KRACHTENANALYSE D.M.V. FEM

XIOS HOGESCHOOL LIMBURG DEPARTEMENT INDUSTRIELE WETENSCHAPPEN EN TECHNOLOGIE

KRACHTENANALYSE D.M.V. FEM

Olivier BISOUX

Afstudeerwerk ingediend tot het behalen van het diploma van industrieel ingenieur in elektromechanica optie automatisering master in de industriële wetenschappen: elektromechanica Promotoren: ing. E. Stinkens (ANL Plastics NV) ing. C. Hendrickx (XIOS Hogeschool Limburg)

Academiejaar 2004 - 2005

XIOS HOGESCHOOL LIMBURG DEPARTEMENT INDUSTRIELE WETENSCHAPPEN EN TECHNOLOGIE

KRACHTENANALYSE D.M.V. FEM

Olivier BISOUX

Afstudeerwerk ingediend tot het behalen van het diploma van industrieel ingenieur in elektromechanica optie automatisering master in de industriële wetenschappen: elektromechanica Promotoren: ing. E. Stinkens (ANL Plastics NV) ing. C. Hendrickx (XIOS Hogeschool Limburg)

Academiejaar 2004 - 2005

Inhoudsregister Voorwoord

6

Abstract

7

Lijst van gebruikte afkortingen en symbolen

8

1.

Inleiding

4

2.

ANL Plastics

5

3.

4.

5.

6.

2.1.

Historiek

5

2.2.

Nadere kennismaken met ANL Plastics

7

2.3.

Divisies

8

Productieproces

13

3.1.

Extrusieproces

13

3.2.

Vacuümvormproces

15

Beschrijving van de vacuümvormmachine

17

4.1.

Folie-afroller

18

4.2.

Voorverwarming

18

4.3.

Folieketting

19

4.4.

Vuren

20

4.5.

Vormstation

21

4.6.

Tussenstation

23

4.7.

Stanstation

23

4.8.

Stapelaar

25

4.9.

Afvalkader-oproller

25

4.10.

Snijmes

26

4.11.

Stuurkast

26

Beschrijving van het probleem (probleemstelling)

27

5.1.

De vacuümvormmachine

28

5.2.

Het vacuümvormproces

29

5.3.

Het vormstation

29

5.4.

Conclusie

35

Glijlagers

36

6.1.

Functie en werking

36

6.2.

Opmerking

43

6.3.

Conclusie

43

7.

Basisprincipes EEM

44

8.

Materiaaleigenschappen van de componenten

55

9.

8.1.

Inleiding

55

8.2.

Overzicht van de componenten

55

8.3.

Componenten

56

Procesparameters

62

9.1.

Inleiding

62

9.2.

Procesparameters

62

9.3.

Besluit

66

10. EEM-analyse

67

10.1.

Inleiding

67

10.2.

Het bovenste en onderste kniegewrichtensysteem

68

10.3.

De bovenen ondertafel

76

10.4.

De bovenste en onderste middentafel

80

10.5.

Conclusie

85

11. Algemeen besluit

87

AANHANGSEL A: FIGUREN

88

LITERATUUROPGAVE – REFERENTIES

125

BIJLAGE A

126

Smering

127

Smeermiddeltypen

130

Smering bij glijlagers

133

BIJLAGE B

136

BIJLAGE C

154

Voorwoord De laatste etappe voor het behalen van het diploma industrieel ingenieur elektromechanica optie automatisering aan de XIOS Hogeschool Limburg is het maken van een eindverhandeling. Vooraleer over te gaan naar de eigenlijke beschrijving, zou ik toch even een woord van dank willen uitspreken aan een aantal personen. Het is mede dankzij hun hulp dat ik deze opdracht tot een goed einde heb kunnen brengen. Op de eerste plaats wil ik mijn ouders bedanken die mij de mogelijkheid hebben gegeven om deze studies aan te vatten en tot een succesvol einde te brengen. Vooral hun morele steun was voor mij van onmiskenbaar belang. Vervolgens zou ik mijn promotoren ing. Eric Stinkens (ANL Plastics NV) en ing. Chris Hendrickx (XIOS HL) willen bedanken voor het aanbieden van deze fascinerende opdracht en voor de uitstekende begeleiding tijdens het project. Verder wil ik ook al de mensen van ANL Plastics NV en al de docenten van XIOS Hogeschool Limburg bedanken voor de technische hulp die ze mij verschaft hebben.

Abstract ANL Plastics NV produceert thermoformproducten op maat voor de klant. Ze zijn Europa’s grootste fabrikant inzake thermoforming, met de hoofdzetel in Wellen (België) en een vestiging in Cahors (Frankrijk). In het huidige productieproces worden een deel van hun afgewerkte producten gevormd door een aantal vacuümvormmachines. Deze machines bestaan uit een kniegewrichtensysteem. Ondanks dat deze machines goed onderhouden worden, komen er toch regelmatig ernstige problemen voor. Problemen zoals bronzen bussen die scheuren, kolommen die begeven en bouten die breken. Met als gevolg dat men dikwijls de productie moet stilleggen om het euvel te verhelpen. Voor een bedrijf gelijk ANL Plastics NV kan men deze problemen eigenlijk niet veroorloven. Daarom kwam de vraag naar mij om eens uit te pluizen naar de oorzaken van deze problemen. In de opleiding van industrieel ingenieur elektromechanica wordt de Eindige Elementen Methode gedoceerd en wordt er kennisgemaakt met een aantal 3D-pakketten. En het eerste doel is dan ook deze theorie toe te passen in de praktijk. Wat kan het programma doen en komen de resultaten overeen met de werkelijkheid. Als tweede doel is voor ANL Plastics NV om een duidelijk inzicht te krijgen in de krachtverdeling in de machine. Aanvankelijk is er dus een beschrijving van de onderdelen van de vacuümvormmachine. De specifieke onderdelen, waar de problemen zich voordoen, worden hier uitgebreid besproken. Vervolgens zal er dieper worden ingegaan op de problemen die zich regelmatig voordoen. Aan de hand van het 3D-pakket SolidWorks worden dan de onderdelen gepresenteerd en onderworpen aan CosmosWorks, het eindige elementen rekenprogramma. De resultaten worden hier uitvoerig besproken en weerlegd. Nadien wordt er nog een kleine vergelijking gemaakt met de werkelijkheid en met de nieuwe generatie van vacuümvormmachines.

Lijst van gebruikte afkortingen en symbolen

Afkortingen en symbolen

Betekenis

AISI

American Iron and Steel Institute

ANL

Alfons Neven Lemmens

AGV

Automatisch Gestuurd Voertuig

CAD

Computer Aided Design

CAM

Computer Aided Manufacturing

d.m.v.

Door middel van

d.w.z.

Dat wil zeggen

EFP

External Food Packaging EFP

enz.

Enzovoorts

EVOH

Ethylene Vinyl Alcohol

F.E.M.

Finite Element Methode

GUI

Gebruikersinterface

HACCP

Hazard Analysis and Critical Control Point

HDPE

High Density Polyethylene

IFP

Internal Food Packaging

ISO

International Organisation for Standardization

m.a.w.

Met andere woorden

nl.

Namelijk

NV

Naamloze Vennootschap

PET

Polyethyleen

PP

Polypropyleen

PS

Polystyreen

PVBA

Personenvennootschap met Beperkte Aansprakelijkheid

SAE

Society of Automotive Engineers

tem.

Tot en met

t.o.v.

Ten opzicht van

Inleiding

1.

4

Inleiding

Als kers op de taart, moet een afstuderend ingenieur aan een hogere technische school, een eindwerk maken. Hij moet laten blijken dat hij, met de technische bagage die hij verkregen heeft, een probleem kritisch kan analyseren, verwerken en oplossen. Na een lange zoektocht heb ik een interessante, uitdagende opdracht gevonden bij het Belgische ANL Plastics NV in Wellen. Dit bedrijf is gespecialiseerd in het maken van thermoform-producten naar de wensen van de klant. In het huidige productieproces worden een deel van hun afgewerkte producten gevormd door een aantal vacuümvormmachines. En deze machines hebben het probleem dat ze regelmatig stuk gaan. Met de technische kennis die ik heb opgedaan in het vak modelvorming en simulatie, waar ik ondermeer heb kennis gemaakt met een aantal 3D-pakketten en de Eindige Elementen Methode, moet ik kunnen nagaan naar de oorzaak van deze problemen. Het is misschien dan wel maar een klein onderdeel in mijn opleiding, maar het heeft mij toch de nodige interesse opgewekt.

