Creo Parametric : elektronska knjiga. Maribor : SCI, družba za informacijske tehnologije. (3) Pernat, L. (2020). Zapiski predavanj pri predmetu Mehanika 2. Maribor : Izv. interni dokument avtorja. Slika 12: Graf osne sile v palici 1. Vir: Pernat (2021) (4) Prelog, E. (1975). Metoda končnih elementov. Ljubljana : Fakulteta za arhitekturo, gradbeništvo in geodezijo. Slika 14: Napetosti Von Mises. Vir: Pernat (2021) (5) Kolšek, T. (1998). Metoda končnih elementov, povzetek študija. Dostopno na: http://www2. lecad.si/~kolsek/student_area/osnove_MKE/ index.htmlosnove_MKE/ index.html, ogled: 8.7.2021. Slika 13: Normalne napetosti (nateg, tlak). Vir: Pernat (2021) Slika 15: Deformacije paličja. Vir: Pernat (2021) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 29 mag. Leon Pernat, uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor TPM – nič zastojev opreme Ali je nič zastojev opreme sploh možno? Danes so glavna vprašanja, kako zadovoljiti zahteve kupcev, kako poslovati na globalnem tržišču, kako povečati produktivnost in kako aktivno vključiti zaposlene v sodelovanje pri razvoju procesov in izdelkov. Po podatkih ameriške vlade je bilo v letu 2003 v ZDA porabljenih 184 milijard dolarjev za stroške presežnega vzdrževanja in 553 milijard dolarjev proizvodnih izgub (FUSS & O'NEILL 2018). To lahko zmanjšamo z: – organiziranimi in učinkovitimi procesi, – uporabo orodij za stalne izboljšave (npr. Kanban, TPM, 5S, SMED), – s proaktivnim razmišljanjem (posodobitev opreme, predvidljivo vzdrževanje, vključevanje vzdrževanja v nakup nove opreme). Z uvedbo metode TPM (Celovito produktivno vzdrževanje): – izboljšamo timsko delo med operaterji stroja in vzdrževalci, – pomagamo zmanjšati stroške, izmet, porabo energije, – izboljšamo ergonomijo in varnost, – pomagamo oblikovati celovit pristop vzdrževanja, – zmanjšamo verjetnost velikih zastojev in – povečamo skupno učinkovitost (OEE). Pri tem je potrebno načrtovati, kateri stroji so kritični za našo proizvodnjo, kaj potrebujemo za vzdrževanje teh strojev in kdaj ter kdo bo vključen. Narediti je potrebno analizo opreme ABC. V skupino A je vključena oprema: 30 SODOBNISTROJNIK – – – – ki nima alternative v podjetju, ki ima odločilni vpliv na kakovost izdelka, katere vzdrževanje je zelo drago, pri kateri imajo okvare vpliv na zdravje, varnost in okolje. V skupino B je vključena oprema: – ki ima alternativo v podjetju, – pri kateri so stroški vzdrževanja povprečni. V skupino C je vključena oprema: – za katere je enostavno najti zamenjavo in – standardni rezervni deli (motorji, črpalke ...). Kratkoročni cilji metode TPM so: – definirati dnevne zadolžitve operaterja stroja s področja vzdrževanja in izboljšav, – čiščenje in pregled ter odprava težav z opremo, – povečati nabor spretnosti zaposlenih (poglobiti znanje o opremi), – sestaviti seznam kritičnih rezervnih delov za opremo, – razumeti pomen kazalnikov uspešnosti OEE, – spoznavanje orodij metode TPM. Dolgoročni cilji metode TPM so: – izboljšanje kazalnika OEE na > 90%, – ustvariti pozitivno klimo med zaposlenimi, ki sodelujejo pri spremembah, – dvig kakovosti v procesih, – vključitev preventivnega/predvidljivega vzdrževanja, izboljšanje kakovosti zraka v celotnem objektu, dramatično izboljšanje učinkovitosti proizvodnje. – – Da bi se lahko približali cilju nič zastojev opreme, je potrebno aktivnosti razdeliti v štiri faze (FUSS & O'NEILL 2018): 1. stabilizirati intervale okvar, vzpostaviti osnovne pogoje, zbrati podatke OEE in vzpostaviti standarde, 2. izboljšati produktivnost opreme (za izboljšanje se uporabijo podatki OEE), izvajati je potrebno študije primerov OEE, 3. dvigniti kakovost vzdrževanja, 4. predvideti življenjsko dobo opreme, pripraviti načrt vzdrževanja glede na stanje opreme. Stabilizirati intervale okvar opreme (1. faza) V prvi fazi vzpostavimo osnovne pogoje s čiščenjem, mazanjem in pregledom vijačnih spojev. S tem lahko odkrijemo nepravilnosti oziroma na- Slika 1: Vijačna zveza je zrahljana. Vir: FUSS & O'NEILL magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor pake in jih odpravimo (odpravljamo vire kontaminacij). olja, tesnost, kazalniki (manometri), prepustnost filtrov. Vzpostavimo standarde (predpise) dnevnega pregleda in mazanja, začnemo izvajati obsežne vizualne kontrole opreme. Zbrati je potrebno podatke OEE in dati prednost izboljšavam. Identificirati je potrebno glavne izgube procesov. Pri tem si lahko pomagamo z metodo šest glavnih izgub: – razpoložljivost (okvare, prestavitve), – izkoriščenost (prosti tek in manjši zastoji, zmanjšana hitrost), – stopnja kakovosti (izgube pri zagonu, izmet in popravila). Lahko se držimo pravila: – čistimo, da lahko pregledamo, – pregledamo, da odkrijemo, – odkrijemo, da popravimo, – popravimo, da bo popolno. Očistimo in pregledamo vse dele opreme. Na tak način dobimo vpogled v trenutno stanje naše opreme (pregrevanje, netesnost, umazanost). Pripravimo navodila za odpravljanje težav. 80% zastojev opreme ima dva glavna vzroka: – umazanost (kontaminiranost) in – nepravilno mazanje. Izboljšati produktivnost opreme (2. faza) V drugi fazi definiramo napake opreme (po resnosti) z namenom, da preprečimo ponavljajoče se zastoje. Odpravljamo pomanjkljivosti pri načrtovanju opreme. Definiramo ukrepe proti umazaniji in naredimo opremo lažje dostopno. S pomočjo kazalnikov OEE odpravljamo šest glavnih izgub. Pri tem si lahko pomagamo z metodami Brainstorming, diagramom ribjih koščic, Pareto diagram, FMEA. skrajšamo čas, ko stroj ne dela. Zmanjšamo manjše prekinitve, običajno jih povzročijo male okvare, ki pa so posledica pomanjkanja čistoče in krajših pregledov operaterjev strojev. mag. Leon Pernat, uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Da se zmanjšajo izgube zaradi hitrosti dela, je potrebno določiti tehnološke podatke za vse izdelke. Če je možno, se namestijo naprave za vizualni prikaz hitrosti. Zaželeno je, da se uporablja optimalna hitrost, ki jo omogoča oprema. Dvigniti kakovost vzdrževanja (3. faza) – Ocenimo in razvijamo odličnost vzdrževanja. – načrtujemo vzdrževanje, – uporabimo metodo 5'S, – sestavimo matrico spretnosti, – izvajamo usposabljanja veščin, – vzpostavimo nadzor nad rezervnimi deli. Operaterji strojev lahko že v zgodnji fazi zaznajo 75% vseh težav, povezanih z opremo (s pregledi, vonjem, zvokom in občutkom). Z dnevnimi pregledi opreme, ki ne smejo trajati dlje kot 5 minut (običajno okoli 2 minuti) se na začetku izmene preverijo kritična področja stroja, raven S kazalniki OEE lahko prepoznamo večje izgube in na osnovi tega določimo trenutno sposobnost našega procesa in pripravimo načrt povečanja zmogljivosti. Pri prestavitvah strojev ločimo dejavnosti, ki jih lahko opravimo med delom in s tem Vzpostavimo sistem načrtovanega vzdrževanja: – izvajajmo redne servisne in inšpekcijske preglede, – opravimo servisiranje in pregled opreme glede na pogoje, – vzpostavimo delovne standarde, – računalniško obdelamo informacije o vzdrževanju. Slika 2: Cev je delno zamašena z umazanijo. | Vir: FUSS & O'NEILL Slika 3: Tipična skupna učinkovitost v 1. fazi. | Vir: FUSS & O'NEILL Slika 4: Prvotna zaščita verižnega pogona. | Vir: FUSS & O'NEILL magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 31 mag. Leon Pernat, uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Vzpostavimo smernice za nakup in namestitev nove opreme: – definiramo tehnične podatke za vzdrževanje nove opreme, – definiramo postopek za namestitev nove opreme. – – – – Predvideti življenjsko dobo opreme (4. faza) Razviti je potrebno sistem za predvidljivo vzdrževanje: – predstaviti opremo in tehnike za predvidevanje, – uporabiti diagnostično opremo, – vzpostaviti spremljanje na podlagi stanja, – izvesti analizo napak z uporabo posebnih inženirskih tehnik, – podaljšati življenjsko dobo opreme z razvojem novih materialov in tehnologij. prepoznamo možne napake že v povojih, nadzorujemo opremo s posebnimi orodji za napovedovanje, izvajamo redne servisne intervale, načrtujemo dela za zamenjavo ali popravila obrabljenih ali okvarjenih delov. Z uporabo opreme za predvidevanje med delovanjem strojev si zagotovimo zgodnje opozorilo o možnih napakah in s tem omogočimo načrtovano vzdrževanje. Preventivno oziroma napovedano vzdrževanje pomeni, da: Pri vsem tem velja, da brez ukrepanja ni uspeha: – uporabimo obstoječe metode za hitre in varne izboljšave, – preizkusimo nove zamisli in ukrepe, – ni nujno, da je prvič spremenjeni proces popoln, Slika 5: Nova zaščita nudi vizualni pogled in mazanje. | Vir: FUSS & O'NEILL Slika 6: Skladišče delov, urejeno po metodi 5'S. | Vir: FUSS & O'NEILL – s tem, ko si olajšamo delo, hkrati izboljšamo proces, podpiramo delo v skupinah, kar izvajajo uspešna podjetja. – Vloga in odgovornost vodstva je, da: – pripravi in uskladi načrt vzdrževanja, – sodeluje na dogodkih, – spremlja napredek, – spodbuja uspehe (pohvale, nagrade). Nič zastojev opreme v praksi ni možno, lahko pa s pravilnim pristopom k vzdrževanju te zastoje zmanjšamo na sprejemljivo raven za posamezno podjetje. Vsak upravljalec vzdrževanja v katerikoli industrijski dejavnosti mora vzdrževanje optimirati (Androjna in Rosi, 2008). VIRI: (1) Fuss & O'Neill. (2018). TPM Zero Equipment Stoppages. (2) Androjna, A.; Rosi, B. (2008). Celostno obvladovanje vzdrževanja. Tržič : Učila International. Slika 7: Pregled elektro omarice s termično kamero. | Vir: FUSS & O'NEILL (3) Pernat, Leon. (2020). Zapiski predavanj pri predmetu Vzdrževanje strojev in naprav. Maribor : Izv. interni dokument avtorja. 