Ventil 1 / 2022 • Letnik 28 40 NAPREDNI KRMILNI SISTEMI 1 Uvod 1.1 Predstavitev problema Pri razvoju pralnih strojev je eden izmed ciljev mir- no delovanje aparatov pri vseh obratovalnih vrtilnih hitrostih. Želimo si, da do nihanj in vibracij, ki bi pov- zročile hrupnost in premike pralnega stroja med de- lovanjem, ne pride. Na drugi strani ciljamo na vedno dobro ožeto perilo. Povečana nihanja in vibracije lah- ko preprečimo z uporabo pospeškomera. Raziskali smo možnosti za izboljšano delovanje pralnih strojev z uporabo pospeškomerov. Pri pregledu stanja teh- nike smo se osredotočili na delovanje pospeškome- ra ter možnosti njegove uporabe. Nato smo preučili konkreten pospeškomer, ki ga trenutno uporabljamo v podjetju. Pri raziskavi smo z eksperimentalnim de- lom preverili kalibracijo, komunikacijo in delovanje pospeškomera. Analize smo opravili na več različnih tipih pralnih strojev ASKO. 1.2 Pregled stanja tehnike Podjetje Gorenje je za implementacijo izbralo po- speškomer proizvajalca ATMEMS, ki deluje po elek- tromehanskem MEMS-principu (ang. Micro-electro- mechanical Systems). Pospeškomer je prikazan na sliki 1. Merilniki pospeška MEMS merijo pospeške na eni, dveh ali treh pravokotnih oseh in se uporabljajo za ugotavljanje usmeritve glede na pospešek gra- vitacije ter za merjenje vibracij in sunkov. Merilniki pospeška temeljijo na silicijevem (Si) polprevodni- ku. Fizični princip merjenja temelji na toplotnem ali kapacitivnem pristopu. Kapacitivni pristop je morda bolj primeren za nekatere aplikacije, na primer za- znavanje trkov in aktiviranje zračnih blazin. Po dru- Aleš Rosenstein, dipl. inž., Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, doc. dr. Timi Karner, mag. inž., Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Dr. Ervin Strmčnik, mag. inž., Gorenje, d. o. o., Velenje n astavitev Parametrov Pos Peškomera Za Pre Prečevanje udarov in Premikov Pralnih strojev Pri niZkih vrtilnih hitrostih bobna Aleš Rosenstein, Timi Karner, Ervin Strmčnik Slika 1 : Videz pospeškomera Izvleček: Razumevanje in obvladovanje vibracij uvrščamo med najtežje izzive pri razvoju pralnih strojev. V prispevku sta prikazana način in postopek nastavitve parametrov, s katerimi dosežemo izboljšanje delovanja pralne- ga stroja z implementacijo pospeškomera. Uvodoma so predstavljeni pregled stanja tehnike in teoretične osnove, ki se navezujejo na delovanje pospeškomerov ter pralnih strojev, v nadaljevanju pa metode dela in rezultati raziskav, ki so podrobneje analizirani v diskusiji. Podane so mehanska in električna specifikacija ter eksperimentalna potrditev pospeškomera, ki smo ga uporabili na treh različnih pralnih strojih. Raziskave so podale mejne vrednosti pospeškomera, ki preprečijo udar oziroma poskakovanje pralnega stroja. Rezultati vključujejo primerjavo grafov različnih pralnih strojev v odvisnosti od razmer med izvajanjem meritev. Ključne besede: pralni stroj, pospeškomer, vibracije, ekscentrična masa perila, deviacijska obremenitev Ventil 1 / 2022 • Letnik 28 gi strani pa je toplotni pristop, ki temelji na principu konvekcije molekul plina, ogrevanih v zaprti votlini, bolj primeren za elektronski nadzor stabilnosti ESC (ang. Electronic Stability Control). Kapacitivni me- rilniki pospeška, znani tudi kot senzorji vibracij, se zanašajo na spremembo električne kapacitivnosti kot odziv na pospešek. Merilniki pospeška upora- bljajo lastnosti nasprotnega ploščnega kondenza- torja, pri katerem se razdalja med ploščama spremi- nja sorazmerno z uporabljenim pospeškom, s čimer se spremeni kapacitivnost. Piezoelektrični pospe- škomeri izkoriščajo piezoelektrični učinek ali na- petost kristalne strukture s pospeševalnimi silami, ki povzročajo mehanske obremenitve, pretvorjene v električni signal. Aktivni element v piezoelektrič- nem merilniku pospeška je piezoelektrična kerami- ka. Ena stran keramike je togo povezana s telesom merilnika pospeška, na drugi strani je dodana po- tresna masa. Ko je merilnik pospeška izpostavljen vibracijam, nastane sila, ki deluje na piezoelektrični element in potresno maso. Zaradi piezoelektrične- ga učinka se iz te vibracije ali udarca ustvari izhodni naboj, sorazmeren uporabljeni sili [1]. 