Olivier Bisoux

industrieel ingenieur EM – Aut.

ANL Plastics

2.

5

ANL Plastics 2.1. Historiek

1915: Alfons Neven, de stichter Alfons Neven-Lemmens (ANL) startte in 1915 zijn bedrijf op in het dorpje Herten. Hij installeerde er, op het langslopende riviertje de Herk, zijn watermolen om graan te malen. Figuur 2.1: Houtzagerij

De evolutie Deze molen fungeerde later als krachtbron voor zijn zaagmachines. Alfons Neven vervaardigde inmiddels houten kratten voor de fruittelers en brouwerijen in de omgeving.

1938: de bestendiging De Alfons Neven houtzagerij krijgt het statuut van P.V.B.A. en wordt ingeschreven bij de Handelsrechtbank in Tongeren, onder de naam A. Neven-Lemmens PVBA. Zijn zonen Armand en Jozef nemen later het bedrijf over en zetten de familietraditie als producent van houten verpakkingen verder tot in 1958.

1958: het champignonbakje … thermoform in opmars Onder impuls van Armand Neven wordt in 1958 de eerste thermoformmachine geïnstalleerd en doet het befaamde, blauwe champignonbakje zijn intrede als eerste thermoformproduct. De naam van het bedrijf wordt ANL Plastics. Vanaf dit moment gaat het zijn nieuwe koers varen en kiest resoluut voor de productie van uitsluitend thermoformproducten. Armand Neven zal in 1976 ook de bezieler worden van Sentinel Foam (nu Pactiv) en in 1982 van Sentinel Computer (nu Care4Data).

ANL Plastics

6

Ondertussen evolueert ANL Plastics snel:

1963: aanvang eigen extrusie van folies;

1974: installatie van eerste volautomaat;

1977: opstarten van de afdeling recyclage;

1986: volledig automatiseren van de matrijzenbouw (CAD CAM);

1988: de kaap van 1 miljard BEF omzet wordt overschreden;

1991: oprichting van ANL France;

1992: ANL Plastics behaalt het ISO 9002 certificaat;

1994: ANL Plastics behaalt nu ook ISO 9001 en HACCP;

1997: automatisering van het intern transport (AGV);

2001: ANL Plastics wint de "Oscar de l'emballage";

2002: momentopname van een groeidynamiek;

2003: nog steeds een expansief familiebedrijf.

Figuur 2.2: Champignonbakje

ANL Plastics produceert nu ruim 2,3 miljard thermoformproducten voor klanten in meer dan 20 landen. ANL realiseert een omzet van 65 miljoen €. De onderneming is nog steeds een onafhankelijk familiebedrijf, geleid door Jean Neven, de kleinzoon van stichter Alfons Neven.

Olivier Bisoux


ANL Plastics

7

2.2. Nadere kennismaken met ANL Plastics ANL Plastics is Europa's grootste fabrikant van thermoformproducten op maat, met hoofdzetel in Wellen (België) en een vestiging in Cahors (Frankrijk).

De ANL Plastics groep: Figuur 2.3: ANL Plastics NV

1.

heeft een bedrijfsoppervlakte van 43.500 m²;

2.

verwerkt 28.000 ton grondstoffen;

3.

heeft meer dan 400 medewerkers in dienst;

4.

produceert ruim 2 miljard gethermoformeerde eenheden;

5.

realiseerde in 2002 een omzet die de 60 mio € overschrijdt.

ANL Plastics bedient zijn klanten vanuit 4 gespecialiseerde divisies voor:

Internal Food Packaging;

Retail;

External Food Packaging;

ANL Techniforms.

Zij ontwikkelen elke verpakking waaraan de klant behoefte heeft, extruderen hun eigen folies, maken hun matrijzen en produceren hun verpakkingen op 75 thermoformingmachines.

Olivier Bisoux


ANL Plastics

8

ANL Plastics opereert hierbij als volledig geïntegreerd bedrijf met:

Een eigen laboratorium (grondstoffen en afgewerkte producten);

Een verpakkingsontwikkelingsafdeling;

Eigen matrijzenbouw;

Opslag van matrijzen (5.000 matrijzen);

Een autonome extrusieafdeling met 7 extruders;

Thermoforming (75 machines);

Een drukkerij (2 drukpersen);

Een recyclage afdeling (3 lijnen);

Een opslagruimte voor meer dan 10.000 pallets. 2.3. Divisies

Nagenoeg 85% van hun producten zijn op maat gemaakt. ANL Plastics is daarvoor volledig geïntegreerd. Zij stellen de klant hun eigen research ter beschikking, produceren zelf hun matrijzen, extruderen hun eigen folies, en leveren finaal uw gethermoformeerd eindproduct. Precies op maat van de wensen van de klant en volgens de klant zijn directieven. ANL Plastics concretiseert deze hele knowhow via 4 geïntegreerde divisies: 1. Internal Food Packaging (IFP)

ANL Plastics voorziet hun klanten van op maat geconcipieerde thermoformverpakkingen voor de meest diverse branches: biscuits, chocolade, banket & snacks, ijs, zuivelproducten en diverse diepvriesproducten. 2. Retail

ANL Plastics biedt de beste verhouding van prijs en kwaliteit inzake eenmalige verpakkingen voor de groothandel en de grootdistributie 3. External Food Packaging (EFP)

ANL Plastics is de Europese referentie voor het ontwerpen en produceren van verpakkingen voor allerhande versproducten zoals: groenten, fruit, catering & bereide maaltijden, vis en vlees. Olivier Bisoux


ANL Plastics

9

4. ANL Techniforms

ANL Plastics ontwikkelt en produceert niet alleen thermoformoplossingen voor het verpakken van Non Food-producten zoals transportverpakkingen, consumentenverpakkingen, schokwerende verpakkingen, … Daarnaast ontwerpt en levert ANL Plastics eveneens gethermoformeerde onderdelen voor fabrikanten met producten in de meest diverse sectoren.

2.3.1. Internal Food Packaging (IFP)

ANL Plastics is reeds jarenlang adviseur en toeleverancier van de voedingsindustrie, zowel voor klanten die op nationale als op internationale markten opereren. Producenten uit de meest diverse voedingssectoren doen een beroep op ANL Plastics bij het ontwerpen en produceren van hun specifieke verpakkingen: biscuits, chocolade, banket & snacks, ijsroom, zuivelproducten en diverse diepvriesproducten.

Figuur 2.4: Biscuitverpakking

ANL Plastics heeft als onafhankelijk bedrijf alles in eigen huis om deze producten tot een goed einde te brengen:

Een eigen ontwerpafdeling die met de klant meedenkt gedurende de hele ontwikkelingsfase van het volledige verpakkingsconcept.

Specialisten in elk deelgebied die geïntegreerd werken.

Een eigen dienst voor het ontwerpen, bouwen en onderhouden van matrijzen.

Extrusie in eigen beheer van PP, PET en PS in verschillende diktes, kleuren en samenstellingen.

Naast het gebruik van eigen folies de mogelijkheid om coextrusie- en barrièrefolies te verwerken.

Een omvangrijke en flexibele capaciteit aan thermoformmachines in onze bedrijven in België en Frankrijk.

Olivier Bisoux


ANL Plastics

10

Deze volledige integratie van mensen en middelen laat ANL Food Packaging toe om maatwerk af te leveren dat precies beantwoordt aan de wensen van de klant.

2.3.2. Retail

ANL Disposables is specialist in het produceren en verdelen van een weldoordacht en kwalitatief hoogwaardig gamma disposables. De klant beschikt hiermee over verpakkingsoplossingen voor een breed scala producten zoals vleeswaren, groenten & fruit, bereide gerechten, … De meeste disposables zijn vervaardigd uit PP en dus geschikt voor de microgolfoven.

Figuur 2.5: Fruitverpakking

Hun basisgamma is leverbaar uit voorraad en wordt via een performant netwerk van verdelers op de markt gebracht.