32 SODOBNISTROJNIK magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor Primerjava opisov postopkov sintranja v učbenikih in priročnikih iz različnih obdobij dr. Andrej Podbrežnik predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor V današnjem sodobnem času smo priča vse hitrejšemu razvoju tehnike in kadar vzamemo v roke kakršnekoli tehnološke priročnike izpred nekaj desetletij in jih primerjamo s tistimi iz današnjih dni, lahko ugotovimo, da so v njih precejšnje razlike v opisih posameznih tematskih področjih. Ta artikel predstavlja primerjavo opisov postopka sintranja kot je opisan v treh nemških knjigah iz različnih časovnih obdobij in ugotovitev na osnovi te primerjave. UVOD V pričujočem članku si bomo ogledali opise postopka sintranja kot je predstavljen v treh nemških knjigah iz treh različnih obdobij. Predpostavljamo lahko, da bodo ti opisi različni in da bo opis postopka sintranja v knjigi iz najnovejšega obdobja najbolj izčrpen, medtem ko bo opis teh postopkov v najstarejši knjigi najskromnejši. Za primerjavo bomo vzeli opise postopka sintranja iz naslednjih priročnikov oziroma učbenikov: – Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau (Dubblov strojniški priročnik) oziroma njegov drugi del iz leta 1956; – Technologie für Metallberufe (Tehnologija za kovinarske poklice) iz leta 1989, in – Fachkunde Mechatronik (Mehatronika) iz leta 2005. Vidimo lahko, da je od izida prve in druge knjige minilo 33 let, od izida druge in tretje, t. j. zadnje navedene knjige pa 16 let. A če upoštevamo vse hitrejši tempo razvoja tehnologij, lahko domnevamo, da je tudi v obdobju šestnajstih let od izida druge do izida tretje knjige na področju tehnoloških postopkov in tehnologij prišlo do mnogih novosti in pogledov na tehnološke procese. OPIS POSTOPKA SINTRANJA V KNJIGI DUBBELS TASCHENBUCH FÜR DEN MASCHINENBAU Najprej si oglejmo, kako je postopek sintranja opisan v prvi knjigi – v Dubblovem strojniškem priročniku iz leta 1956. Tako ob pregledu kazala kakor tudi med proučevanjem same knjige ugotovimo, da v njej ni samostojnega poglavja na temo sintranja, marveč je kratek opis postopka sintranja moč najti v poglavju z naslovom „Maschinenteile“ (strojni deli oz. strojne komponente), in sicer v podpoglavju omenjenega poglavja z naslovom „Gleitzapfen und gleitlager“ (drsni čepi in drsni ležaji), ki se še nadalje deli na tri podpoglavja, med katerimi najdemo podpoglavje z naslovom „Gleitlagerschalen und ihre Werkstoffe“ (ohišja drsnih ležajev in njihovi materiali), v katerem so navedeni in na kratko opisani materiali, iz katerih so lahko narejena ohišja drsnih ležajev. In v tem podpoglavju na tem mestu med navedenimi materiali najdemo material „Sintermetall” (sintrana kovina), kjer se nahaja naslednji opis postopka sintranja: „Metallpulver von bestimmter Korngröße wird unter sehr hohem Druck (bei Eisen bis 10 t/cm²) in Formen zusammengepreßt und bis zum Sintern erhitzt. Korngröße, Preßdruck und Preßtemperatur bestimmen die Größe und Verteilung der Poren; Porigkeit beträgt bis zu 30%. Ausgangswerkstoffe: Kupfer mit Sondermessing oder Eisen mit 2 bis 3% Blei. Zusatz bis 5 Vol.-% Graphit. Nach dem Sintern in nichtharzendem warmen Öl getränkt. Infolge Belastung und Erwärmung beim Lauf tritt das Öl aus den Poren zur Gleitfläche, beim Stillstand zieht es sich infolge Abkühlung in die Poren zurück. Sehr gute Notlaufeigenschaft.“ (Kovinski prah določene zrnavosti (velikosti zrnc) se pod zelo visokim pritiskom (pri železu do 10 t/cm²) stisne v forme in segreje do sintranja. Zrnavost (velikost zrnc), pritisk in temperatura stiskanja določajo velikost in razporeditev por; poroznost znaša do 30%. Izhodiščni materiali: baker s specialno medenino ali železom z 2 do 3% dodatkom svinca. Dodatek do 5 volumenskih procentov grafita. Po sintranju se (izdelke) potopi v brezsmolno toplo olje. Zaradi obremenitev in segrevanja med tekom olje izstopi iz por na drsno površino, pri mirovanju pa se zaradi ohlajanja umakne nazaj v pore. Zelo dobra lastnost pri teku v sili.) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 33 dr. Andrej Podbrežnik predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Gre za skrajno kratek in jedrnat opis postopka sintranja, vendar iz tega opisa ne izvemo, kje in kako – npr. pri katerih temperaturah – poteka postopek segrevanja stiskancev iz kovinskih prahov. Nas pa opis dobro seznani z vplivom zrnavosti izhodiščnega materiala, pritiska in temperature stiskanja na stopnjo poroznosti ter z izhodiščnimi materiali. Informaciji, da se sintrane izdelke potopi v toplo olje brez smol sledi podatek, da zaradi obremenitev in segrevanja med tekom olje izstopi iz por in se vanje med mirovanjem zaradi ohlajanja zopet vrne. Sicer v opisu ne piše izrecno, kaj naj bi bilo pod obremenitvijo in bi se med tekom segrevalo, toda iz naslova podpoglavja „Gleitlagerschalen und Ihre Werkstoffe”, ki je istočasno del podpoglavja „Gleitlager und Gleitzapfen” (Drsni čepi in drsni ležaji) je razvidno, da gre pri teh sintranih izdelkih za ohišja drsnih ležajev, ki jih torej po sintranju potopijo v toplo olje brez smol, tako da olje vstopi v pore sintranih ohišij drsnih ležajev, jih napolni in med segrevanjem med delovanjem teh ležajev izstopi iz por in maže ležaje, med mirovanjem, ko se ležaji ne vrtijo in se ohladijo, pa olje zopet vstopi v pore, kjer se nahaja do naslednjega obratovanja ležajev, ko se le ti zopet segrejejo in se olje zopet izloči in maže takšne ležaje. Nato v pričujočem opisu z naslovom „Sintermetall“ sledi informacija o uporabi tega sintranega materiala pri izdelavi tovrstnih ležajev in o izvedbah le teh, kjer beremo: „Anwendung: Lager aller Art, bei denen selbsttätige, ölsparende und nicht schmutzende Schmierung sowie geräuscharmer Lauf erwünscht. Meist als geschlossene Buchse mit Übermaß in Stützschale eingerpresst, wodurch die Bohrung der Buchse verkleinert wird. Verhältnismäßiges Lagerspiel φ = 0,0005 bis 0,0015. Nachträgliche Bearbeitung der Laufbohrung unzweckmäßig. Bild 124 zeigt Flächenpressungen p, ermittelt bei Grenzlast-Lagerprüfungen an Metall-Kapillar-Lagern, in Abhängigkeit von der Gleitgeschwindigkeit v.“ (Uporaba: Ležaji vseh vrst, kjer je zaželeno samodejno mazanje, ki varčuje z oljem in ne onesnažuje, ter tiho delovanje. Običajno se kot zaprta puša s preveliko velikostjo Slika 1: Aluminijasti ležaj za visoko število vrtljajev s samoregulirujočim razmikom med ohišjem in ležajno pušo. Vir: (1) 34 SODOBNISTROJNIK Slika 2: Mejne vrednosti obremenitve za kovinske kapilarne ležaje iz brona in jekla. | Vir: (1) stisne v ležajno školjko, kar zmanjša izvrtino puše. Relativni odmik med ohišjem ležaja in ležajno pušo φ = 0,0005 do 0,0015. Nadaljnja obdelava izvrtine v notranjosti ležaja je nesmotrna (nesmiselna). Slika 124 prikazuje površinske tlake p, ugotovljene pri preskusih mejne nosilnosti kovinskih kapilarnih ležajev, v odvisnosti od drsne hitrosti v.). S temi besedami se opis sintranih kovin v omenjeni knjigi zaključi. Opisu sta dodani dve sliki. Slika 1, ki v pričujočem opisom ni omenjena, prikazuje prečni prerez aluminijastega ležaja za uporabo v območju velikega števila vrtljajev s samoregulirajočim razmikom med ohišjem ležaja in ležajno pušo. Slika ni opremljena z nobenimi besedami in mora bralec sam ugotoviti, kateri deli ležaja so prikazani na sliki. Zaradi različne šrafure lahko sklepamo, da zgornji in spodnji del, ki sta šrafirana s črtami, ki potekajo od levo zgoraj do desne navzdol, predstavljata ohišje omenjenega ležaja, medtem ko notranja dela, katerih šrafura poteka od zgoraj levo do spodaj desno, predstavljata ležajno pušo. Slika 2 prikazuje mejne vrednosti obremenitve p za kovinske kapilarne ležaje, in sicer za ležaje iz brona in ležaje iz jekla. Na sliki vidimo graf, na katerem so navpično kot eden od parametrov prikazane drsne hitrosti od 0 do 3, izražene v metrih na sekundo, vodoravno pa drugi parameter, in sicer površinski tlak izražen v kilogramih na kvadratni centimeter. V grafu je prikazano obnašanje bronastih in jeklenih kapilarnih ležajev glede na dana parametra, pri čemer so kapilarni ležaji iz brona označeni s črko a, kapilarni ležaji iz jekla pa s črko b. Iz grafa je razvidno, da je pri kapilarnih ležajih iz jekla površinski tlak na časovno enoto manjši kot pri magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor kapilarnih ležajih iz brona. Opis v Dubblovem strojniškem priročniku pa je zanimiv tudi iz jezikoslovnega vidika, saj je v njem moč najti naslednji jezikovni značilnosti: – Črkovanje po starem nemškem pravopisu kot je bil v rabi vse do pravopisne reforme leta 1996. Tako v opisu najdemo besede „Preßdruck“ (pritisk stiskanja), „Preßtemperatur“ (temperatura stiskanja) in „zusammengepreßt“ (skupaj stisnjen), ki so napisane s črko ostri s „ß“, a se v skladu z novim nemškim pravopisom pišejo z dvojno črko „s“, se pravi s „ss“ in jih je danes treba pisati „Pressdruck“, „Presstemperatur“ in „zusamengepresst“. – Primer slovnično nepravilne pridevniške sklanjatve. Tako v besedilu naletimo na naslednjo poved: „Nach dem Sintern in nichtharzendem warmen Öl getränkt.“ Tukaj v oči bode raba pridevnikov, kjer piše „in nichtharzendem warmen Öl“, kjer pri drugem pridevniku, katerega osnovna oblika je sicer „warm“, zasledimo napačno obrazilo „-en“. Kadar namreč sklanjamo dva ali več zaporedno napisanih pridevnikov brez uporabe določnega ali nedoločnega člena, še zlasti kadar gre za navedbo lastnosti snovnih samostalnikov, takšnim pridevnikom zmeraj damo enako obrazilo in bi se pravilna verzija glasila „in nichtharzendem warmem Öl“. Domnevamo lahko, da je avtorjem besedila ponagajal tiskarski škrat. – Primeri okrajšanih oziroma okrnjenih povedi. Še zlasti v tehniških priročnikih, v katerih skušajo avtorji na čim manj prostora podati kar največ in- formacij, so pogosti primeri, ko avtorji posamezne povedi namenoma okrnijo in jih zreducirajo na najnujnejše informacije, potrebne za razumevanje besedila. V nadaljevanju podajamo primere tovrstnih povedi iz besedila sočasno s predlogi njihovih popolnih oblik. Prevod povedi „Anwendung: Lager aller Art, bei denen selbsttätige, ölsparende und nicht schmutzende Schmierung sowie geräuscharmer Lauf erwünscht“ bi se v dobesednem prevodu glasil „Uporaba: ležaji vseh vrst, kjer zaželeno samodejno mazanje, ki varčuje z oljem in ne onesnažuje, ter tiho delovanje.“ Opazimo lahko, da v povedi v izvirniku in v danem prevodu manjka glagol „biti“ (oz. „sein“ v nemščini). Popolna poved v nemščini bi se namreč glasila: „Anwendung: Lager aller Art, bei denen selbsttätige, ölsparende und nicht schmutzende Schmierung sowie geräuscharmer Lauf erwünscht sind“, katere prevod bi se tako glasil: „Uporaba: ležaji vseh vrst, kjer je zaželeno samodejno mazanje, ki varčuje z oljem in ne onesnažuje, ter tiho delovanje.“ OPIS POSTOPKA SINTRANJA V KNJIGI TECHNOLOGIE FÜR METALLBERUFE Oglejmo si, kako je postopek sintranja opisan v učbeniku Technologie für Metallberufe (Tehnologija za kovinarske poklice) iz leta 1989. V tem učbeniku v tretjem poglavju z naslovom „Ur- und Umformen“ (Izoblikovanje in preoblikovanje“ najdemo podpoglavje z naslovom „Sintern – Urformen in festem Zustand“ (Sintranje – izoblikovanje v trdnem stanju), ki se nadalje deli na več delov. V uvodnem delu je na sliki 3 fotografija treh komponent – zobnika, zobatega kolesa in puše, ob fotografiji pa je uvod, v katerem beremo, da so na sliki prikazani komadi bili izdelani iz praškastih materialov in da ta postopek označujemo kot sintranje. Sledi opomba, da gre tudi v tem primeru za postopek izoblikovanja, slednjič pa se uvod zaključi z retoričnim vprašanjem, kako neki se izdela takšen material oz. material s takšno kohezijo? dr. Andrej Podbrežnik predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor V nadaljevanju podpoglavja „Sintern – Urformen in festem Zustand“, in sicer v njegovem delu z naslovom „Der Fertigungsablauf (…)“ (Potek izdelave (…)) beremo: „Die Formmasse ist ein Pulver. Es kann aus einem Stoff oder durch Mischen aus einem Stoffgemenge bestehen. Diese Masse wird in einer Form gepreßt und gleichzeitig oder anschließend erwärmt (gesintert), aber nicht erschmolzen. Es entsteht ein formbeständiges Teil.