2 Teoretične osnove V tem poglavju bomo predstavili faze delovanja pralnega stroja in delovanje pospeškomera. 2.1 Predstavitev delovanja pralnega stroja Delovanje pralnega stroja lahko razdelimo v tri več- je faze: 1. pranje perila (dolivanje in gretje vode ter deter- genta z mencanjem perila), 2. izpiranje perila (izpiranje umazanije in deter- genta z dodajanjem vode in mehčalca), 3. ožemanje perila (razporejanje perila in ožema- nje v fazi centrifuge pri vrtljajih do 1600 vrt/ min). Centrifuga je zadnja faza pranja perila, in sicer gre za fazo ožemanja perila. V tej fazi je največ možno- sti za pojav vibracij in udarov. Ožemanje poteka v več korakih. Potek vrtilne hitrosti bobna pralnega stroja v odvisnosti od časa je grafično prikazan na sliki 2. Prikazane so normalizirane vrednosti. Najprej poteka faza mencanja, kar se dogaja pri vr- tilnih hitrostih v območju od 0 vrt./min do 100 vrt./ min. S tem poskuša stroj enakomerno porazdeliti perilo v bobnu, kar zmanjša možnost za pojav ve- like ekscentrične mase. Nato pomeri maso in eks- centričnost perila. V primeru, da stroj odčita preve- liko ekscentrično maso, meritev ponovi še enkrat, kar je razvidno s slike 2. Po vsaki meritvi stroj zavrti boben do določene vrtilne hitrosti. Pralni stroj gre v centrifugo, ko odčita vrednosti ekscentričnosti perila, ki so nižje od mejnih vrednosti. Ta se izvede po korakih in dosega vmesne vrtilne hitrosti in po določenem času končno vrtilno hitrost. Pralni stroj nekaj časa vrti boben s končno vrtilno hitrostjo, nato pa se ustavi. V primeru, da stroj po določenih poizkusih ne odčita dovolj majhne ekscentričnosti perila, se pralni program zaključi. 2.2 Delovanje pospeškomera Pospeškomer je vključen v krmilni algoritem pralne- ga stroja. Ta deluje po diagramu poteka, ki je pred- stavljen na sliki 3. Krmilje deluje v petih fazah. V prvi fazi pospeškomer priredi vrednosti spremenljivkam filtru 1. Vrednosti filtra 2 so pozitivne odčitane vre- dnosti, filtra 3 pa negativne vrednosti. Filter 1 vsebu- je povprečje izmerjenih vrednosti. V drugi fazi sledi odločilni del krmilja, ki razdeli pot programa na tri možne podfaze. Pralni stroj se lahko odloči za nor- malno delovanje profila centrifuge, za zmanjšanje vrtilne hitrosti motorja ali za zaustavitev motorja.   Pospeškomer je pritrjen na pralno enoto (v nadalje- vanju bomo namesto besedne zveze »pralna eno- ta« uporabili strokovni izraz »pralna grupa«), ki jo sestavljata boben in kad pralnega stroja. Točna lo- kacija pospeškomera je prikazana na sliki 4. NAPREDNI KRMILNI SISTEMI 41 Slika 2 : Izmerjeni profil vrtilne hitrosti bobna pralnega stroja v fazi ožemanja perila Slika 3 : Diagram poteka delovanja pospeškomera v pralnem stroju Ventil 1 / 2022 • Letnik 28 42 NAPREDNI KRMILNI SISTEMI 3 Eksperimentalno delo V tem poglavju bomo predstavili predmet in meto- dologijo raziskave. 3.1 Predmet raziskave (pralni stroji) Nastavitve parametrov smo izvedli na treh različnih aparatih, in sicer na ASKO 75 Professional, ASKO 85 Professional in ASKO 85 Domestic. Oznaka ASKO poimenuje proizvajalca pralnih strojev. Številka 75 oziroma 85 označuje prostornino pralne grupe. De- limo jih še na dve skupini:  pr alni s tr oji ASKO Professional se uporabljajo za profesionalno uporabo v pralnicah,  pr alni s tr oji ASKO Domestic so namenjeni upo- rabi v domačem gospodinjstvu. Cilj meritev je, da poiščemo pospeške, ki so kritični za delovanje pralnega stroja. 