2.3.3. External Food Packaging (EFP)

ANL Plastics biedt u een brede waaier verpakkingsoplossingen aan, waarmee de klant verse producten en bereide maaltijden presenteert. Zij overleggen samen met de klant de keuze van aangewezen materialen zoals PP, PET, PS of andere laminaatsoorten (PP / EVOH / PE, PET/PE, …) De oplossingen Wij kunnen uw verpakkingsbehoeften op twee manieren oplossen: 1. Standaardgamma 2. Maatwerk

Olivier Bisoux


ANL Plastics

11

Hun klantensectoren 1. Vleesproducten

-

Visproducten

11.1.1.1.

Figuur 2.6: Vlees- en visverpakking 2. Catering

-

Groenten en fruit

Figuur 2.7: Catering- , groenten- en fruitverpakking

2.3.4. ANL Techniforms

De Non Food divisie is één van de meest recente divisies van ANL Plastics voor hoofdzakelijk 4 productgroepen: 1. Schokwerende verpakking a. Transportverpakking b. Consumentverpakking c. Technische onderdelen

Figuur 2.8: Speelgoedverpakking

Materialen en productie ANL Plastics kiest de materialen steeds in functie van de behoefte van de klant: PP, PS, HDPE, PET en PVC met of zonder antistatische eigenschappen. Het productieproces verloopt in een stofarme omgeving. Kwaliteit primeert steeds op kwantiteit. Olivier Bisoux


ANL Plastics

12

Internationale verkoopsorganisatie De Non Food divisie wordt ondersteund door een internationale verkoopsorganisatie. Indien de klant dit wenst kan ANL Plastics globale aankopen coördineren. ANL Non Food Thermoforming

Solutions

maakt

hierbij

waterdichte

afspraken

en

legt

samenwerkingsverbanden met diverse partners in Europa, Noord Amerika en Zuidoost Azië. Op deze wijze bieden zij de juiste service en leveren hetzelfde hoogwaardig kwalitatief product aan klanten die op de wereldmarkt actief zijn.

Competitief sterk De Non Food divisie levert aan gerenommeerde klanten zoals: IBM, Iomega, Bosch, Honeywell en vele andere. Met zijn geavanceerde ontwikkelingsafdeling, zijn uitgesproken klantgerichte service en zijn uitstekend productieapparaat reikt ANL Non Food Thermoforming Solutions steeds opnieuw de meest geschikte oplossing aan. ANL Plastics brengt daarbij zijn jarenlange ervaring in met andere sectoren, waar productiesnelheid en korte omsteltijden uiterst belangrijk zijn. Met dit totale pakket aan knowhow stelt ANL Non Food Thermoforming Solutions zich bijzonder competitief op.

Olivier Bisoux


Productieproces

3.

13

Productieproces

Voor het maken van thermoformproducten zijn er twee elementen noodzakelijk, nl. een kunststoffen folierol en een gepaste matrijs in het vacuümvormproces. Het productieproces bij ANL Plastics NV van thermoform-producten is dan ook opgesplitst in 2 deelprocessen. Enerzijds bestaat er een extrusieproces, waar men vertrekt van een gekorrelde massa voor het maken van kunststof folierollen, anderzijds is er een vacuümvormproces. In het vacuümvormproces krijgen deze kunststoffen folierollen met behulp van de bijpassende matrijs hun eigenlijke vorm, met als resultaat het eindproduct, de thermoformproducten. 3.1. Extrusieproces In het vacuümvormproces wordt er dus gebruik gemaakt van kunststoffen folierollen voor het vormen van diepgetrokken verpakkingen. De gebruikte foliematerialen zijn PP, PET en PS. Deze folierollen worden in de extrusie-afdeling gefabriceerd.

3.1.1. Principe

Wat gebeurt er nu in de extrusie-afdeling? Extruderen. Met behulp van een machine met een of meer transportschroeven, de extruder genoemd, worden de gekorrelde geplastificeerde

kunststoffen

in

een

folierol

geperst.

Het

is

m.a.w.

een

vervaardigingsprocédé waarbij plastisch materiaal onder hoge druk en in een verwarmde toestand uit een opening wordt geperst. Het gevormde product wordt ook wel smelt genoemd. Bijna al deze smelten hebben hoge temperaturen met een bereik van circa 100 tot 330 graden Celcius. Deze temperaturen zijn natuurlijk afhankelijk van het gebruikte type kunststof.

Productieproces

14

Schema 3.1: Extrusieproces

De gekorrelde massa zal eerst in een droger gedroogd worden om ze vochtvrij te maken. Dit is alleen van toepassing bij bepaalde PET soorten. De gedroogde korrels zullen vervolgens naar een extruder gaan. De extruder bestaat uit een metalen cilinder met daarin een ronddraaiende metalen schroef. Deze schroef heeft windingen waardoor de kunststof loopt. De cilinder is vervaardigd uit speciaal dikwandig staal om de hoge druk (tot ca 2000 bar) die ermee gepaard gaat, te weerstaan en heeft een vulopening waarop een trechter is geplaatst. Meestal is de cilinder elektrisch verwarmd waardoor de kunststof smelt. Aan het einde van de extruder is een spuitmond waaruit de folie wordt gespoten. Extruders dienen een homogene smelt te produceren en natuurlijk een opbrengst (output) te bezitten. Bij ANL Plastics NV past men gietextrusie toe als extrudeermethode. Gietextrusie is bij folieverwerking in de Benelux niet gebruikelijk. Men spreekt meestal over vlakfolie of over cast film. Men perst de smelt door een zogenaamde vlakfoliekop (spuitmond) waarvan de breedte kan variëren tussen circa 2 en 4 m. Vanuit een rond aansluitstuk wordt de smelt verdeeld tussen twee min of meer vlakke platen. Uit een spleet van ongeveer 0,5 tot 1 mm komt de smelt dan op een koelwals. De afstanden van de spleetopening van de vlakfoliekop tot de koelwals variëren van circa 2 tot 20 cm, afhankelijk van het te verwerken type kunststof. Eenmaal de smelt op de koelwas terecht komt, gaat deze vrijwel meteen over in de vaste fase. Op de koelwals zijn de randen van de folie gegolfd en niet uniform van dikte. Deze randen worden door messen afgesneden en door een randstrip Olivier Bisoux


Productieproces

15

wikkelaar opgerold voor herverwerking. De snelheid van de ronddraaien koelwals bepaalt de dikte van de folie. Vervolgens wordt de foliedikte door een meetkop gemeten. Hierna wordt de folie verder geleid en opgewikkeld. Deze kunststoffen gebruikt men dan als laminaat op andere kunststoffen. 3.2. Vacuümvormproces Bij het vacuümvormproces wordt de dunne kunststoffen folie verwarmd en vervolgens in een vormstuk (matrijs) gezogen, waardoor de productvorm ontstaat. Na afkoeling heeft het product zijn vaste vorm, waarna de nabewerking kan plaatsvinden.

3.2.1. Werking

Schema 3.2: Vormproces Olivier Bisoux


Productieproces

16

Bij ANL Plastics NV produceert men zelf de folierollen in de extrusie-afdeling. Door een AGV

worden

deze

rollen

aangevoerd

naar

de

folierol-afroller

van

de

vacuümvormmachine. Hier worden ze door de machineoperator of door een daartoe aangewezen persoon doorheen de kettingbaan geleid. De folie wordt eventueel verwarmd tot een ingestelde temperatuur door de voorverwarming. Deze voorverwarming is enkel nodig bij het vormen met PP folie. Na de voorverwarming wordt de folie door de vuren stelselmatig opgewarmd, tijdens het transport naar het vormstation, totdat deze de juiste verwerkingstemperatuur heeft. hierdoor wordt de folie ook uitgerekt. Vervolgens komt de folie in het vormstation aan waar de verwarmde folie getransformeerd wordt tot een aantal eindproducten die aan elkaar hangen. In het vormstation liggen de matrijs, die de vorm van het eindproduct bepaald, en de drukbox. Op de matrijs wordt de vacuümleiding aangesloten en op de drukbox de persluchtleiding. De matrijs en de drukbox kunnen zowel aan de bovenkant als onderkant in het vormstation liggen. Na het vormstation wordt er eventueel gebruik gemaakt van een tussenstation. Het tussenstation bevindt zich in sommige machines tussen het vormstation en het stansstation en dient meestal om gaten te ponsen in het eindproduct. In het stansstation, dat zich na het tussenstation of wanneer men geen gebruik maakt van het tussenstation na het vormstation bevindt, worden de verschillende eindproducten op enkele punten na losgesneden uit het folievel, waardoor het product blijft hangen in de afvalkader. Het stansstation bestaat uit een kapblok en een mes. Na het stansstation worden in de stapelaar de uitgestanste producten op elkaar gestapeld tot verpakkingseenheden waarna ze door een machineoperator in een doos worden verpakt. De verpakkingen worden dan getransporteerd naar eigen magazijn of naar de klant. De afvalkader waarin de uitgestanste producten zich bevinden wordt na de stapelaar door een foliekader-oproller opgerold. Deze folieresten worden dan in een afvalcontainer of restafvalbak geplaatst voor de recyclage van de folie.