“ (Oblikovna masa je prah. Lahko je sestavljen iz ene snovi ali z mešanjem iz mešanice snovi. To maso stisnemo v kalupu in jo hkrati ali Slika 3: Primeri sintranih izdelkov. Vir: (2) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 35 dr. Andrej Podbrežnik predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor naknadno segrejemo (sintramo), vendar je ne stalimo. Tako nastane dimenzijsko stabilen komad.) Vidimo, da gre za kratek in jedrnat oris postopka, iz katerega izvemo, da gre pri izhodiščnem materialu za prah, ki lahko sestoji iz ene same snovi ali iz mešanice več različnih snovi. Vendar iz pričujočega opisa ni moč razbrati, za kakšne vrste prahov gre. Izvemo le, da tako dobljen prah stisnejo v kalupu in ga bodisi istočasno bodisi zatem segrevajo, a ne do takšne mere, da bi se stalil in da na ta način nastane dimenzijsko oziroma oblikovno stabilen komad. V naslovu tega dela podpoglavja je sklic na sliko 4, ki se dejansko nahaja ob poglavju in na kateri je nazorno prikazan postopek sintranja: na vrhu sta prikazani dve posodi, od katerih vsaka vsebuje drugačno vrsto prahu (Pulver). Iz obeh posod potuje prah, ki ga vsaka izmed njiju vsebuje, v večjo posodo, v kateri nato poteka postopek mešanja (Mischen) obeh vrst prahov. Sledi postopek stiskanja (Pressen), v katerem tako nastalo mešanico prahov stisnejo v določen komad, ki ga nato ogrejejo in tako sintrajo (Erwärmen, Sintern) ter tako dobijo končni izdelek. V nadaljevanju podpoglavja „Sintern – Urformen im festen Zustand“ sledi del z naslovom „Was geschieht beim Pressen des Pulvers?“ (Kaj se dogaja pri stiskanju prahu?), v katerem beremo: „Durch den Preßdruck wird die Reibung zwischen den Pulverkörnern überwunden. Die Hohlräume (…) zwischen den Körnern stürzen ein. Die Körner verhaken sich untereinander, werden kaltverfestigt, schließlich umgeformt oder sogar zertrümmert. Es entstehen große Berührungsflächen.“ (S pomočjo pritiska stiskanja se premaga trenje med zrnci prahu. Špranje (votline/prazni prostori (…) med zrnci se porušijo. Zrnca se med seboj prepletejo in z ohlajevanjem utrdijo, se končno preoblikujejo ali celo razbijejo. Nastanejo velike stične površine.) V tem delu podpoglavja beremo, kaj se zgodi z zrnci prahu v postopku stiskanja, ne pa tudi segrevanja. Slika 4: Prikaz posameznih faz postopka sintranja. | Vir: (2) 36 SODOBNISTROJNIK Slika 5: Prikaz dogajanja pri stiskanju prahov. | Vir: (2) Gre zgolj za opis procesov v prahu samo med postopkom stiskanja, še preden tako dobljene stiskance pošljejo na segrevanje. Kaj se z zrnci dogaja, je nazorno prikazano na sliki številka 5, ki je tudi omenjena v ten delu besedila. Slika sestoji iz štirih manjših slikic: na prvi vidimo, kako so zrnca prahu razporejena pred stiskanjem, ko je med njimi mnogo praznih prostorov, špranj oz. votlih mest (Hohlräume im Pulver), na drugi lahko vidimo, kako se med stiskanjem ti votli prostori oz. špranje porušijo (Einsturz der Hohlräume), na tretji mehansko sprijetje zrnc prahu (Mechanisches Verhaken) ob nadaljnjem stiskanju, na četrti pa preoblikovanje oziroma spremembo oblike zrnc (Umformen der Körner) kot končni rezultat postopka stiskanja. Sledi del omenjenega podpoglavja z naslovom „Was geschieht beim Sintern?“ (Kaj se dogaja pri sintranju?), v katerem beremo: „Der Preßling wird erwärmt. Im erwärmten, aber festen Zustand tritt eine Umkristallisation der Körner ein (…). Diese Rekristallisation führt zu einem neuorientierten Gitter und damit zu einer weiteren Steigerung der Festigkeit des Preßlings. Auch bei Pulvermischung wird durch Sintern der Zusammenhalt der Teilchen gesteigert.“ (Stiskanca segrevajo. V segretem, a trdnem stanju, nastopi prekristalizacija zrnc (…). Ta rekristalizacija vodi do preorientacije mreže in s tem do nadaljnjega povečanja trdnosti stiskanca. Tudi pri mešanici prahov se s sintranjem poveča kohezija delcev.) Tukaj gre za opis sprememb, do katerih pride med postopkom segrevanja iz prahov dobljenih stiskancev. Na tem mestu pa izvemo, da pri zrn- magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor cih pride do rekristalizacije, pri kateri se spremeni kristalna struktura oz. rešetka (mreža) zrnc prahu in da se mreža na novo preorientira, kar pripelje do povečane trdnosti stiskanca (slika 6). V nadaljevanju v podpoglavju sledi del z naslovom „Durch Sintern entstehen Werkstoffe »nach Maß«“ (S sintranjem nastajajo materiali »po meri«). V njem beremo, da ta izjava drži iz dveh vidikov: prvič se na ta način doseže visoka merska natančnost obdelovancev in drugič se da na ta način izdelati tudi materiale s po meri narejenimi lastnostmi, pri čemer so možne tudi povezave snovi, ki jih z običajnimi postopki – npr. litjem – ne bi mogli združiti. V zvezi s tem nadalje beremo: „Auch Hartmetall (…) und Oxidkeramik sind Sinterwerkstoffe. Für Hartmetalle wird z. B. ein Pulvergemisch aus Wolframcarbid und Kobalt verwendet. Daraus entsteht ein sehr harter verschleißfester und temperaturbeständiger Sinterwerkstoff.“ (Tudi karbidna trdina in oksidna keramika sta sintrani gradivi. Za karbidne trdine se uporablja npr. praškasta mešanica iz volframovega karbida in kobalta. Iz tega nastane zelo trden, proti obrabi odporen in temperaturno obstojen sintrani material.) Na tem mestu je končno navedenih nekaj materialov, katerih prahovi se uporabljajo za izdelavo raznih trdnih sintranih materialov. V besedilu je omenjena slika 7, ki se nahaja poleg tega dela teksta in na kateri je prikazan sveder z rezili iz karbidne trdine. Zaključni del podpoglavja pa je posvečen drsnim ležajem, in sicer v zaključku podpoglavja, ozaljšanega s sliko ohišij drsnih ležajev, beremo: dr. Andrej Podbrežnik predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Slika 6: Prikaz dogajanja med toplotno obdelavo. | Vir: (2) „Die Gleitlager (…) erfordert dagegen ganz andere Werkstoffeigenschaften. Es genügt eine geringe Härte. Der Werkstoff soll jedoch einen großen Porenanteil haben. Durch Tränken des Lagers kann dann sehr viel Schmieröl in die Poren eindringen. Verwendet wird ein Pulvergemisch aus Kupfercarbid und Eisen, das beim Pressen nur geringfügig verdichtet wird.“ (Drsni ležaji (…) pa zahtevajo popolnoma drugačne lastnosti materiala. Zadošča minimalna trdota. Vendar pa mora material imeti velik delež por. S potopitvijo ležaja lahko tako vanj prodre zelo veliko mazalnega olja. Uporablja se praškasta mešanica iz bakrovega karbida in železa, ki se med stiskanjem le rahlo stisne oz. zgosti.) mo z opisom sintranja v Dubblovem strojniškem priročniku, v katerem je v zvezi s sintranjem govora izključno o drsnih ležajih. Najbolj pade v oči razlika v navedbi materialov, ki se uporabljajo za izdelavo ohišij za drsne ležaje s postopkom sintranja. V Dubblovem strojniškem priročniku so kot izhodiščni materiali za sintranje pri proizvodnji drsnih ležajev navedeni baker s specialno medenino ali železom z dodatkom svinca in grafita, v opisu v knjigi Technologie für Metallberufe (Tehnologija za kovinarske poklice) pa je omenjena mešanica iz bakrovega karbida in železa, brez omembe medenine in grafita. Se pa v obeh knjigah v zvezi s sintranjem materialov za izdelavo drsnih ležajev omenja poroznost, potrebna za shranjevanje mazalne- Ta del besedila pa lahko primerja- Slika 7: Sveder z rezili iz karbidne trdine. Vir: (2) Slika 8: Ohišja in puše drsnih ležajev iz sintranega materiala. | Vir: (2) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 37 dr. Andrej Podbrežnik predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor ga olja, ki pride v stene tovrstnih ležajev med potapljanjem v olje. Sicer se opis sintranja v knjigi Technologie für Metallberufe (Tehnologija za kovinarske poklice) za razliko od opisa sintranja v Dubblovem strojniškem priročniku ne osredotoča zgolj na materiale za izdelavo drsnih ležajev, marveč se bolj kot tisti v Dubblovem strojniškem priročniku osredotoča na sam postopek sintranja in procesih, ki se dogajajo v posameznih fazah celotnega postopka ter navaja nekaj več primerov uporabe sintranih materialov. Tudi opis postopka sintranja v knjigi Technologie für Metallberufe (Tehnologija za kovinarske poklice) je zanimiv iz jezikoslovnega vidika. Ta izdaja omenjenega učbenika je sicer izšla leta 1989, se pravi še pred že omenjeno nemško pravopisno reformo, zaradi česar tudi v pričujočem besedilu naletimo na primere pisanja posameznih besed po starem. Tudi v tem primeru naletimo na besede, ki se danes pišejo z dvojno črko „s“, se pravi s „ss“, ki pa so se po starem, pred uvedbo nemške pravopisne reforme, pisale z „ostrim s“ - se pravi s „ß“. Tako v besedilu najdemo besede „gepreßt“ (katere pravilna različica je danes „gepresst“), „Preßdruck“ (danes pravilno: „Pressdruck“) in „Preßling“ (danes pravilno: „Pressling“). OPIS POSTOPKA SINTRANJA V KNJIGI FACHKUNDE MECHATRONIK Slednjič si velja ogledati, kako je postopek sintranja opisan v učbeniku Fachkunde Mechatronik (Mehatronika) iz leta 2005. V sedmem poglavju tega učbenika z naslovom „Herstellen mechanischer Systeme“ (Izdelava mehanskih sistemov) najdemo podpoglavje z naslovom 38 SODOBNISTROJNIK „Das Urformen“ (Izoblikovanje), znotraj le tega pa podpoglavje „Urformen durch Sintern“ (Izoblikovanje s sintranjem), v katerem uvodoma piše: „Beim Sintern werden pulverförmige Metalle unter hohem Druck in eine bestimmte Form gepresst. Dadurch sind komplizierte Formteile in hoher Stückzahl und Genauigkeit herstellbar.“ (Pri sintranju kovine v praškasti obliki pod visokim pritiskom stisnejo v določeno formo/kalup. Tako je mogoče izdelati zapletene oblikovane dele v velikem številu in z veliko natančnostjo.) O tem, da gre pri sintranju za stiskanje praškastih materialov v določene kalupe, beremo sicer že v obeh predhodno omenjenih knjigah, v knjigi Fachkunde Mechatronik (Mehatronika) pa na novo izvemo, da je na ta način možno izdelati komade zahtevnih oblik v velikem številu in z veliko mero natančnosti. Ob uvodnem delu omenjenega podpoglavja pa je še slika tipičnih sintranih izdelkov (slika 9). V nadaljevanju podpoglavja beremo, da sintranje poteka v različnih stopnjah oz. fazah, ki so predstavljene v nadaljevanju in od katerih je vsaka označena s črko. Prva je: a. „Herstellen des Metallpulvers: Die Metallpulver werden durch Zerstäuben der Metallschmelze hergestellt.“ a. katerem piše: b. „Mischen der Metallpulver: Die einzelnen Pulver werden gemischt und zum Erleichtern des Gleitens beim anschließenden Pressen mit einem Gleitmittel versetzt.“ b. Mešanje kovinskih prahov: posamezni prahovi se zmešajo, za olajšanje drsenja med naknadnim stiskanjem pa se jim doda mazivo.) Tudi tukaj izvemo nekaj novega, česar ne izvemo v nobeni iz med obeh predhodno omenjenih knjig, in sicer, da se med mešanjem kovinskih prahov le tem doda mazivo, ki olajša drsenje prašnih delcev med procesom stiskanja le teh v kalup. Sledi opis tretje faze: c. „Pressen der Form: Mit Drücken bis 600 bar werden die Pulvermischungen in Form gepresst.“ c. Stiskanje v kalup: Praškaste mešanice se stiskajo v kalup pri tlakih do 600 barov.