3.2 Metodologija raziskave (merilna ve- riga, postopek merjenja, način anali- ze rezultatov) Merilna veriga je v obliki blokovne sheme predsta- vljena na sliki 5. Merjenja smo se lotili tako, da smo pralni stroj pove- zali z računalnikom s pomočjo vmesnika za prenos podatkov ter programskega okolja MAT (Memory Access Tool). Ta nam je omogočal prikaz in shranje- vanje podatkov pralnega stroja. Vse meritve smo shranili v Excelovo datoteko, iz katere smo kasneje analizirali vrednosti, ki so se generirale na pospeškomeru. Vrednosti na izho- du elektronike, ki smo jih analizirali, so izražene z biti. Njihovo definicijsko območje se razpenja v območju od najmanjše 0 do največje vrednosti 65535. Zaradi narave eksperimentalnega dela smo neneh- no izboljševali metode določevanja mej, zato so po- stopki za določen stroj med sabo nekoliko različni. Na podlagi izkušenj in ekspertnega znanja smo ve- deli, da so za delovanje pralnega stroja neugodne deviacijsko postavljene uteži. Deviacijsko obremenitev smo označevali s simboli, kot so 1000+1000 ali 1200+1200. Oznaka je odvi- sna od mase vstavljenih uteži. Uteži vstavimo eno na spodnji zadnji del, drugo pa na vrhnji sprednji del bobna. Pomembno je, da sta uteži čimbolj toč- no vstavljeni na nasprotni strani. S tem smo posku- šali simulirati čisto deviacijsko obremenitev, do ka- tere lahko pride tudi pri ožemanju perila. Zanimalo nas je, pri katerih masah uteži je prišlo do poveča- nja vibracij oziroma udarov pralne grupe ob ohišje pralnega stroja, ki si jih ne želimo.  De viacijsk a obr emenit e v: Na sliki 6 je shematsko prikazana lokacija vstavlje- nih uteži simulirane deviacijske obremenitve. Slika 4 : Mesto pritrditve pospeškomera Slika 6 : Shematski prikaz pralnega stroja z deviacijsko obremenitvijo Slika 5 : Merilna veriga Ventil 1 / 2022 • Letnik 28  Ekscentrična obremenitev: Ekscentrično obremenitev simuliramo tako, da je utež na obodu bobna postavljena na sredino po globini bobna pralnega stroja. Shematski prikaz ek- scentrične obremenitve je prikazan na sliki 7. Ome- njena obremenitev povzroči pospeške v X- in Y-osi, zaradi katerih redkeje pride do udara pralnega stro- ja. Ravnina XY je vzporedna vratom pralnega stroja. Vse meritve so bile izvedene na pralnem programu »ožemanje«. Ta pralni program je namenjen samo centrifugiranju oziroma ožemanju perila. Za izbiro tega programa smo se odločili, ker običajno priha- ja do vibracij pralnega stroja ravno v fazi ožemanja perila. Pralni program »ožemanje« nam je omogo- čal, da so meritve potekale hitreje, ker smo presko- čili vse faze pranja in takoj začeli z merjenjem. Analiza je potekala na način, da smo izpisovali naj- večje izmerjene vrednosti pospeškomera v Z-osi glede na posamezno meritev. Na podlagi eksperi- mentov smo določili, katere so bile mejne vredno- sti, ko je prišlo do nesprejemljivih udarov pralne grupe v ohišje.   4 Rezultati V tem poglavju so predstavljeni rezultati meritev za pralne stroje ASKO 85 Professional, ASKO 75 Professional, ASKO 85 Domestic. Zaradi poslovnih skrivnosti bodo na ordinatni osi prikazane normali- zirane vrednosti. 4.1 ASKO 85 Professional Na sliki 8 so prikazane največje vrednosti pospeška v Z-osi za pralni stroj ASKO 85 Professional pri raz- ličnih deviacijskih obremenitvah od 1200+1200 do 2000+2000 s korakom 100 gramov, ki so bile odči- tane pri 112 vrt./min oziroma 113 vrt./min. Za vsako deviacijsko obremenitev smo opravili pet meritev, kar nam je prineslo večjo točnost in posledično bolj pravilno določitev parametrov pospeškomera. Lah- NAPREDNI KRMILNI SISTEMI 43 Slika 7 : Shematski prikaz pralnega stroja z ekscentrič- no obremenitvijo Slika 8 : Rezultati analize vpliva deviacijskih obremenitev na vrednosti pospeškomera v Z-osi pri vrtilnih hitrostih od 112 vrt./min do 113 vrt./min za pralni stroj ASKO 85 Professional Ventil 1 / 2022 • Letnik 28 44 NAPREDNI KRMILNI SISTEMI ko se opazi, da se z večanjem deviacijske obreme- nitve povečuje tudi največji pospešek po Z-osi. Glede na graf in eksperimentalno pridobljene izku- šnje smo zastavili načrtovano mejo, pri kateri po- speškomer omeji delovanje pralnega stroja in ne doseže večjih vrtilnih hitrosti. 