Olivier Bisoux



4. In

17

Beschrijving van de vacuümvormmachine de

vacuümhal

van

ANL

Plastics

NV

bevinden

zich

verschillende

vacuümvormmachines. Het grootste aandeel van de machines zijn Amerikaanse machines van het bedrijf Sencorp. Er zijn ook een aantal machine van het merk Gabler, die fundamenteel van de Amerikaanse machines verschillen. De beschrijving van de vacuümvormmachine die volgt, zal volgens de volgorde van het productieproces beschreven worden.

Figuur 4.1: Vacuümhal


18

4.1. Folie-afroller 4.1.1. Functie

Een geautomatiseerd gestuurd voertuig brengt een bepaalde rol folie voor de bestemde vacuümvormmachine aan. Via een hijssysteem wordt de folie vervolgens op zijn folieafroller gebracht.

Figuur 4.2: Folie-afroller

4.2. Voorverwarming Afhankelijk van de foliesoort en het gewenste product zal dit onderdeel al dan niet gebruikt worden. Het toestel dat mobiel staat opgesteld, bestaat uit twee helften die gescharnierd zijn. De bovenste helft staat vast. Indien men geen gebruik van het voorverwarmingstoestel wenst te maken, kan men de onderste helft openklappen.

Figuur 4.3: Voorverwarming

Olivier Bisoux



19

4.2.1. Functie

De voorverwarming heeft de bedoeling de aangebrachte folie op te warmen tot een bepaalde gewenste temperatuur. Het gevolg van deze voorverwarming is dat de folie vrij kan uitzetten. Dit procédé wordt vooral toegepast bij PP-folie. 4.3. Folieketting Functie De functie van de kettingbaan is het verzorgen van het transport van de folie doorheen de machine met de gewenste stapgrootte. De ketting zal er ook voorzorgen dat de folie uitgerekt wordt tijdens de verwarming.

Figuur 4.4: Folieketting

Olivier Bisoux



20

4.4. Vuren 4.4.1. Functie

De vuren zorgen voor een stelselmatige opwarming van de folie tijdens het transport doorheen de machine voor een ideale werkingstemperatuur te bekomen. Mede dankzij de folieketting wordt de folie uitgerekt.

Figuur 4.5: Vuren

De temperatuur van het vuur kan bij de gecomputeriseerde machines via de computer geregeld worden. Bij de andere machines gebeurt de regeling door temperatuurregelaars die zich in de deur van de elektrische kast bevinden.

Figuur 4.6: Temperatuurregelaars

Olivier Bisoux



21

4.5. Vormstation 4.5.1. Functie

In het vormstation wordt de verwarmde folie door een matrijs in een bepaalde vorm gedrukt. Afhankelijk van de gewenste vorm wordt er een andere matrijs gemonteerd. Deze matrijzen worden op maat gemaakt binnen ANL Plastics NV.

Figuur 4.7: Vormstation

4.5.2. Werking

Het vormstation bestaat uit een matrijs en een drukbox, die samen een gesloten geheel kunnen vormen. De matrijs en de drukbox worden elk apart op en neer verplaatst via kniegewrichten, die aangedreven worden door een pneumatische cilinder of door een servomotor. Het instellen van de snelheid van het sluiten en het openen van de matrijs en de drukbox heeft een grote invloed op het vormingsproces. De folie wordt door een sluitrand, die bevestigd is op de matrijs, geklemd tussen matrijs en drukbox. Hierdoor ontstaat een hermetisch afgesloten geheel. Vervolgens wordt de folie door vacuüm aangezogen naar de matrijs en door de ingeblazen perslucht, langs de zijde van de drukbox, in de matrijs gedrukt.

Olivier Bisoux



22

Figuur 4.8: Matrijs

De ontwikkelde warmte tijdens de vorming wordt afgevoerd door een koelcircuit. Dit gebeurt door stromend koud water of temperatuurgecontroleerd water via een moldtrol doorheen de drukbox te laten pompen. Het vormstation heeft een sluitkracht van 25 ton en fungeert als vertrekpunt voor de afstelling van latere bewerkingen. Het vormstation bezit ook de mogelijkheid om verplaatst of gedraaid te worden. De matrijs en de drukbox worden door een takel in het vormstation aangebracht. De matrijs is uit aluminium vervaardigd. Deze wordt eerst gegoten om vervolgens door een CNC freesmachine in de gewenste vorm te worden gefreesd.

Olivier Bisoux



23

4.6. Tussenstation 4.6.1. Functie

In sommige machines bevindt zich tussen het vormstation en het stansstation, het tussenstation. Dit dient voornamelijk om gaten te ponsen in het eindproduct.

4.6.2. Werking

De werking van het tussenstation is vergelijkbaar met dat van het vormstation. Het tussenstation is eveneens verstelbaar, dit om een juiste positionering te verkrijgen om de gaten van het eindproduct optimaal te ponsen. 4.7. Stanstation 4.7.1. Functie

In het stansstation worden de verschillende afgewerkte producten op enkele plaatsen losgesneden van de folie, zodat het product blijft in de afvalkader.

Figuur 4.9: Stansstation

Olivier Bisoux



24

4.7.2. Werking

Mechanisch gezien is het stansstation analoog opgebouwd zoals het vormstation. Om de nodige kracht te kunnen ontwikkelen, bepaald door de totale te snijden lengte, is hier een ‘hoge druk’ – systeem voorzien. Dit gebeurt door zogenaamde drukvermenigvuldigers. Bepaalde machines zijn dan van een hydraulische groep voorzien.

Figuur 4.10: Ventiel

Op de ondertafel ligt steeds een kapblok die in verschillende soorten verkrijgbaar is:

Kapblokken die samengesteld zijn uit verschillende geslepen latten en blokken;

Kapblokken die in hun geheel vervaardigd zijn;

Open kapblokken.

Langs de bovenkant hangt steeds een mes. Hierin heb je ook een aantal verschillende uitvoeringen:

Een vast mes;

Een zwevend mes.

Het eigenlijke snijden van de folie gebeurt door de totale ondertafel over een afstand van enkele millimeters op te lichten en tegen de bovenkant te drukken met een kracht die tot 100 ton kan gaan. Om betere snijding te verkrijgen wordt in sommige gevallen gebruik gemaakt van verwarming. Deze verwarming kan plaatsvinden door de messen rechtstreeks of onrechtstreeks te verwarmen. Het onrechtstreeks verwarmen gebeurt door een verwarmingsplaat. Olivier Bisoux



25

Bij bepaalde machines, zoals Swing – Gabler en Gabler, wordt er gevormd en gestanst in één bewerking. Dit heeft als gevolg dat we enerzijds een veel nauwkeurigere snijding krijgen, anderzijds een duurdere matrijs moeten vervaardigen. 4.8. Stapelaar 4.8.1. Functie

In de stapelaar worden de uitgesneden producten op elkaar gestapeld tot verpakkingseenheden.

Figuur 4.11: Stapelaar

4.9. Afvalkader-oproller 4.9.1. Functie

Op deze afvalkader – oproller worden folierestanten (afvalkader) opgerold, zo kan men dit eenvoudig afnemen voor het deponeren in de afvalcontainer.