“) Poleg informacij o tem, da praškaste mešanice stiskajo v kalup, ki jih preberemo v obeh predhodnih knjigah, na tem mestu izvemo tudi, pod katerim tlakom kovinske prahove sti- Izdelava kovinskega prahu: kovinski prahovi se izdelujejo z razprševanjem kovinske taline.) Za razliko od obeh predhodnih knjig le ta podaja opis izdelave kovinskih prahov. Sledi opis naslednje faze, v Slika 9: Sintrani komadi. | Vir: (3) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor skajo v kalupe. dr. Andrej Podbrežnik predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Zatem o samem postopku sintranja beremo: d. „Sintern: Bei 50%...90% der Schmelztemperatur der Ausgangsmetalle werden die Presslinge einer Wärmebehandlung unterzogen. Dabei erhalten die Teile durch Diffusion an den Berührungsstellen ihre endgültige Festigkeit.“ d. Sintranje: Stiskance podvržejo toplotni obdelavi pri 50%...90% talilne temperature izhodnih kovin. Deli dobijo končno trdnost z difuzijo na kontaktnih točkah.) Za razliko od informacij podanih v obeh predhodno obdelanih knjigah iz opisa v tej knjigi izvemo višino temperature, pri kateri se stiskance podvrže toplotni obdelavi in da s pomočjo difuzije na stičnih točkah delcev kovinskih prahov izdelki dobijo končno trdnost. Sledi še opis zadnje faze postopka sintranja, o katerem beremo: e. „Kalibrireren: In der Regel besitzen die gesinterten Werkstücke eine hohe Maßgenauigkeit. In besonderen Fällen reicht diese nicht aus. Die Werkstücke werden dann durch ein Nachpressen (Kalibrieren) auf die gewünschte Maßgenauigkeit gebracht (…).“ e. Kalibracija: Sintrani obdelovanci imajo praviloma visoko stopnjo dimenzijske natančnosti. V posebnih primerih pa le ta ne zadošča. Nato se obdelovanci z naknadnim stiskanjem (kalibriranjem) dovedejo do želene dimenzijske natančnosti (…). Slika 10: Postopek sintranja. | Vir: (3) Tudi te informacije ne izvemo iz poprej omenjenih dveh knjig. Tukaj pa je pojasnilo, da dimenzijska natančnost posameznih sintranih izdelkov ni dovolj, marveč jih je potrebno še dodatno stisniti oz. umeriti ali kalibrirati. Ob navedenih opisih posameznih faz postopka sintranja pa se nahaja še slika, ki v grobem prikazuje glavne štiri faze postopka. V zgornjem levem delu slike je prikazan postopek mletja in mešanja kovinskih prahov (Mahlen und Mischen), v nadaljevanju zgoraj desno sledi prikaz postopka stiskanja (Pressen) in stiskanca (Pressling), nato pa spodaj levo prikaz sintranja s segrevanjem v zaščitnem plinu (Schutzgas) s pomočjo grelne tuljave (Heizwendel), slednjič pa sliko dveh gotovih sintranih komadov (slika 10). Podpoglavje se nadaljuje z ugotovitvijo, da so lastnosti sintranih obdelovancev odvisne od različnih dejavnikov in da pri tem igrajo pomembno vlogo predvsem uporabljeni materiali, pa tudi pritiski pri stiskanju in temperature, pri katerih poteka sintranje ter da pri nizkih pritiskih pri stiskanju nastajajo porozni, pri visokih pritiskih pa zelo gosti materiali. Sledi zanimiv podatek v zvezi s poroznimi materiali, in sicer: „Poröse Werkstoffe eignen sich hervorragend für den Einsatz als Filter- oder als Lagerwerkstoffe. Die Lagerwerkstoffe werden vor ihrem Einbau in Öl getränkt. Das in den Poren gespeicherte Öl tritt bei Erwärmung des Lagers aus und dient als Schmiermittel (…).“ magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 39 wirtschaftlich in großer Stückzahl hergestellt werden können. Durch die hohe Presskraft ist der Einsatz auf kleinere Werkstücke begrenzt. Die hohen Kosten für die Pressform und die Einschränkungen in der Formgebung durch den Wegfall von Hinterschneidungen sind ebenfalls als Nachteil zu nennen.“ dr. Andrej Podbrežnik predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Slika 11: Sintrani filtri in ležaji | Vir: (3) (Porozni materiali so idealni za uporabo kot materiali za filtre ali ležaje. Materiale za ležaje pred vgradnjo namočijo v olje. Olje, shranjeno v porah, pri segrevanju ležaja izstopi in služi kot mazivo (…).) VIRI: (1 Sass, F.; Bouché, Ch. Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau (Erster Band). (1956). Berlin/Göttingen/Heidelberg: Springer Verlag. (2) Baur, G. et al. Technologie für Metallberufe. (1989). Hannover: Schroedel Schulbuch-verlag GmbH. (3) Bartenschlager, J. et al. Fachkunde Mechatronik. (2005). Haan-Gruiten: Verlag Europa-Lehr-mittel. 40 Na tem mestu o sintranih materialih preberemo to, kar smo prebrali že v obeh predhodno obdelanih knjigah, in sicer, da sintrane komponente za gradnjo ležajev pred izdelavo ležajev potopijo v olje, da olje zapolni pore v materialu in se ležaji med delovanjem sami mažejo tako, da olje, ki je v porah materiala ležajev, zaradi segrevanja med delovanjem ležajev izstopi iz por in ležaje maže. Obenem pa na tem mestu izvemo tudi nekaj novega – nekaj, česar iz opisov v prejšnjih dveh knjigah nismo izvedeli, in sicer, da so porozni materiali idealni tudi kot material za izdelavo filtrov. Tamu opisu je pridana slika, omenjena v besedilu, ki prikazuje sintrane filtre in ležaje (slika 11). Podpoglavje „Urformen durch Sintern“ se nato zaključi z navedbo prednosti in slabosti sintranih materialov in postopka sintranja: „Die Vorteile gesinterter Werkstoffe liegen hauptsächlich darin, dass die Bauteile im Gegensatz zu gegossenen Teilen einbaufertig, in hoher Präzision und Maßhaltigkeit sowie SODOBNISTROJNIK (Glavne prednosti sintranih materialov so, da je v nasprotju z litimi deli mogoče komponente izdelati pripravljene za vgradnjo, z visoko natančnostjo in dimenzijsko natančnostjo ter ekonomično v velikih količinah. Zaradi velike sile stiskanja je uporaba omejena na manjše obdelovance. Slabosti so tudi visoki stroški kalupa in omejitve pri oblikovanju zaradi odsotnosti spodrezov.) Vidimo, da je v tej knjigi tudi opis prednosti sintranih materialov izčrpneje podan kot v obeh predhodnih knjigah in da v tej knjigi beremo tudi o slabostih sintranih materialov, medtem ko v nobeni izmed predhodnih knjig ni nobene omembe slabosti sintranja in sintranih materialov. Obenem se vidi, da je knjiga izšla lep čas po uvedbi nemške pravopisne reforme, saj so vse besede, ki bi se v skladu s starim pravopisom pisale z „ostrim s“ - se pravi s „ß“ pisane v skladu novim pravopisom. Primeri: „gepresst“, „Pressen“, „Presslinge“, „Pressdrücke“, „Presskraft“, „Pressform“. ZAKLJUČEK Opisi postopka sintranja se od knjige do knjige dejansko razlikujejo. V tem besedilu je podanih tudi nekaj mer, a se vse nanašajo na drsne ležaje in njihove značilnosti, vključno s sliko prereza ležaja in grafom mejnih vrednosti obremenitve za kovinske kapilarne ležaje z opisoma. V učbeniku Technologie für Metallberufe (Tehnologija za kovinarske poklice) iz leta 1989 opis postopka sintranja ni omejen zgolj na izdelavo drsnih ležajev, marveč je podan splošen opis postopka sintranja s podrobnejšimi opisi sprememb v materialu med posameznimi fazami postopka, slednjič pa je navedenih par primerov uporabe sintranih materialov, tudi z navedbo njihove uporabe v proizvodnji ležajev. Najizčrpnejši pa je opis postopka sintranja v učbeniku Fachkunde Mechatronik (Mehatronika) iz leta 2005, kjer uvodni predstavitvi postopka sledijo opisi posameznih faz postopka. Opis dogajanja z delci prahov sicer ni tako izčrpen kot opis v knjigi Technologie für Metallberufe (Tehnologija za kovinarske poklice), je pa res, da iz njega izvemo določene kvantitativne vrednosti, in sicer s kakšnimi pritiski se praškaste mešanice stisne v kalup in pri kakšnih temperaturah poteka segrevanje stiskancev, dodan pa je tudi opis postopka kalibracije, ki v prejšnjih dveh knjigah ni podan. Ugotovimo lahko tudi, da v obeh starejših knjigah, ki sta izšli še pred uvedbo nemške pravopisne reforme leta 1996, naletimo na nekatere strokovne izraze, ki so zapisani še po starem, medtem ko je besedilo opisa v knjigi Fachkunde Mechatronik, ki je izšla po uvedbi omenjene reforme, napisan v skladu z njo. V Dubblovem strojniškem priročniku iz leta 1956 je opis postopka sintranja omejen zgolj in samo na področje tovrstne izdelave drsnih ležajev. magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor Josephine Cochrane in njen pomivalni stroj dr. Andrej Podbrežnik predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Že vse od prvih primerov uporabe posode se ljudje zavedajo, da je potrebno posodo po uporabi pomiti in jo pripraviti na nadaljnjo uporabo za shranjevanje ali serviranje jedače in pijače ter živil. Pomivanje posode je dolga stoletja potekalo ročno, vse do trenutka, ko je domiselna mlada Američanka z imenom Josephina Cochrane izumila napravo, ki velja za prvi avtomatski pomivalni stroj v zgodovini človeštva. Namen pričujočega članka je osvetliti aktivnosti omenjene izumiteljice, ki so pripeljale do razvoja in masovne proizvodnje prvega pomivalnega stroja v zgodovini. vzdrževanje domov in gospodinjstev, so ljudem jemala ogromno dragocenega časa in od njih terjala ogromno truda. Slika 1: Josephina Cochrane. | Vir: (3) UVOD V Ameriki se je pisalo leto 1883, ko je bila v Združenih državah Amerike industrijska revolucija na vrhuncu. Pojav mehanizacije je pripeljal do velikega napredka na področju transporta, komunikacij in kmetijstva in izdelke je bilo možno proizvajati v velikem številu, ki si ga poprej ni bilo mogoče zamisliti. Toda medtem, ko je pojav novih tehnologij v vse večji meri vplival na način dela in življenja Američanov, so še zmeraj obstajala področja dela, za katera se je zdelo, da se je čas ustavil in so obtičala v primežu preteklosti. Še zmeraj so obstajala vsakodnevna opravila, ki so od ljudi zahtevala ogromno truda in naporov. Opravila, ki so zajemala čiščenje in V mestecu Shelbyville, v ameriški zvezni državi Illinois, je v razkošni vili živela Josephine Cochrane, ki je dobro vedela kako naporna so vsakodnevna gospodinjska opravila, četudi jih njej sami ni bili potrebno opravljati, saj je imela dovolj služkinj. Sama je izhajala iz premožne družine in tudi oba s sporogom sta bila premožna in nikoli se ji ni bilo treba ubadati z eksistenčnimi problemi in nikoli si ni rabila beliti glave s tem, kako bo preživela iz dneva v dan, saj so moževi dohodki zadoščali za udobno življenje. Skupaj z možem sta se družbeno in politično zelo angažirala in na svojem domu pogosto prirejala sprejeme za premožne goste. Na takšnih sprejemih in slavnostnih obedih so gostom običajno postregli s hrano v posodah iz kitajskega porcelana iz 17. stoletja, ki je bil Josephini Cochrane izredno pri srcu in ji pomenil pravi pravcati zaklad. Toda zelo pogosto se je dogajalo, da so njene služkinje med ročnim pomivanjem posode okrušile ali nalomile te posamezne posode iz dragocenega kitajskega porcelana in vedno znova je Josephine Cochrane užaloščena na posameznih skodelicah ali krožnikih iz tega porcelana odkrivala okrušena mesta. Slednjič je po eni izmed takšnih sprejemov in zabav za premožne goste posodo iz dragocenega kitajskega porcelana pomila sama, a je ob tem zopet naletela na okrušen krožnik in se je vsa zaprepadena pričela spraševati, kako neki prihaja do krušenja. Ugotovila je, da do poškodb prihaja med drgnjenjem posode in trki med posodami v topli vodi. Uvidela je, da je napočil čas za spremembo. Ko sta nekega dne z možem sedela v dnevni sobi, je na glas izrazila svoje začudenje nad