4.2 ASKO 75 Professional Meritve na sliki 9 prikazujejo največje vrednosti po- speškomera v smeri Z-osi v odvisnosti od različnih vrtilnih hitrosti glede na različne deviacijske obreme- nitve za stroj ASKO 75 Professional. Obseg meritev vključuje deviacijske obremenitve od 900+900 do 1200+1200 s korakom 100 gramov. Vsaka deviacij- ska obremenitev je predstavljena pri petih različnih obratih. Z rdečo črto so prikazane predlagane meje, ki so postavljene glede na ekspertno znanje. Opazili smo, da je med delovanjem pralnega stroja deviacij- ska obremenitev 1200+1200 že kritična in s tem ne- gativno vpliva na delovanje pralnega stroja. Rezulta- ti prikazujejo, da se pospešek povečuje z večanjem tako deviacijske obremenitve kot vrtilnih hitrosti. 4.3 ASKO 85 Domestic Meritve na sliki 10 prikazujejo vrednosti pospeško- mera v Z-osi za različne deviacijske obremenitve pri različnih vrtilnih hitrostih za stroj ASKO 85 Domestic. Deviacijske obremenitve naraščajo s korakom 100 gramov od obremenitev 1000+1000 do 1300+1300. Opazimo, da se vrednosti pospeška večajo z veča- njem vrtilne hitrosti bobna oziroma z večanjem devi- acijske obremenitve. Na grafu so s križcem predsta- vljene predlagane meje, ki so postavljene glede na odzive pralnega stroja med testiranjem. 5 Zaključek Neenakomerno razporejena masa v bobnu pralne- ga stroju ima zelo velik vpliv na njegovo delovanje. Večja, kot je masa nerazporejenega perila, večja je možnost za generiranje ekscentrične mase in pove- čane vibracije ter udare pralne grupe v ohišje pralne- ga stroja. V najslabšem scenariju pralna grupa udari tako močno, da se premakne cel pralni stroj in v tem primeru govorimo o premiku pralnega stroja. To je eden od najbolj kritičnih primerov, ki se lahko zgo- di med delovanjem pralnega stroja. Udari in premiki niso edine možne posledice nerazporejenega perila, saj imamo lahko na drugi strani problem, ki se nave- zuje na neuspešno izvedeno centrifugo. V primeru velike ekscentrične ali deviacijske mase prihaja do situacije, ko krmilje pralnega stroja ne dovoli pre- hoda v višje vrtilne hitrosti bobna pralnega stroja in zato govorimo o neuspešno ožetem perilu. Na osno- vi rezultatov meritev smo opravili podrobne analize in določili mejne parametre pospeškomera ter na ta način izboljšali delovanje pralnih strojev. Slika 9 : Rezultati analize vpliva deviacijskih obremenitev na vrednosti pospeškomera v Z-osi pri vrtilnih hitrostih od 112 vrt./min do 113 vrt./min za pralni stroj ASKO 75 Professional. Ventil 1 / 2022 • Letnik 28 Viri [1] Di Paolo Emilio, M. (2021). »The future of Avtomotive: Electronics and EVs«, v EE Times Europe. [2] Rosenstein, A. (2021). »Izboljšanje delovanja pralnega stroja z uporabo pospeškomera«. Diplomsko delo, Maribor: Univerza v Mar- iboru, FERI – Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko. [3] Habjanič Doler, I. (2006). »Vpliv različnih rit- mov mencanja na pralni in izpiralni učinek«. Diplomsko delo, Maribor: Univerza v Maribo- ru, FKKT – Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo. NAPREDNI KRMILNI SISTEMI 45 Slika 10 : Rezultati analize vpliva deviacijskih obremenitev na vrednosti pospeškomera v Z-osi pri določenih vr- tilnih hitrostih za pralni stroj ASKO 85 Domestic A setting of accelerometer's parameters for prevention of impacts and movements of washing machines at low rotational speed of drum Abstract: Nowadays, vibrations are listed as among the most difficult challenges in the research and development of washing machines. This paper shows the method and procedure of setting up parameters for im- provements of the performance of the washing machine by implementing the accelerometer. In the very beginning, an overview of the state of the art and the theoretical basis related to the operation of accel- erometer and washing machines were presented. In the next sections, the method and the result of the research were analysed in more detail. A mechanical and an electrical specification and an experimental accelerometer validation were given for three different types of washing machines, including, an output of research were accelerometer’s limits to prevent the washing machine from being hit or bounced. The result included a comparison of figures for different washing machines depending on the operation con- ditions during measurements. Keywords: Washing machine, accelerometer, vibration, eccentric mass, deviation load