Figuur 4.12: Afvalkader-oproller

Olivier Bisoux



26

4.10. Snijmes 4.10.1. functie

De functie van dit mes is de vellen door te snijden. Deze vervangt dan de stapelaar en de afvalkader-oproller. 4.11. Stuurkast 4.11.1. Functie

De stuurkast die voorzien is van een algemene aan/uit – schakelaar bevat een ingebouwde sturing. Alles wat beweegt aan de vacuümvormmachine wordt van hieruit aangestuurd. Een bedieningskast bevat dan weet de nodige knoppen om de machine te bedienen. In sommige gevallen zijn de stuurkast en de bedieningskast geïntegreerd in één.

Figuur 2.13: Stuurkast

De computergestuurde machines hebben meestal een aparte kast met daarin een computer en een bedieningspaneel.

Olivier Bisoux


Beschrijving van het probleem

5.

27

Beschrijving van het probleem (probleemstelling)

Het probleem situeert zich in de grote productiehal van ANL Plastics NV. Ook wel de vacuümhal genoemd. Hierin staan een 70-tal thermoforming machines. Deze machines zijn ingedeeld in verschillende groepen, waarvan elke groep een bepaald type van machine vertegenwoordigt. Het zijn de machines van groep 100 waarbij er een groot aantal problemen voorkomen. De thermoformmachine bestaat uit verschillende onderdelen, waaronder het belangrijkste de vuren, het vormstation en het stansstation zijn. Concreet rijzen de problemen zich vooral bij het vormen van de producten en in mindere mate bij het versnijden van de gevormde producten van de folie. Hiervan uitgaand, zal het vormstation van naderbij bekeken worden. Op de vraag: “Waarom wordt het vormstation en niet het stansstation van naderbij bekeken?” kan het volgende geantwoord worden. Het vormstation is eigenlijk analoog aan het stansstation, met dit verschil dat er in het stansstation enkel versneden moet worden. En in het vormstation krijgt de aangevoerde folie, met behulp van matrijs en perslucht, de gewenste vorm. De onderdelen van dit vormstation worden eigenlijk dubbel belast. Eerst worden de kniegewrichten rechtgezet door een pneumatische cilinder en vervolgens wordt de folie door vacuüm aangezogen naar de matrijs en door de ingeblazen perslucht, langs de zijde van de drukbox, in de matrijs gedrukt. Er treden dan enorme krachten op die tegengesteld zijn aan de krachten voor het rechtzetten van de kniegewrichten. Met als gevolg dat zich hier geregeld problemen kunnen voordoen. Het verloop van het vacuümvormproces wordt in het volgende punt uitgelegd. De verschillende onderdelen van het vormstation komen aan bod. Waar heersen zich de meeste problemen?


28

5.1. De vacuümvormmachine Voor de duidelijkheid zal er een kort overzicht gegeven worden van de vacuümvormmachine.

Figuur 5.1: Vacuümvormmachine

1. Folierol 2. Afroller 3. Elektronisch oog voor afroller 4. Vormstation 5. Stansstation 6. Afvaloproller 7. Stapelaar Zoals op bovenstaande figuur is afgebeeld, kan er een goed beeld gevormd worden hoe de productie van de thermoformproducten gebeurt. Eerst wordt de folie dus van de folierol afgerold en in de vuren geleid. De folie wordt hier stelselmatig verwarmd. Dankzij deze verwarming wordt de folie week en kan de folie makkelijk gevormd worden. Vervolgens wordt de folie door de kettingbaan gedragen tot het vormstation. Hier wordt de folie in de matrijs gedrukt. De matrijs en de drukbox worden door twee afzonderlijke pneumatische cilinders respectievelijk naar onder en boven gedreven. Dit gebeurt zo goed als tegelijkertijd. Dan worden de gevormde producten met de kettingbaan naar het stansstation gevoerd. Hier worden de eindproducten op bepaalde punten versneden, zodat ze makkelijk uit het afvalkader kunnen losgemaakt worden. Tot slot worden de thermoformproducten door een stapelaar op elkaar opgestapeld en worden ze door een machineoperator in dozen verpakt. Het afvalkader wordt opgevangen door de afvaloproller. Olivier Bisoux



29

5.2. Het vacuümvormproces Het vacuümvormproces bevindt zich in het centrale deel van de vacuümvormmachine. Het is dan ook vanzelfsprekend dat het proces het meeste vitale onderdeel van de machine is. Hoe gaat dit vacuümvormproces nu zijn gang? Zoals eerder beschreven wordt de folie, afhankelijk van het gebruikte materiaal, tot een bepaalde temperatuur verwarmd. De folie is nu week en kan bijgevolg gemakkelijk een bepaalde vorm aannemen. Vervolgens wordt de folie hermetisch afgesloten en wordt ze in een welbepaalde vorm gedrukt. Met behulp van vacuüm en perslucht, met een werkdruk van 4 à 5 bar, wordt de folie in zijn geheel over de vorm geperst. De ontwikkelde warmte tijdens de vorming wordt afgevoerd door een koelcircuit. Dit gebeurt door stromend koud water of temperatuurgecontroleerde water via een moldtrol doorheen de drukbox te laten pompen. Het afgesloten geheel wordt terug geopend, en de gevormde folie wordt verder vervoerd via de kettingbaan. 5.3. Het vormstation Zowel in het vormstation als in het stansstation worden respectievelijk vormen geperst en vormen losgesneden via een kniegewrichtensysteem. De aandrijving van deze kniegewrichten gebeurt op twee manieren, ofwel via servomotoren ofwel met een pneumatische cilinder. Bij de machines van de groep 100 worden het kniegewrichtensysteem aangedreven door pneumatische cilinders. In het vormstation zijn er twee kniegewrichtensystemen, nl. boven en onder. Ze worden beide aangedreven door een aparte pneumatische cilinder. Bij het hermetisch afsluiten van de folie worden de kniegewrichten zo goed als gelijktijdig gestuurd.

Figuur 5.2: Kniegewrichtensysteem Olivier Bisoux



30

Voor een goed hermetisch afgesloten geheel te krijgen, zonder teveel slijtage, moeten de matrijs en de drukbox zeer nauwkeurig worden afgemaakt. En hier beginnen zich de problemen te stellen. Aangezien de folie zo snel mogelijk van de vuren naar het vormstation getransporteerd wordt, voor zoweinig mogelijk afkoeling te krijgen, is het nodig om een matrijs en een drukbox te bouwen die tegen de warmte-uitzetting is opgewassen. Dit zou natuurlijk problemen geven bij het hermetisch afsluiten van de folie. De matrijs en de drukbox worden op elkaar geduwd. En aangezien de voorkant bloot wordt gesteld aan de enorme warmte, waardoor het materiaal een beetje week wordt, kan het dus voorvallen dat de matrijs en de drukbox niet meer hermetisch afgesloten zijn. Met als gevolg dat de perslucht kan ontsnappen en folie niet naar behoren kan gevormd worden. Wat doen ze nu bij ANL Plastics? Er worden matrijzen gebouwd die aan de voorkant, iets meer materiaal hebben, m.a.w. ze worden in de hoogte voorzien van aantal bijkomende micrometers. Dit zou dan beter opgewassen tegen enorme warmte van de vuren, die een betere afsluiting geeft van de matrijs en de drukbox voor de goede vorming van de folie. Deze bijkomende aantal micrometers wijken natuurlijk af van de standaard instellingen, en dit gaat zich vanzelfsprekend wreken op een andere plaats. En dat is in het eerste geval het kniegewrichtensysteem. Waar het systeem vroeger makkelijk werd rechtgezet, moet men het tegenwoordig recht forceren. Met als gevolg dat er een aantal problemen ontstaan, zoals bronzen bussen die scheuren en stalen pennen die vervormen. Uiteraard gaat dit euvel zich ook verder verspreiden over de andere onderdelen, maar daar zal later nog iets over worden gezegd.

5.3.1. De onderdelen van het kniegewrichtensysteem

Het kniegewrichtensysteem bestaat uit 4 verschillende onderdelen. Voor een goed overzicht te kunnen hebben in het verdere verloop van deze verhandeling, is het wellicht handig om al deze onderdelen een naam te geven.