dejstvom, da še nihče ni izumil stroja za pomivanje posode. Soprog je ogovoril, da dvomi, da bi se komurkoli to zdelo zelo pomembno. Obenem se je vprašal, zakaj bi sploh kdo potreboval stroj za pomivanje posode. V tistem obdobju so namreč mnoge ženske srednjega družbenega razreda imele svoje kuharice in služkinje, da so jim prale, pomivale, pospravljale in kuhale in potreba po pomivalnem stroju ni bila tako očitna, saj je bilo samoumevno, da lahko tovrstno delo opravijo služkinje. Toda kljub pomanjkanju zanimanja za njeno zamisel o stroju za pomivanje posode, se je Josephine Cochrane leta 1883 lotila risanja načrtov magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 41 dr. Andrej Podbrežnik predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor VIRI: (1) Cole, D. J. et al. Encyclopedia of Modern Everyday Inventions. (2003). Greenwood Publishing Group. (2) Snodgrass, M. E. Encyclopedia of Kitchen History. (2004). Routledge. (3) »I'll do it myself«. (2021). Pridobljeno s https://www.uspto.gov/ learning-and-resources/ journeys-innovation/ historical-stories/ill-do-it-myself (4) Josephine Cochrane. (1839-1913) Invented the Dishwasher. (2010). Pridobljeno s: https:// forgottennewsmakers. com/2010/04/20/ josephine-cochrane-1839-1913-invented-the-dishwasher/ 42 za ročno gnan stroj za pomivanje posode, pri čemer je skrbno snovala posamezne dele stroja – npr. predele za zlaganje posode – in zamisel o izdelavi takšnega stroja jo je povsem prevzela in polna navdušenja in zagona ob misli na izdelavo popolnega pomivalnega stroja je prebila mesece pri mizi in dodelovala in izboljševala na papirju svoj načrt stroja. Toda v njeno življenje je kruto zarezala usoda, ko ji je zaradi srčne kapi nenadoma umrl soprog. Vse do moževe nenadne smrti je namreč Josephine mislila, da sta zelo premožna, a po soprogovi smrti se je izkazalo, da sta bila pravzaprav precej zadolžena in da bo za svoje nadaljnje preživetje morala zbrati finančna sredstva. Zavedla se je, da bo potrebno stroj, ki ga je zasnovala na papirju, tudi nekako realizirati in spremeniti v nekaj, kar bodo ljudje kupovali, da bo lahko zaslužila denar za osnovno preživetje. Soprog ji je zapustil kopico dolgov in samo 1.535,59 dolarjev in razvoj pomivalnega stroja sedaj ni bil potreben samo zaradi udobja, temveč tudi za preživetje in nenadoma njen izum uspešnega pomivalnega stroja niso bile več sanje, ampak nujna finančna potreba. Do leta 1885 je namreč osnutek za pomivalni stroj že dokončala, žal pa ni vedela, kako naj ga izdela. Imela je svoje osnutke, ki jih je znala narisati, ni pa imela izkušenj z izdelavo strojev ali naprav. Zavedela se je, da bo morala najti inženirja strojništva, ki bi ji pomagal izdelati prototip njenega stroja in udejaniti njeno zamisel. Odločena uresničiti svojo zamisel se je Josephine po pomoč obrnila na lokalnega železniškega strojnika Georgeja Buttersa, sicer zaposlenega na Illinoiski centralni železnici, in ga seznanila s svojo SODOBNISTROJNIK zamislijo. Oba sta vedela, da ne bo lahko, saj sta se zavedala, da bi kaj hitro lahko postala žrtvi opravljanja in obtožb, če bi ljudje opazili, da k njej – vdovi – zahaja mlad moški, pa četudi je šlo za pogovore strogo tehnične narave. Zato sta morala poskrbeti za to, da je prihajal k njej naskrivaj, da sta zaščitila vsak svoj ugled. Zaupala mu je sestavo in delovanje svojega stroja. Ko jo je vprašal, kje bi bile nameščene krtače za drgnjenje posode, mu je pojasnila, da krtačk ne bo, saj da bo posodo namesto krtač pomivala voda pod pritiskom. posrečenim načinom uporabe pritiska vode (vode pod pritiskom) namesto krtač uspel pomiti posodo in 1885 je stroj tako uspešno prestal prvi preizkus in Josephine in George sta navdušena ugotovila, da je stroj posodo ne le dobro opral, marveč da – in kar je bilo najpomembnejše – posoda niti malo ni bila okrušena. Do takrat je namreč že obstajalo nekaj tovrstnih strojev za pomivanje posode, vendar so vsi za pomivanje posode uporabljali rotirajoče krtače, vendar se je Josephine zavedala, da bi krtače njeno posodo v stroju poškodovale, zaradi česar se je zavzemala za to, da bi posodo prala voda, ki bi pod pritiskom brizgala nanjo. In ko je Georgeja Buttersa vprašala, ali bo znal izdelati takšen stroj, ji je odgovoril, da bo poizkusil. Pravijo, da je takrat izrekla tudi svoje znamenite besede: „Če nihče drug ne bo izumil pomivalnega stroja, bom to naredila sama!« Čeprav Josephina Cochrane ni bila prva, ki je izumila pomivalni stroj, je bil njen stroj prvi, ki je za čiščenje posode uporabljal pritisk vode in ne krtač, in je imel stojala, ki so bila posebej nameščena za držanje posode na mestu. Prejšnji pralni stroji so od uporabnika zahtevali, da posodo prelije z vrelo vodo. Leta 1886 je patentirala svoj izum in z Georgejevo pomočjo začela izdelovati pomivalne stroje za prijatelje ter stroj poimenovala »Cochrane Dishwasher« (pomivalni stroj Cochrane). Stroje je oglaševala tudi v lokalnih časopisih ter z Georgejevo pomočjo pričela z izdelavo strojev za prodajo. Ko je pridobila patent, je tudi ustanovila podjetje Garis-Cochrane Manufacturing Company za proizvodnjo svojih pomivalnih strojev, v katerem je George Butters postal direktor proizvodnje. Delala sta v lopi za njenim domom in Josephine Cochrane se je tudi sama resno lotila dela. Izmerila je posodo in izdelala žične predelke za skodelice in krožnike ter jih postavila v kolo, ki je bilo nameščeno vodoravno v bakrenem kotlu. Na dnu stroja je bila posoda, v kateri je bilo milo. Kolo se je vrtelo, poganjal ga je motor, in milna voda oz. milnica je škropila po posodi, da bi jo očistila. Motor, ki je vrtel kolo, je namreč tudi črpal vročo milnico z dna kotla in jo brizgal po posodi. Ob uporabi večih vodnih črpalk in zbiralnikov za vodo je stroj, ki ga je zasnovala, s Vendar pa je Josephine kmalu spoznala, da utegne biti prodaja njenega stroja še veliko težja od že tako dolgotrajnega in napornega snovanja in izdelave. Cena stroja je znašala sto dolarjev, kar bi v današnji protivrednosti znašalo približno tri tisoč dolarjev in stroj je tako veljal za luksuzni artikel, ki si ga večina gospodinjstev ni mogla privoščiti. Za ta denar je namreč bilo možno najeti pet služkinj, ki bi poleg pomivanja posode lahko opravile še marsikaj drugega – kuhale ali poribale tla. Josephini je postalo jasno, da bo morala svoj načrt prodaje spremeni- magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor ti, če bo hotela uspešno tržiti svoj izum. Pričela je razmišljati, kdo bi bili potencialni odjemalci njenega stroja in se nenadoma domislila, da bi njen stroj utegnil biti zanimiv za večje ustanove – hotele in gostinske obrate. In ko ji je George Butters pokazal vabilo Svetovnega tehniškega sejma v Chicagu, na katerem je pisalo, da vabijo izumitelje, da na sejmu predstavijo svoje izume, je Josephine zaslutila svojo priložnost. Omenjeni sejem, ki ga je leta 1893 gostil Chicago, je namreč takrat igral izredno pomembno vlogo za Slika 7: Pomivalni stroj, ki ga je izumila Josephine Cochrane. | Vir: (3) ameriške inovatorje. Tovrstni sejmi so namreč že takrat predstavlali promocijske dogodke in nudili priložnost ljudem, ki so imeli določene zamisli in so hoteli pokazati svetu, kaj zmorejo. Josephina Cochrane je svoj novi stroj torej pokazala na omenjeni svetovni kolumbijski razstavi v Chicagu leta 1893, kjer je bilo v restavracijah in paviljonih sejma nameščenih devet njenih pomivalnih strojev njenega podjetja Garis-Cochran, ki so bili deležni velikega zanimanja restavracij in hotelov, v katerih dostop do tople vode ni bil problem. Na sejmu je Josephine Cochrane za svoj izum prejela najvišjo nagrado za najboljšo mehansko konstrukcijo, vzdržljivost in prilagojenost svoji dejavnosti. Podjetje Garis-Cochran Manufacturing Company, ki je izdelalo tako ročne kot tudi električne pomivalne stroje, se je tako osredotočilo na hotele in druge komercialne stranke in se je leta 1897 preimenovalo v Cochran's Crescent Washing Machine Company. Josephinin pomivalni stroj je torej na sejmu pri velikih industrijskih kuhinjah požel izjemno zanimanje in že takoj so se pojavila prva naročila, saj je stroj v velikih kuhinjah zaposlenim prihranil čas in denar, saj so lahko z njim oprali 250 po- sod v dveh minutah, česar človeške roke ne bi mogle opraviti. Hotelirji in lastniki restavracij so stroj z navdušenjem sprejeli in leta 1897 se je pričela masovna prodaja teh strojev. Uspelo ji je razširiti prodajo svojih pomivalnih strojev podjetjem vse do Aljaske in Mehike. Kljub njenim najboljšim prizadevanjem pa so domači modeli še vedno stali približno 350 dolarjev, kar je bilo predrago za večino gospodinjstev, od katerih mnoga niso imela dovolj velikega kotla, da bi zdržala potrebne količine tople vode. Njene najbolj zanesljive stranke so zato še naprej ostali hoteli in restavracije. dr. Andrej Podbrežnik predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Sčasoma pa se je krog njenih strank razširil še na bolnišnice in fakultete, za katere so bili razkuževalni učinki izpiranja z vročo vodo pomembni. Končno so njene pomivalne stroje začela uporabljati tudi gospodinjstva. Leta 1912 je Josephine Cochran pri 73 letih še vedno osebno prodajala svoje stroje. Umrla je leta 1913 zaradi možganske kapi ali izčrpanosti v Chicagu. Leta 1916 je njeno podjetje odkupilo podjetje Hobart, ki se je preimenovalo v KitchenAid in je zdaj Whirlpool Corporation. Josephine Cochrane pa velja za ustanoviteljico. magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK (5) Josephine Cochrane. (2005). Pridobljeno s https://www.cooksinfo. com/josephine-garis-cochrane (6) This Socialite Hated Washing Dishes So Much That She Invented the Automated Dishwasher Josephine Cochran’s machine was the first to use water pressure to clean dishes. (2020). Pridobljeno s https:// spectrum.ieee.org/ this-socialite-hated-wa-shing-dishes-so-much-t-hat-she-invented-the-automated-dishwasher 43 Andrej Puconja uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Električno krmiljena dušilna loputa Električno gnana dušilna loputa je že nekaj let standard pri vozilih z bencinskim motorjem. Če je bila včasih samo domena luksuznih vozil, je od leta 2001 z uvedbo EOBD nadzora komponent, ki vplivajo na emisije izpušnih plinov, postala del standardne opreme. Takšen način krmiljenja imenujemo tudi E-Gas sistem ali Drive-by-Wire. ZGODOVINSKI RAZVOJ Najprej naštejmo nekaj vzrokov za uvedbo takšnega načina krmiljena dušilne lopute pri bencinskih motorjih z notranjim izgorevanjem. Pri mehanski povezavi pedala za plin z dušilno loputo je voznik s položajem pedala za plin neposredno določil položaj dušilne lopute in s tem določil delovne pogoje motorja. Motorni menedžment je iz vrednosti tipala na dušilni loputi razbral željo voznika in izračunal kot predvžiga, prilagoditev kota predvžiga, čas vbrizga goriva in po potrebi obogatitev zmesi. Motorni menedžment pa ni imel možnosti vplivati na položaj dušilne lopute. Tako na primer v prostem teku ali ob vključitvi kompresorja za klimatsko napravo motor potrebuje večji navor – to pomeni višjo količino zraka in več goriva. Da je klasični menedžment povečal navor motorja, je lahko spremenil le kot predvžiga ali čas vbrizga goriva. li zmes. Nismo pa vplivali na vrtilni moment motorja. Pri električno gnani dušilni loputi pa je dušilna loputa preko celotnega območja krmiljena električno. Zahteva voznika se odčita s pomočjo tipala na pedalu za plin in preko električne povezave pošlje v motorni menedžment. Tam se signal tipala pedala pretvori v želen kot odprtja dušilne lopute. Motorni menedžment s takšnim načinom krmiljena lopute imenujemo motorni menedžment z električnim vodenjem navora. Sedaj motorni menedžment s položajem dušilne lopute lahko vzdržuje vrtljaje motorja in posledično vpliva na kot predvžiga in količino vbrizganega goriva. Drugi poglavitni vzroki uvedbe mehanske ločitve pedala od lopute so povezani elektronski sistemi v vozilu (tempomat, trakcija …). Ti med vožnjo želijo in tudi potrebujejo dodatni vpliv na položaj dušilne lopute in s tem na navor motorja. Glavne naloge motornega menedžmenta z električnim vodenjem navora v smeri krmiljenja dušilne lopute so: – koordinacija in prioritizacija različnih zahtev po navoru, – korekcija zahtev glede na kriterije vozišča, – regulacija navora pri različnih režimih delovanja motorja. Na sliki 1 je prikazan diagram osnovnih vplivov na izračun položaja dušilne lopute. Pri vozilih s prisilnim polnjenjem zraka je potrebno v izračun potrebnega navora upoštevati tudi nastavitev položaja ventila Za stabilizacijo prostega teka in povišanje vrtljajev pri hladnem motorju sta obstajali dve možnosti: – motorček za prosti tek, ki je bil vgrajen vzporedno z dušilno loputo, – dušilna loputa z vgrajenim motorčkom za prosti tek. V obeh primerih smo s povečanjem pretoka zraka pri prostem teku povečali pretok zraka in s tem obogati44 SODOBNISTROJNIK Slika 1: Diagram osnovnih vplivov na izračun položaja dušilne lopute. | Vir: (1) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor Naprave, ki lahko zahtevajo reduciranje navora: – krmilna naprava sistema proti zdrsu koles, – sistemi za regulacijo dinamike vožnje, – tempomat. Andrej Puconja uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Tako motorni menedžment zbira in koordinira vse zahteve po spremembi navora in jih prilagaja izkoristku motorja ter upoštevanju omejitev izpušnih plinov. Slika 2: Vpliv vhodnih zahtev na izračun položaja dušilne lopute. | Vir: (1) za krmiljenje turbo puhala. Voznik od motorja zahteva določen navor s spremembo položaja pedala za plin. Hkrati tudi različni asistenčni sistemi v vozilu postavljajo svoje zahteve glede navora. Te zahteve lahko končni navor povečajo ali zmanjšajo. Zahteve za spremembo navora lahko delimo na notranje in zunanje: Zunanje zahteve so: – želja voznika, – dinamika vožnje, – udobnost vožnje. Notranje zahteve: – zagon, – regulacija vrtljajev motorja, – segrevanje katalizatorja, – omejitev moči zaradi drugi tipal, – udobnost vožnje, – lastna zaščita, – omejitev vrtljajev. Veličine, ki jih iz vhodnih podatkov izračuna motorni menedžment z električnim vodenjem navora in na katere ima vpliv, so: – kot odprtja dušilne lopute, – – – – kot predvžiga, izklop valjev, čas vbrizga, krmiljenje ventila za regulacijo tlaka polnjenja. Povezane krmilne naprave v vozilu, ki lahko zahtevajo povišanje navora: – regulacija prostega teka, – avtomatski menjalnik, – klimatska naprava, – sistemi za regulacijo dinamike vožnje, – tempomat. KOMPONENTE SISTEMA ELEKTRIČNO GNANE LOPUTE Bistvena elementa za elektronsko regulacijo vrtilnega momenta sta električni pedal in električno gnana dušilna loputa. Oba omogočata krmiljenje dušilne lopute neodvisno od položaja pedala za plin. Tako lahko motorni menedžment po potrebi spremeni navor motorja, brez da bi voznik spremenil položaj pedala za plin. Komponente motornega menedžmenta, s katerimi realiziramo električno krmiljenje polnjenja motorja Slika 3: Komponente motornega menedžmenta. | Vir: (2) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 45 Andrej Puconja uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor z zrakom (slika 3): 1. tipalo pedala plina, 2. motorna krmilna naprava, 3. tipalo položaja dušilne lopute, 4. pogon dušilne lopute, 5. dušilna loputa. Dodatne komponente: – stikalo pedala zavore, – stikalo pedala sklopke. DUŠILNA LOPUTA Motorni menedžment preko pogona odpre dušilno loputo za takšen kot, da je zagotovljen pretok dovolj velike količine svežega zraka. Aktualni položaj lopute krmilna naprava odčita s pomočjo potenciometra, ki je dograjen neposredno na dušilno loputo. Iz varnostnih razlogov sta uporabljena dva potenciometra, torej imamo dodan še redundantni potenciometer. Potek upornosti se lahko pri obeh spreminja enako, običajno pa imata nasprotna poteka upornosti. PEDAL PLINA Pedal plina krmilni napravi sporoča željo voznika. Vsebuje dva med seboj neodvisna potenciometra. Motorni menedžment med delovanjem motorja neprestano nadzoruje funkcijsko delovanje pedala in pra- vilnost električnih signalov obeh potenciometrov. Od leta 2001 velja za bencinske motorje z notranjim izgorevanjem nadzor izgorevanja European On Board Diagnostics (EOBD). Funkcija EOBD mora delovati med delovanjem motorja, in to celotno življenjsko dobo vozila. V glavnem lahko diagnozo delimo v tri sklope: 1. diagnoza zajema, obdelave in izdaje električnih signalov, 2. diagnoza sistemskih funkcij, 3. nadzor brezhibnosti delovanja funkcij, ki so varnostni kritične. Ad 1. Diagnozo zajema, obdelave in izdaje električnih signalov imenujemo v angleščini tudi Comprehensive Component Monitoring. Ta diagnostični potek nadzoruje funkcijsko delovanja vseh tipal, aktuatorjev in končnih stopenj, ki imajo s svojim delovanjem vpliv na delovanje motornega menedžmenta. Nadzor vhodnih signalov poteka od nadzora tipala in nadzora povezave do tipala (prekinitev, stik z napajanjem ali stik z maso). Nadzira se tudi notranja obdelava signala tipala. Podobno kot vhodne signale nadzira motorni menedžment tudi izhodne signale na aktuatorje, glede na prekinitev ali kratki stik. džment. Te se izvajajo neprestano ali občasno. Tipični primer je diagnoza izpada vžiga pa posameznem valju (slika 7). Motorni menedžment (6) krmili vžigalno tuljavo (3) in predpostavlja, da bo prišlo do preskoka iskre in posledično do vžiga zmesi. Nadzor vžiga zmesi se izvede s preverjanjem signala tipala vrtljajev motorja (10). Pri brezhibnem delovanju (diagram 9A) se glavna gred vrti s konstantno hitrostjo in je signal tipala enakomeren. Pri izpadu vžiga (diagram 9B) pa glavna gred upočasni v trenutku izpada in signal tipala je spremenjen. S pomočjo ostalih tipal in znanem zaporedju vžiga motorni menedžment natančno določi izpadli valj. Prav tako se izpadi vžiga zaznajo na višini napajalne napetosti (diagrama 1A in 1B). Ad 3. Prekinitev mehanske povezave med pedalom plina in dušilno loputo je povzročila potrebo po neprestanem nadzoru motornega menedžmenta z električnim vodenjem navora nad vhodnimi signali celot- Ad 2. Pri diagnozi sistemskih funkcij se izvaja nadzor delnih funkcij, ki jih izvaja motorni mene- Slika 4: Električno gnana dušilna loputa - mehanski del in pogon. | Vir: (6) 46 SODOBNISTROJNIK Slika 5: Električno gnana dušilna loputa - električni nadzorni del. | Vir: (5) Slika 6 : Električni predal plina. Vir: (6) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor Za dodatno preverjanje električno gnane lopute motorni menedžment z električnim vodenjem navora v sklopu interne diagnoze še nadzoruje pravilnost delovanja naslednjih vrednosti: – računalniško funkcijo električno gnane lopute v motorni elektroniki, – stikala položaja pedala sklopke in pedala za zavoro, – signal hitrosti vozila. Slika 7: Diagnoza izpadov vžiga. | Vir: (6) nega sistema in povezanih sistemov ter izhodnimi signali. Zato električno gnana dušilna loputa absolutno spada pod nadzor varnostno kritičnih funkcij. Tako preprečimo, da bi prišlo do neželenega pospeševanja vozila. Model preverjanja električno gnane dušilne lopute je prikazan na sliki 8. Imamo dva vhodna signala iz redundantnih tipal (S1 in S2), krmilno napravo (L) in krmiljeni aktuator (A). Aktuator prav tako vsebuje dva redundantna signala za prikaz položaja aktuatorja. Na višjem nivoju poteka nadzor pravilnosti izračuna vrednosti na funkcionalnem nivoju. Prav tako programska oprema preveri končni rezultat izračuna motornega menedžmenta. Ta nivo lahko imenujemo nadzor funkcionalnega nivoja (Level 2). Za varnostno kritične sisteme pa potrebujemo še dodatni nadzor (Level 3), kjer zunanji neodvisni modul (mikrokontroler) s posebno programsko rutino preveri brezhibnost delovanja obeh stopenj nadzora in preko ločene povezave omogoči pogon električne dušilne lopute. Na sliki 9 je prikazan način delova- nja vseh treh nivojev nadzora. Motorni menedžment z električnim vodenjem navora je preko podatkovnih povezav povezan še vsaj z dvema glavnima krmilnima napravama, ki lahko neposredno vplivata na navor motorja - z avtomatskim menjalnikom in s sistemom proti zdrsu koles (ASR, ETC ...). Ob zaznavi izpada ali nepravilnosti signala se v pomnilnik napak obeh krmilnih naprav zapiše opozorilo o napaki. FUNKCIJSKA KONTROLA ELEKTRIČNO GNANE LOPUTE Ob večjih servisnih posegih v vozilu ali ob menjavi dušilne lopute mora motorni menedžment ponovno natančno prepoznati položaj dušilne lopute. Zato je potrebno komponento električne lopute „priučiti“. To naredi krmilna elektronika s korakom osnovne nastavitve lopute, kjer izmeri končne položaje potenciometrov in potek upornosti potenciometrov. Tako lahko preveri delovanje celotne komponente. Osnovno nastavitev lahko krmilna elektronika sproži v sledečih primerih: – samostojno ob vključitvi kontakta, – samostojno, če je za to potreba, Andrej Puconja uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor VIRI: (1) Ashok, K. (2016). A review on control system architecture of a SI engine management system. (elektronski). Pridobljeno s https:// edisciplinas.usp.br/ pluginfile.php/3391591/ mod_resource/content/1/ Review%20Engine%20 Management%20 System.pdf (2) Bosch GmbH. Automotive Electrics and Automotive Electronics. (2014). Plochingen : Springer Vieweg. To imenujemo osnovni nadzor vhodnih in izhodnih komponent in poteka na funkcionalnem nivoju (Level 1). (3) Puconja, A. (2022). Zapiski predavanj pri predmetu Menedžment motornih vozil in diagnostika. Maribor : Izv. dokument avtorja. Slika 8: Električna poenostavitev E-Gas sistema. Vir: (5) Slika 9: Način delovanja vseh treh nivojev nadzora. Vir: (5) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 47 Andrej Puconja uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Slika 10: Primer osnovne nastavitve dušilne lopute s pomočjo diagnostične naprave VCDS. | Vir: (3) – (4) Reif, K. (2014). Elektronik in der Fahrzeugtechnik. Friedrichshafen : Springer Vieweg. (5) Standardized E-GAS Monitoring Concept for Gasoline and Diesel Engine Control Units. (2013). Pridobljeno