Olivier Bisoux



De onderdelen van het kniegewrichtensysteem zal als volg benoemd worden: 1. Kniegewricht type 1;

Figuur 5.3: Kniegewricht type 1

2. Kniegewricht type 2;


Olivier Bisoux


31


32

3. Kniegewricht type 3;

Figuur 5.5: Kniegewricht type 3 4. Kniegewrichten type 4;


Al deze onderdelen zijn vervaardigd uit hetzelfde materiaal, nl. gemodelleerd gietijzer. 5.3.2. De stalen pennen

Het zijn de stalen pennen die ervoor zorgen dat de kniegewrichten met elkaar verbonden worden en op die manier een kniegewrichtensysteem vormen. De verbinding kan pas tot stand komen indien de pen, in een van de kniegewrichten, geklemd wordt. En met behulp van de bronzen bussen kunnen de krachten dan van het ene kniegewricht naar het andere worden overgebracht.

Olivier Bisoux



33

Ze zijn vervaardigd uit gehard staal en zijn voorzien van een aantal smeergaten. Het zijn deze pennen die enorme krachten te verduren krijgen, met als gevolg dat ze het regelmatig wel eens begeven onder de vorm van ernstige vervormingen en in het slechtste geval breuken.

Figuur 5.7: Stalen pen

5.3.3. De bronzen bussen

De meeste kniegewrichten zijn uitgerust met de bijhorende bronzen bussen. En zoals eerder gezegd, dienen ze voor de overbrenging van de krachten. M.a.w. ze zorgen ervoor, indien er een kracht aangrijpt aan een kniegewricht, uitgerust met een bronzen bus, deze naar het andere kniegewricht, die de stalen pen vastklemt, kan overgebracht worden. Deze bronzen bussen bestaan uit het materiaal AMPCO 18. AMPCO 18 is niks minder dan een verkoopbenaming. Dit materiaal bestaat uit een legering van aluminium, koper, ijzer en nog aantal andere materialen. De bronzen bussen en de stalen pennen vormen samen de glijlagers. Bij glijlagers is er sprake van wrijving en om deze wrijving tot een minimum te beperken, moet men de glijlagers smeren. Zoals op de rechter afbeelding is te zien, zijn de bronzen bussen voorzien van een ringgroef. En aangezien de stalen pennen zwaar worden belast, geldt dit evenzo voor de bronzen bussen. Het zijn bussen, d.w.z. dat ze gemakkelijk scheuren en breuken kunnen voortonen. En zeker wanneer er slecht of te weinig gesmeerd wordt. Olivier Bisoux



34

Figuur 5.8: Bronzen bus

5.3.4. De boventafel

Zoals op figuur 5.2 is afgebeeld, is er een boventafel, een kniegewrichtensysteem en een middentafel te zien. Nu valt er over de middentafel eigenlijk weinig te vertellen, omdat er zich daar zo goed als geen problemen voordoen. En het kniegewrichtensysteem is al eerder besproken, dan blijft alleen nog de boventafel over. In het vormstation hebben een bovenen een onderkant, dus er is ook een ondertafel. En beide tafels zijn vervaardigd uit hetzelfde materiaal, nl. gemodelleerd gietijzer. De ondertafel rust in feite op het frame van de machine en heeft een grotere oppervlakte dan de boventafel. Het is mede dankzij de grotere oppervlakte en het feit dat de ondertafel wordt vastgemaakt aan het frame van de machine, dat er zich waarschijnlijk minder problemen voordoen. De boventafel is dus kleiner dan de ondertafel en is enkel vastgeschroefd aan de kolommen. En het kan wel eens voorvallen dat men een boventafel licht kan zien buigen. Dit wil zeggen dat er degelijk iets schort aan het vormsysteem. En is het uiteraard logisch dat bij de lichte buiging van de boventafel, de bouten die de boventafel aan de kolommen bevestigen, krachten gaan ondervinden en na verloop van tijd gaan breken. Heel zelden kan het voorkomen dat een van de kolommen breekt.

Olivier Bisoux



35

5.4. Conclusie In het vormstation zijn er eigenlijk vier onderdelen die regelmatig stuk gaan, dat zijn de bronzen bussen, de stalen pennen, de kolombouten, vooral die van de boventafel, en soms de kolommen zelf ook. Het vormstation is ook het station dat door mij nader onderzocht gaat worden. Voor een goed hermetisch afgesloten geheel te krijgen, zonder teveel slijtage, moeten de matrijs en de drukbox zeer nauwkeurig worden afgemaakt. Aangezien de matrijs en de drukbox vlak naast de vuren staan, is het nodig om een deze zo te bouwen dat ze tegen de warmte-uitzetting zijn opgewassen. Voor een goede vorming van de producten moet er dus een hermetisch afgesloten zijn. Bij ANL Plastics maken ze matrijzen en drukboxen met een grotere afwijking, die zal gaan over een aantal micrometers. Deze bijkomende aantal micrometers wijken natuurlijk af van de standaard instellingen, en dit gaat zich vanzelfsprekend wreken op een andere plaats. Dit zal zich dan ook verzetten naar het kniegewrichtensysteem, waar onder andere de bronzen bussen en de stalen pennen zich ook bevinden. De boventafel is dus kleiner dan de ondertafel en is enkel vastgeschroefd aan de kolommen. En is het uiteraard logisch dat bij matrijzen of drukboxen met kleine afwijkingen, dit zich gaat wreken tot bij de boventafel. En de bouten die de boventafel aan de kolommen bevestigen, gaan eveneens krachten ondervinden en na verloop van tijd breken.

Olivier Bisoux


Glijlagers

6.

36

Glijlagers 6.1. Functie en werking 6.1.1. Principe van de werking

Glijlagers zijn lagers waarbij relatieve beweging tussen as en lagerschaal, resp. een tussenmedium, een glijbeweging is. Volgens de manier waarop de draagkracht ontstaat, onderscheidt men hydrodynamisch en hydrostatisch werkende glijlagers. Hydrostatische glijlagers werken volgens het principe van de extern opgewekte druk, dat wil zeggen dat de noodzakelijke smeerfilmdruk buiten het lager door een pomp wordt opgewekt. Bij een dynamische (interne) drukopwekking wordt een dragende smeerfilm alleen opgewekt door de relatieve beweging tussen as en lagerschaal. In hybride lagers worden externe en interne drukopwekking gecombineerd, zoals bijvoorbeeld in glijlagers met hydrostatische startpomp. Een verder kenmerk is het dragende medium. Hierbij kan onderscheid worden gemaakt tussen gassen, oliën, vetten, water, vaste smeermiddelen, ferromagnetische suspensies en magnetische velden.

6.1.2. Wrijvingstoestanden

Bij alle lagers treden in de praktijk wrijvingskrachten op, tegengesteld aan de glijrichting. De hierbij ontwikkelde warmte moet als wrijvingswarmte worden afgevoerd. Bij de glijwrijving is tussen de bewegende delen geen, weinig of een voldoende hoeveelheid smeermiddel

aanwezig.

De

hoeveelheid

smeermiddel

bepaalt

niet

alleen

de

wrijvingstoestand, maar ook de slijtage. Het wrijvingsgedrag wordt door de wrijvingscoëfficiënt µ = FW / F voorgesteld. Dit getal drukt uit hoe groot de aan de beweging tegengesteld gerichte wrijvingskracht FW is in verhouding tot de lagerbelasting F (aandrukkracht). De waarde hangt niet af van de grootte

Glijlagers

37

van de contactvlakken, maar van de stoffelijke eigenschappen en de oppervlaktegesteldheid van de glijvlakken (ruwheidswaarden van de bewerkte glijvlakken). Bij een direct contact tussen de glijvlakken is een droge wrijving aanwezig. Absoluut droge glijvlakken leiden afhankelijk van de materiaalsoorten tot de wrijvingscoëfficiënt µ ≥ 0,3. De daarbij optredende slijtage neemt toe naarmate de vlakken ruwer worden. De slijtage is het begin van het vreten, waarbij de glijvlakken door de bij het contact optredende temperatuurstijging voortdurend worden beschadigd tot aan een stilstand van de beweging. Een geringe smering van de droge glijvlakken is al voldoende om de wrijving aanzienlijk te verminderen (grenswrijving µ < 0,3). De beste bescherming tegen beschadigingen van de glijvlakken en een hoge wrijving is het verhinderen van direct contact tussen de bewerkte glijvlakken. Dit wordt bereikt als in de glijruimte een smeermiddel (vast, vloeibaar, gasvormig) wordt aangebracht, dat de glijvlakken op basis van de lagerspeling zo ver uit elkaar houdt dat de droge wrijving verdwijnt. Als vloeibare worden toegepast, is er sprake van vloeistofwrijving als voor de som van gemiddelde ruwheidswaarden Rz en de golfdiepten (golving) Wt van de as en de lagerschaal geldt h0 ≥ ħ0 ≥ ∑(Rz + Wt). Door de scheidende smeerfilm kunnen naar gelang van de soort smeermiddel tot honderd maal kleinere wrijvingscoëfficiënten voorkomen, in het algemeen µ = 0,005…0,001. Bij vloeistofwrijving spelen de materialen van de glijvlakken ogenschijnlijk geen rol.