s https://studylib.net/ doc/18281557/standardized-e-gas-monitoring-concept-for-gasoline-and ob zahtevi diagnostične naprave po vklopu programa osnovne nastavitve. Spet je pomembno znanje serviserja o delovanju celotnega sistema električno krmiljene dušilne lopute, da bo popravilo izvedeno brezhibno. Seveda so kakršne koli manipulacije na varnostno kritičnih sistemih nedopustne. Primer osnovne nastavitve dušilne lopute s pomočjo diagnostične naprave VCDS. ZAKLJUČEK Motorni menedžment z električnim vodenjem navora je danes vgrajen v vsako vozilo, tako z bencinskim kot Slika 11: Primer osnovne nastavitve dušilne lopute s pomočjo diagnostične naprave VCDS. | Vir: (3) z dizelskim motorjem. Pri klasičnem bencinskem motorju deluje, kot smo ga opisali. Pri bencinskem motorju z neposrednim vbrizgom goriva pa je električna krmiljena dušilna loputa ključni element v plastnem načinu delovanja motorja. Tudi pri dizelskem motorju se ne uporablja samo za krmiljenje navora, ampak za dodatne funkcije. Vsekakor pa obstaja kar nekaj vzrokov odpovedi - od mehanskih poškodb do izrabljenosti tipala položaja lopute. Brez odgovarjajoče diagnostične opreme je popravilo varnostnih kritičnih sistemov praktično nemogoče. V smeri vedno večje elektrifikacije vozil in vseobsežnih varnostnih sistemov (aktivni tempomat, Lane Assist …) se je v vozilih razmahnila uporaba še drugih električno gnanih varnostnih komponent. Poleg električno krmiljene dušilne lopute (Drive-by-Wire) poznamo še električni servovolan (Steer-by-Wire), električno gnane zavorne čeljusti (Brake-by-Wire), popolnoma elektrificiran avtomatski menjalnik (Shift-by-Wire). Skupno jih imenujemo X-by-Wire. Tudi na tem mestu velja opozoriti na potrebo po obsežnem nadzoru vhodnih podatkov in izhodnem krmiljenju aktuatorjev ter samostojnemu nadzoru posameznih ločenih sistemov. Temu pa sledi še nadzor brezhibnosti delovanja vseobsežnih funkcijskih sistemov, ki lahko delujejo le kot povezava brezhibno delujočih posameznih sistemov. (6) Staudt, W. (2005). Berufsfeld Fahrzeugtechnik, Lehrnfeld 7, Bildungsverlag EINS. 48 SODOBNISTROJNIK magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor Alternatorji z zunanjo regulacijo polnjenja Andrej Puconja uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor V modernih vozilih število komponent, tako komfortnih kot varnostnih, ki delujejo na električni pogon, konstantno narašča, akumulator pa ostaja enak. Če je bila včasih naloga akumulatorja le kratkotrajni vklop zaganjača pri zagonu motorja, mora danes akumulator oskrbovati vedno več električnih agregatov in tudi pripadajoče krmilne naprave. Pri današnjih vozilih količina polnjenja in praznjenja akumulatorja ni več v ravnovesju, zato akumulator sčasoma postaja vse bolj prazen. Kljub višji kakovosti je prazni akumulator še zmeraj najpogostejši vzrok izpadov pri vozilih. Za zagotavljanje stabilne napetosti v celotnem omrežju v vozilu je bil razvit sistem za nadzor akumulatorja, regulacijo polnjenja alternatorja ter upravljanje s porabniki. V tem članku se bom omejil na regulacijo polnjenja alternatorja. 1. PORABA ENERGIJE V OSEBNIH VOZILIH Električno omrežje v vozilih v glavnem sestoji iz hranilnika energije (akumulator), proizvajalca energije (alternator) in porabnikov energije (električne in elektronske naprave). S pomočjo energije iz akumulatorja zaženemo motor z zaganjačem (porabnikom) in ga tako obdržimo pri delovanju z motorno krmilno napravo in pripadajočimi komponentami (porabniki). Pri tekočem motorju alternator (proizvajalec energije) dobavlja napetost v omrežje (odvisno od vrtljajev motorja in vključenih dodatnih porabnikov). V optimalnem primeru zadostuje proizvodnja elektrike za napajanje vseh porabnikov in še polnjenje akumulatorja. Pri projektiranju vozila je potrebno pravilno izbrati in medsebojno uskladiti vse udeležence (generator, akumulator in porabnike), da je zagotovljen zagon motorja v vseh pogojih delovanja in da porabniki delujejo tudi nekaj časa pri izključenem motorju. Običajni kriteriji za projektiranje karakteristik komponent električnega omrežja so: – mejna zagonska temperatura – – – – – (to je temperatura, pri kateri še lahko zaženemo motor), moč generatorja (tok, ki ga je sposoben oddati alternator. Običajno lahko alternator odda največji tok pri 6000 vrtljajih. Pri prostem teku motorja je to le del (okoli 1/3)), režim vožnje (pri vozilih, ki se uporabljajo predvsem v mestnem prometu (taksiji, avtobusi …) je potrebno upoštevati, da motor ogromno časa deluje pod prostim tekom)), čas vklopa električnih porabnikov (ločimo stalne porabnike (vžig, vbrizg goriva), dolgotrajne (luči, ventilator) in kratkotrajne porabnike (smerokazi …)), poraba goriva (samo majhen del goriva, ki ga vozilo porabi, je potrebno za pogon generatorja, to je okoli 5 % pri avtomobilu srednjega razreda), izvedba električnega omrežja (tudi način povezave med akumulatorjem, alternatorjem in porabniki vpliva na višino napetosti in toka v omrežju. Idealno je, če večje porabnike priključimo čim bližje generatorju, krmilne naprave in ostale občutljive naprave pa čim bližje akumulatorju). 2. BATERIJSKI MENEDŽMENT Kadar je električna poraba porabnikov večja, kot je je sposoben generator proizvajati, se energija črpa iz akumulatorja. Če pa generator proizvaja več energije, se višek energije akumulira v akumulatorju. V modernih vozilih je dodatno vgrajen krmilni modul ali programska rešitev v že obstoječi krmilni napravi, ki neprestano preverja stanje napolnjenosti in kapaciteto akumulatorja. Če stanje ni uravnovešeno, primerno ukrepa. Baterijski menedžment preračunava, ali je napetost za napajanje vseh porabnikov dovolj visoka, prav tako pa preverja kapaciteto akumulatorja, ki je potrebna za morebitni zagon motorja. Ob znižanju napetosti na akumulatorju pod določeno mejo baterijski menedžment posreduje z zmanjšanjem števila vključenih komfortnih porabnikov, lahko pa večje porabnike popolnoma izključi. Pri polnem akumulatorju se zmanjša polnjenje alternatorja in s tem tudi poraba goriva. Zato je, kadar v vozilo vstavimo nov akumulator, nujno, da v krmilni modul vnesemo podatke o velikosti akumulatorja (kapaciteto in zagonski tok). Ta vrednost služi kot referenčna vrednost. Sedaj baterij- magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 49 Andrej Puconja uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Slika 2: Različni načini zunanjega krmiljenja polnjena alternatorja. | Vir: DENSO (2022) vgraditi v vozilo večji alternator in manjši akumulator. To ima za posledico manj rezerve električne energije, pa tudi manjše praznjenje in polnjenje akumulatorja. Slika 1: Električna povezava baterijskega menedžmenta, akumulatorja in alternatorja | Vir: Puconja (2022) ski menedžment samodejno nadzoruje napolnjenost akumulatorja in po potrebi posega ali na področje porabnikov (zmanjšuje število porabnikov, če se napetost niža) ali na področje generatorja (ob višanju števila porabnikov ali nižanju zunanje temperature se lahko napetost polnjenja zviša). V današnjih vozilih se je uveljavil naslednji trend izbire vgrajene velikosti akumulatorjev in alternatorjev: Razvijalci vozil so izračunali, da se poveča povprečna poraba goriva na 100 km: – za 0,1 l pri 10 kg dodatne teže, – za 0,1 l pri 100W dodatne moči polnjenja alternatorja. Iz tega lahko vidimo, da se izplača Slika 3: Enostavno krmiljenje polnjenja. Vir: DENSO (2022) 50 SODOBNISTROJNIK 3. ALTERNATORJI Z ZUNANJO REGULACIJO POLNJENJA Pri alternatorjih z elektronskim krmiljenjem polnjenja lahko zunanja krmilna elektronika nadzoruje polnjenje alternatorja v odvisnosti od voznih pogojev vozila. S tem lahko zelo vpliva na porabo goriva in posledično na emisije škodljivih izpušnih plinov. Obremenitev motorja zaradi generiranja napetosti lahko med pospeševanjem vozila zmanjšamo na tak način, da zmanjšamo polnjenje akumulatorja za ta čas. Pri zaviranju z motorjem pa lahko proizvodnjo energije povečamo in pomagamo pri zaviranju motorja. S takšnim načinom krmiljenja polnjenja občutno vplivamo na porabo goriva. Med delovanjem v prostem teku in pri konstantni vožnji se polnjenje alternatorja prilagaja stanju akumulatorja in ostalim vključenim električnim potrošnikom. Vrste zunanjega krmiljenja polnjenja alternatorja 3.1. Enosmerno krmiljenje Ta je najenostavnejši način zunanjega krmiljenja alternatorja, s katerim lahko vključimo oziroma izključimo polnjenje alternatorja. To funkcijo lahko motorna krmilna enota uporabi, kadar potrebuje motor več moči. Tak sistem krmiljenja se uporablja predvsem pri vozilih Honda in Toyota. Kadar je na priključku C na alternatorju prisotna napajalna napetost, je izhodna napetost alternatorja 14 V. Kadar krmilna naprava napaja priključek C z napetostjo 0 V, pa regulator zniža napetost polnjenja na 12,8 V. S tem razbremeni motor z notranjim izgorevanjem. 3.2. Pulzno širinsko krmiljenje Pulzno širinska modulacija (PWM) je tehnika, s katero zahtevo o višini polnjenja alternatorja kodiramo v pulzirajoči napetostni signal. S to tehnologijo lahko izvedemo zvezno krmiljenje izhodne napetosti. Poznamo: – PCM regulacijo pri vozilih Ford in Land Rover, Slika 4: Pulzno širinsko krmiljenje polnjenja. Vir: DENSO (2022) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor Andrej Puconja uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Slika 5: Ford, konektor alternatorja. Vir: MSG Equipment (2022) – RVC regulacijo pri vozilih GM, – RLO regulacijo pri vozilih Toyota, – P&D regulacijo pri vozilih Mazda, Kia in Mitsubishi. Ford Smart Charge System Alternator sicer deluje samostojno, višino napetosti pa lahko krmilna elektronika po potrebi tudi spremeni. Hkrati lahko krmilna elektronika nadzoruje obremenitev alternatorja in ima možnost dviga vrtljajev motorja pri prostem teku in višji obremenitvi alternatorja (slika 5). – A(S) – kontrolna napajalna napetost (B+) – SIG (RC) – izhodni signal računalnika motorja, s katerim lahko krmilimo višino napetosti – FR(LI) – informacija iz regulatorja o obremeniti alternatorja (znana tudi kot DFM) Slika 6: Električna shema priključitve alternatorja pri znamki Ford. | Vir: Puconja (2022) Krmiljenje funkcije regulatorja: – krmiljenje polnjenja alternatorja v odvisnosti od napolnjenosti akumulatorja – krmiljenje polnjenja v odvisnosti od temperature alternatorja – izključitev polnjenja med zagonom motorja – povišanje vrtljajev motorja pri nizki napetosti akumulatorja ali pri visoki obremenitvi alternatorja Slika 7: Oscilogram signalov na priključkih SIG in FR alternatorja. | Vir: PICOSCOpe (2022) Električna shema priključitve alternatorja pri znamki Ford (slika 6): 1. Napajalni rele 2. Povezava z akumulatorjem 3. Izhodni signal alternatorja (FR) 4. Vodni (krmilni) signal alternatorja (SIG) 5. Prikazovalni instrument s kontrolno lučko akumulatorja 6. Ostali vhodni signali motorne krmilne naprave 7. Motorček prostega teka Slika 8: Oscilogram signalov na priključkih SIG in FR alternatorja. | Vir: PICOSCOPE (2022) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 