Figuur 6.1: Ruwheid van de glijvlakken

a. Bij droge wrijving: 1 lagerschaal, 2 as, 3 glijruimte, 4 slijtage; b. Bij vloeistofwrijving met scheidende smeerfilm; c. Ruwheid en draagaandeel Olivier Bisoux


Glijlagers

38

De scheiding van de glijvlakken en de daarmee gepaard gaande slijtagevrije loop is beter naarmate de oppervlakken minder ruw zijn oftewel de glijvlakken gladder bewerkt zijn. Na het aftoppen van de ruwe punten kan de kleinste spleethoogte h0 bij een volledige smering (vloeistofwrijving) zeer klein zijn, als bij een hoog draagaandeel voor de assen RzW ≤ 2 µm wordt aangenomen en voor ingelopen glijlagervlakken RzL ≤ 1 µm. De krachten die de glijvlakken uit elkaar houden, moeten in het smeermiddel waarmee de glijruimte gevuld is, werken. De smeerfilm die bij volkomen smering tussen de glijvlakken aanwezig is, moet de optredende lagerkrachten overdragen. Hiertoe moet door een passende vormgeving en beweging van de glijvlakken en/of de kracht in het smeermiddel een druk worden opgebouwd die de uitwendige krachten in evenwicht houdt. De noodzakelijke druk in het smeermiddel wordt onafhankelijk van de bewegingstoestand van de as door een pomp buiten het lager als hydrostatische druk geleverd. Deze perst het smeermiddel in de glijruimte, zodat daarin een drukveld ontstaat, dat bij een overeenkomstige opstelling en een voldoende hoge toevoerdruk de glijvlakken tot op de kleinste spleethoogte h0 uit elkaar gedrukt. Het is ook mogelijk dat de druk in de glijruimte zelf door opstuwing van het smeermiddel als hydrodynamische druk ontstaat. Dit gebeurt wanneer het aan de gijvlakken hechtende smeermiddel door de met een voldoende snelheid draaiende as wordt meegevoerd en in de nauwer wordende glijruimte wordt geperst. Hierdoor ontstaat een stijging van de druk in het smeermiddel en worden de glijvlakken tot h0 omhooggeduwd. Men onderscheidt daarom glijlagers met hydrostatische en met hydrodynamische smering. Als ten gevolge van een voldoende vloeistofdruk in het smeermiddel de glijvlakken onvolledig worden gescheiden, is er sprake van een halfdroge wrijving, dus een mengsel van droge en vloeistofwrijving met µ ≤ 0,1. afhankelijk van het aandeel van de droge wrijving treedt meer of minder slijtage op, zodat bij het bepalen van de wrijvingstoestand van de glijmaterialen nog enkele eisen aan de glij- en slijtageverhouding moeten worden gesteld. Bij gebruik van om het even welk smeermiddel moet tijdens bedrijf sprake zijn van vloeistofwrijving, opdat de glijlagers op de den duur bedrijfszeker werken. Het smeermiddel is dan het werkelijke dragende element.

Olivier Bisoux


Glijlagers

39

6.1.3. Hydrodynamische smering 1. Smeerwig

Hydrodynamische smering wordt voornamelijk bij glijlagers toegepast omdat deze smering geen extra inrichting vereist, en een geometrisch gunstige glijruimte eenvoudig kan worden geproduceerd. De mogelijkheid automatisch een oliefilmdruk in de glijruimte te veroorzaken en een draagvermogen te bereiken, berust op het gegeven dat de met smeermiddel gevulde glijruimte in de bewegingsrichting in de bewegingsrichting nauwer wordt. Evenals bij parallel geleide glijvlakken ontstaat in een wigvormige glijruimte ook een afschuifstroming. Als wordt aangenomen dat door iedere doorsnede van de glijruimte altijd een gelijke hoeveelheid smeermiddel stroomt, moet de gemiddelde snelheid van het smeermiddel v bij een vernauwing van de doorsnede toenemen en bij een verbreding afnemen. Het snelheidsverval D kan daardoor niet rechtlijnig over de spleethoogte verlopen. In het gebied van de vernauwing vertoont zich een meer convex

snelheidsverloop, bij verbreding een meer concaaf verloop, zoals in de figuur door vstreepjeslijnen weergegeven is.

Figuur 6.2: Hydrodynamische druk- en snelheidsverdeling

Olivier Bisoux


Glijlagers

40

Het snelheidsverval D verandert van laag tot laag en op basis daarvan ook de schuifspanningen τ = η · D, die de drukspanningen als gevolg van ophopingen door de vernauwing van de glijruimte (opstuwruimte) in evenwicht houden. De smeerfilmdruk p neemt tot vlak voor de kleinste spleethoogte h0 van het stuwveld tot pmax toe, daarachter weer af. In figuur 6.2 wordt de druk van het smeermiddel in het gebied van het opstuwveld door de dichtheid van de verticale arcering in de voorgesteld en het drukverloop p in de middelste langsdoorsnede gestippeld weergegeven. Uit het p-verloop volgt een constante gemiddelde druk pL worden de glijvlakken van elkaar geduwd, zodat de hydrodynamisch dragen bij vloeistofwrijving begint. Deze toestand hangt echter af van de maat h0 van de kleinste spleethoogte en van de ruwheid van de glijvlakken. Gunstige omstandigheden met betrekking

tot

de

draagkracht

en

de

wrijvingstoestand

gelden

bij

h0 / t ≈ 0,6 … 1,0.

2. Drukverdeling en draagvermogen

Bij een volledig omsloten radiaal glijlager onder inwerking van een lagerbelasting F ligt de as (2) in stilstand (n = 0) langs een mantellijn die gelijk is aan de breedte van het lager b in de lagerschaal (1). Door de lagerspeling s = dL - dW bedraagt de excentriciteit van het midden van de as O ten opzichte van het midden van de lagerboring M s/2. De met smeerolie gevulde glijruimte heeft een sikkelvormige doorsnede.

Figuur 6.3: Stand lager bij verschillend toerental

Als de as begint te draaien, probeert deze eerst onder invloed van de droge wrijving tegen de draairichting langs de lagerschaal omhoog te kruipen. Door de rotatie wordt echter via de hechting smeerolie in de sikkelvormige spleet tussen de as en de lagerschaal meegenomen. Hoe groter het astoerental n en dus de glijsnelheid u wordt, des te meer olie

Olivier Bisoux


Glijlagers

41

wordt toegevoerd naar de smeerspleet die in de draairichting nauwer wordt. Door opstuwingen neemt ook de hydrodynamische druk p toe, die de as optilt en tegen de lagerbelasting in werkt. De wrijving neemt af; nu wordt het gebied van de halfdroge wrijving doorlopen. Komt de as boven de maat h0 ≥ ħ0, dan ontstaat de vloeistofwrijving. Daarbij wordt het midden van de as O in de draaizin uit het midden van de lagerboring verplaatst, zodat de excentriciteit e = s/2 – h0 ten opzichte van de rustpositie afneemt. Bij verder toenemende toerental n nadert het asmidden O (afgezien van extra bewegingen door trillingsbelastingen) volgens een baan in de vorm van een halve cirkel steeds meer het midden M van de lagerboring. h0 wordt groter omdat excentriciteit e kleiner wordt. Dit resulteert in een afname van het draagvermogen en een onstabiele aspositie. Bij n = ∞ valt het asmidden O met het midden M van de boring samen. Zoals bij parallel geleide glijvlakken op een afstand s/2 ≡ h0 kan bij een centrische loop geen of slechts een zeer kleine lagerbelasting F opgenomen worden. Figuur 6.4 toont de verschuiving van het asmidden O met de excentriciteit e onder inwerking van de constante lagerbelasting F bij een toerental n voor het volledig omsloten radiale glijlager en het verloop van de smeerfilmdruk p (streeppuntlijn).