51 Andrej Puconja uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Slika 9: Podatkovno krmiljenje polnjenja. Vir: DENSO (2022) Na oscilogramih (slika 7) so prikazani krmilni in izhodni signali alternatorja, najprej pri majhnem toku polnjenju in na sliki 8 pri visokem toku polnjenju. – Zelena linija – krmiljenje alternatorja (SIG) – Rdeča linija – izhodni signal alternatorja (FR) h krmilni napravi – Modra linija – izhodni tok alternatorja 3.3. Krmiljenje alternatorjev preko podatkovne linije (COM) Alternator načeloma lahko deluje avtonomno, vse potrebne krmilne vhodne signale pa dobiva po podatkovni liniji. Tudi vse izhodne informacije posreduje regulator po isti podatkovni liniji. S podatkovno linijo je povezan ali s krmilno napravo motorja, centralno elektroniko ali pa neposredno z baterijskim menedžmentom. Nadzor nad višino napetosti polnjenja običajno izvaja energijski menedžment. Podatkovna povezava (digitalna komunikacija) predstavlja enostavno metodo dvostranske komunikacije po eni liniji. Z njo lahko nastavljamo napetost polnjenja med 12,3 V in 16 V. Možna realizacija funkcije je Load Response, lahko pa za trenutek popolnoma izključimo polnjenje akumulatorja. Digitalna komunikacija omogoča tudi hitrejše krmiljenje polnjenja. Obojestranska izmenjava podatkov 52 SODOBNISTROJNIK z BSS in LIN protokoli z njihovimi izvedenkami (slika 9). Slika 10: Principielna shema notranjosti regulatorja z LIN komunikacijo. | Vir: DENSO (2022) Po podatkovni liniji se izmenjujejo podatki: – vhodni signali regulatorja: L, 15, S, želena napetost polnjenja (med 12,3 in 16 V), – izhodne informacije: L, W, DFM, polnilni tok, temperatura alternatorja, napake pri delovanju (električne, mehanske, komunikacijske). Prednost priklopa alternatorja na podatkovno linijo: – možnost regulacije polnjenja alternatorja v odvisnosti obremenitve celotnega električnega sistema, – natančna regulacija polnjenja glede na trenutno temperaturo alternatorja, akumulatorja, okolice …, – povratna informacija o vrsti napake. Slika 11: BSS konektor. Vir: MSG Equipment (2022) Na eno podatkovno linijo (LIN) je lahko priključenih do 16 krmilnih naprav, ki vse sprejemajo vrednost polnjenja alternatorja, lahko pa tudi oddajajo zahteve glede polnjenja alternatorja. Na isto podatkovno linijo je mogoče priključiti dva alternatorja. Bit Synchronous Single Wire (BSS) podatkovni protokol – predhodnik LIN komunikacije Podatkovni protokol med regulatorjem in motornim računalnikom poteka v obliki 10-bitnega podatkovnega okvirja (Data Frame). Hitrost prenosa podatkov je 1200 bit/s. Obstajata dva različna BSS protokola (BSS-1 in BSS-2). Krmiljenje izhodne napetosti je izvedeno z osmimi različnimi sporočili. Izhodni podatki regulatorja: – DFM monitor – podatek o obremenitvi (6 bitov) Slika 12: LIN konektor. Vir: MSG Equipment (2022) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor – Napake: M – mehanska napaka (1 bit ), E – električna napaka (1 bit) Local Interconect Network (LIN) podatkovni protokol Pri razvoju LIN komunikacije so sodelovali vodilni evropski proizvajalci vozil. Standardiziran je pod označbo ISO–17987. Danes se LIN komunikacija široko uporablja v avtomobilski industriji za enostavnejše povezave med krmilnimi napravami in aktivnimi senzorji in aktuatorji. Komunikacija poteka po eni žici (liniji). Višina napetostnega signala je 12 V. Hitrosti prenosa podatkov so 2400 bit/s, 9600 bit/s ali 19200 bit/s. Kot se je z leti spreminjal LIN protokol, se je tudi spreminjala komunikacija med krmilno napravo in alternatorjem – posamezne generacije komunikacij med seboj niso kompatibilne, prav tako ne alternatorji. LIN komunikacija temelji na osnovnem Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) protokolu, ki je serijsko vgrajen že v večino krmilnikov in mikrokontrolerjev. Celotno podatkovno sporočilo je sestavljeno iz več UART bajtov in sestavlja LIN podatkovni okvir (LIN Frame). S pomočjo glave sporočila (Header) se nadzorna krmilna naprava in regulator sinhronizirata in krmilna naprava določi vrsto sporočila. V podatkovnem delu sporočila (Response) pa nadzorna krmilna naprava pošlje podatke ali nastavitve regulatorju ali pa regulator odgovori z zahtevanimi podatki. LIN sporočilo vsebuje sledeče podatke (identifikacijski podatki): – Alternator Identification Data (ID) - 5 bitov – Supplier Data (ID) - 3 biti (8 proizvajalcev, 000 – Bosch, 100 – Valeo) – Alternator/regulator ID - 5 bitov (32 tehničnih tipov) Napake polnjenja: – T – previsoka temperatura (1 bit) – regulator je dosegel zgornjo temperaturo in zato izključil polnjenje – M – mehanska napaka (1 bit) – ni signala na statorju, slab stik, alternator se ne vrti – E – električna napaka (1 bit) – odprti tokokrog ali kratki stik – C1, C2 – komunikacijske napake (2 bita) – ni izmenjave podatkov med regulatorjem in krmilno napravo Ostali podatki: – DFM – DF monitor (obremenitev alternatorja – 5 bitov) – IE(T) – vzbujevalni tok rotorja (6 bitov) – CHS – Check Sum (8 bitov) Slika 13: UART protokol. | Vir: Puconja (2022) Med krmilno napravo in regulatorjem običajno poteka komunikacija z dvema tipoma sporočil. Identifikacijsko sporočilo vsebuje informacije o vrsti LIN komunikacije, znamki in tipu regulatorja, znamki in tipu alternatorja. Andrej Puconja uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Podatkovno sporočilo vsebuje podatke o napetosti alternatorja, številu vrtljajev alternatorja, trenutnem vzbujevalnem toku, trenutni obremenitvi alternatorja, temperaturi alternatorja in možnih napakah pri delovanju. Primer podatkovnega LIN sporočila 1. generacije: 4. POPRAVILA V PRAKSI Nadzor in regulacija napetosti polnjenja akumulatorja (predvsem pri vozilih z AGM izvedbo) ni več v domeni alternatorja, temveč nadzorne krmilne naprave. Višina napetosti polnjenja akumulatorja pri brezhibnem alternatorju se lahko giblje med 12,3 V in 16 V. Zato je potrebno preverjati delovanje alternatorja in stanje akumulatorja izključno preko diagnostične Slika 14: LIN protokol. | Vir: Alternatorregulation (2022) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 53 Andrej Puconja uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Slika 15: Prikaz polnjenja in tipa alternatorja z VCDS diagnostično napravo. | Vir: Program VCDS (2022) VIRI: naprave. (1) Alternator Regulation. What are the different communication protocols on the market?. (2022). Pridobljeno s https:// www.testmyalternator. com/en/news/technical-articles/252-different-communication-protocols-regulation-alternators-tma-technical.html Primer prikaza polnjenja alternatorja z VCDS diagnostično napravo. Dynamic Field Signal (DFM) prikazuje obremenitev alternatorja prikazuje slika 15. (2) AlternatorTesterMasterAlt2 Manual. (2022). Pridobljeno s https:// www.scribd.com/ document/433032112/ 007935063030-Manual-Alternator-Tester-Master-Alt-2-en Stanje napolnjenosti in polnjenja akumulatorja je prikazano z diagnostično napravo VCDS prikazuje slika 16. Pri modernih vozilih je možen vzrok nepravilnega polnjenja alternatorja v alternatorju samem, električni povezavi med alternatorjem in baterij- Slika 16: Prikaz stanja napolnjenosti akumulatorja z VCDS diagnostično napravo. | Vir: Program VCDS (2022) skim menedžmentom, nepravilnem merjenju vrednosti na akumulatorju, nepravilnem vgrajenem akumulatorju in drugo. Ob prekinjeni oziroma napačni komunikaciji med alternatorjem in krmilno napravo se prižge kontrolna lučka za akumulator na armaturni plošči. Če je alternator brezhiben, nam diagnostična naprava odčita napako na komunikaciji med alternatorjem in krmilno napravo. Običajno je alternator narejen tako, da tudi pri prekinitvi komunikacije deluje v zasilnem načinu in polni s konstantno napetostjo 14 V. Poleg diagnostične naprave zelo pomagata pri določitvijo vzroka napake posebna naprava za preverjanje delovanja alternatorja in osciloskop za preverjanje električnih signalov na alternatorju. Ena od naprav za preverjanje delovanja alternatorja je naprava ALT2 znamke Marelli. Priključimo jo neposredno na alternator namesto baterijskega menedžmenta. Z njeno pomočjo lahko odčitamo vrsto in način komunikacije alternatorja. Nastavimo lahko želeno napetost polnjenja alternatorja (3) Bosch GmbH. Automotive Electrics and Automotive Electronics. (2014). Plochingen : Springer Vieweg. (4) DENSO league of true mechanics. (2022). Pridobljeno s https://www. denso-technic.com Slika 17: Prikaz napake ob nepravilni komunikaciji z VCDS diagnostično napravo. | Vir: Puconja (2022) 54 SODOBNISTROJNIK Slika 18: Naprava ALT 2 za krmiljenja alternatorja. Vir: AlternatortesterALT2 (2022) magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor Andrej Puconja uni. dipl. ing. predavatelj Višje strokovne šole Tehniškega šolskega centra Maribor Slika 19: Prikaz na zaslonu naprave ALT 2. | Vir: AlternatortesterALT2 (2022) Slika 20: Prikaz na zaslonu naprave ALT 2. | Vir: AlternatortesterALT2 (2022) in hkrati preverimo izhodno napetost, če odgovarja nastavljeni. gnal na podatkovni liniji in preveriti pravilnost komunikacije. Podobno velja za komunikacijo z alternatorjem za vozila znamke Ford. 5. ZAKLJUČEK Pri razvoju motornih vozil se razvija vsaka električna in mehanska komponenta v vozilu. Zaradi vse višje potrebe po električni energiji in predvsem po stabilni napetosti je poudarek na generiranju napetosti v vozilih toliko višji. Z zunanjo regulacijo polnjenja alternatorja so razvijalci vozil stopili odločen korak naprej. Kako se je v vsega 20 letih Naprava MS013 znamke MSG deluje na podoben način in prikaže komunikacijo z regulatorjem in delovanje alternatorja. Prikazana je tudi hitrost komunikacije in prisotnost napake. Dodatno pa je mogoče prikazati si- Slika 21: Prikaz na zaslonu naprave MS013. | Vir: MSG Equipment (2022) spremenila zgradba regulatorja napetosti in povezava med alternatorjem in vozilom, je prikazano na sliki 23. LIN podatkovna komunikacija pri alternatorjih je prisotna pri več kot 60 % vozilih. Zato je potrebno v korak s časom stopiti tudi v servisnih delavnicah, kjer je že danes potrebno servisirati takšna vozila. (5) MSG Equipment. MS013 Manual. (2022). Pridobljeno s https:// servicems.eu/for-diagnostics-of-alternators-and-starters/adapter-com-msg-ms013.html (6) Program VCDS Manual. (2022). Pridobljeno s https://www.ross-tech. com/vcds/tour/main_ screen.php (7) PICOSCOPE Manual and Case studies. (2022). Pridobljeno s https:// www.picoauto.com/ library Slika 22: Prikaz na zaslonu naprave MS013. Vir: MSG Equipment (2022) Slika 23: Diagram spreminjanja vgrajenih regulatorjev v alternatorjih med letoma 2002/2020. | Vir: MSG Equipment (2022) (8) Puconja, A. (2022). Zapiski predavanj pri predmetu Električne naprave in napeljave. Maribor : Izv. dokument avtorja. (9) Reif, K. (2014). Elektronik in der Fahrzeugtechnik. Fridrichhafen : Springer Vieweg. magazin višje strokovne šole tehniškega šolskega centra maribor SODOBNISTROJNIK 55 Magazin najdete v elektronski obliki na spletni strani šolskega centra www.tscmb.si.