Figuur 6.4: Drukverdeling bij constante krachtrichting F

De drukontwikkeling begint op het punt waar de spleetvernauwing zich achter de olie toevoerende smeergroef (E) voortzet. De druk p neemt toe; deze toename wordt voor het diepste lagerpunt door de smeergroefhoek αN gekenmerkt. De maximale druk pmax ligt de hoek γ, het diepste lagerpunt, dus voor de kleinste spleethoogte h0; daarachter neemt p af.

Olivier Bisoux


Glijlagers

42

De aan h0 toegekende instelhoek β ten opzichte van het diepste punt of de werklijn van F en de excentriciteit e beschrijven de bij de bedrijfstoestand behorende positie van het asmidden O. De totale (+) wordt door de overlappingshoek φ gekenmerkt; deze moet zo groot mogelijk zijn om hoge draagkrachten te bereiken. Vaak is na de drukzone een lichte onderdruk (-) te bespeuren. Vooral bij lagers die onder een verhoogde omgevingsdruk werken, is onderdruk mogelijk zolang de specifieke lagerbelasting ter hoogte van de omgevingsdruk ligt. Een smeergroef N in de drukzone (figuur 6.5) onderbreekt het drukverloop, waardoor de draagkrachten aanzienlijk afnemen, zodat bij een gelijke lagerbelasting F het glijlager in het gebied van de halfdroge wrijving in plaats van de vloeistofwrijving kan lopen.

Figuur 6.5: Drukverloop door groef

Smeergroeven moeten daarom altijd voor de drukzone liggen. Dit geldt echter niet onvoorwaardelijk bij lagers voor zeer kleine toerentallen, of in gevallen waarbij vloeistofwrijving zonder meer niet kan worden bereikt. In principe is de toestand van de vloeistofwrijving des te gemakkelijker te bereiken naarmate de lagerbelasting F en de lagerspeling s kleiner zijn of naarmate het toerental n en de viscositeit η van het smeermiddel groter zijn.

Olivier Bisoux


Glijlagers

43

6.2. Opmerking Eventuele informatie over smering, smeermiddeltypen en smering bij glijlagers kan men terug in de bijlage B. 6.3. Conclusie Bij de vormmachine die ik onderzoek, maakt men gebruik van glijlagers in het kniegewrichtensysteem. Als men nu puur theoretisch een oordeel velt over de glijlagers in dit systeem, dan kan men besluiten dat de glijlagers steeds in droge wrijving zitten. Want de as van een glijlager zit vastgeklemd en de lagerschaal, in dit geval de bronzen bus, maakt maar een kwart beweging. Men krijgt dan theoretische gezien altijd metallisch contact, m.a.w. grote wrijving. Dit resulteert snel in scheuren, waardoor men regelmatig de productie moet stopzetten. Met alle gevolgen van dien. Daarom is het misschien interessant om eens een hydrostatische smering te proberen. Hydrostatische glijlagers werken volgens het principe van de extern opgewekte druk, de noodzakelijke smeerfilmdruk buiten het lager door een pomp wordt opgewekt. De krachten worden dan beter overgedragen en er zal dan minder wrijving zijn tussen de as en de lagerschaal. Dit kan een oplossing zijn voor de bronzen bussen, maar het probleem zal zich dan verder verplaatsen.

Olivier Bisoux


Basisprincipes EEM

7.

44

Basisprincipes EEM

Kort gezegd is de eindige elementen methode (EEM) een numerieke benaderingsmethode voor een fysisch probleem. Voorbeelden van een mechanisch probleem zijn bijvoorbeeld de doorbuiging van een balk in een draagconstructie of het bepalen van het krachtwegverloop van een veer. Een voorbeeld van een gekoppeld thermisch-mechanisch probleem is het temperatuurverloop en de contactdruk bij het activeren van een remsysteem. Het probleem kan worden beschreven als een wiskundige vergelijking met randen/of beginvoorwaarden. Bij mechanische problemen gaat het hier veelal om bevestigings- en ophangpunten, externe krachten, beginsnelheden en dergelijke. De term "eindige elementen" slaat op de stukjes waarin het oppervlak of volume van het betrokken onderdeel of proces wordt onderverdeeld. Als voorbeeld laat figuur 10.1 een verdeling zien in vierhoekjes van een doorsnede behorend bij een 2-dimensionaal probleem.

Figuur 10.1: Onderverdeling in “eindige elementen” van de doorsnede van een rubber afdichting

Basisprincipes EEM

45

Bij dit type probleem kunnen soms naast vierhoekjes ook andere elementvormen zoals driehoekjes worden toegepast. Omdat de drie- en vierhoekjes niet precies gelijkzijdig respectievelijk rechthoekig hoeven te zijn, is er zelfs voor ingewikkeld gevormde domeinen altijd wel een onderverdeling te vinden. Deze flexibiliteit met betrekking tot de te beschrijven geometrie, zeker in vergelijking met andere numerieke benaderingsmethoden, is kenmerkend voor de EEM. Het onderverdelen van een domein in elementen, ook wel "mesh generatie" genoemd, gebeurt meestal automatisch via speciale hulpmiddelen in een grafische gebruikersinterface (afgekort: GUI). Een element is de kleinste eenheid waarmee het fysisch gedrag in de EEM wordt beschreven. Binnen een element wordt het verloop van de primaire variabelen (bijvoorbeeld verplaatsing of temperatuur) benaderd met interpolatiefuncties bestaande uit lagere orde polynomen. In figuur 10.2 is een schematische voorstelling van een dergelijke benadering gegeven voor een 1-dimensionaal probleem. Door de functies Ni(x) op een juiste manier te schalen ontstaat de continue benadering (zonder sprongen) gegeven door de rode stippellijn. De schalingsparameters ui worden gewoonlijk toegekend aan de zogeheten knopen, die hier op de elementgrenzen (dunne verticale stippellijnen) liggen. Knopen liggen meestal op de hoeken, de randen of het centrum van een element-(zijde). Fysisch gezien stellen de parameters ui (ook wel knooppuntwaarden genoemd) de waarden van de te benaderen functie ter plaatse van de knopen voor.

Figuur 10.2: Benadering van de grootheid u(x) via lineaire interpolatie functies Ni(x) Olivier Bisoux


Basisprincipes EEM

46

Samen met de elementverdeling (mesh) vormen de knooppuntwaarden een complete benadering van de oplossing. Anders gezegd, bij een gekozen mesh vergt oplossing van een probleem niets anders dan het vinden van de juiste knooppuntwaarden. De nauwkeurigheid van de oplossing neemt in het algemeen toe als de elementen talrijker, dus kleiner worden. Naast onafhankelijke variabelen als verplaatsing of temperatuur, worden vaak ook afhankelijke grootheden als rek of spanning gevraagd. Aangezien de rek samenhangt met de ruimtelijk variatie van de verplaatsingen, zijn de benaderde reken spanningsverdeling niet continu op de elementgrenzen. Om het effect van deze stapsgewijze variaties te onderdrukken, worden verschillende extrapolatie- en middelingmethoden gebruikt. Bij de interpretatie van de resultaten dient men hier goed op te letten. Om de knooppuntwaarden te bepalen voor een lineair statisch probleem, bijvoorbeeld de doorbuiging van een plaat ten gevolge van de zwaartekracht, dient een gekoppeld stelsel vergelijkingen te worden opgelost van de volgende vorm:

Figuur 10.3: Stijfheidmatrix

met N het (resterend) aantal vrijheidsgraden in het model, K de stijfheidmatrix en fext de vector met equivalente externe knooppuntkrachten. Het woord equivalent slaat hier op het feit dat verdeelde belastingen, bijvoorbeeld die ten gevolge van de zwaartekracht, worden vertaald in discrete krachten, die aangrijpen op de knopen, op een zodanige manier, dat de totale kracht en de krachtverdeling optimaal worden benaderd. De componenten Kij van de stijfheidmatrix (die niet allemaal ongelijk aan nul hoeven te zijn) volgen uit de eigenschappen van de elementen. Voor lineaire problemen zijn deze constant, zodat het stelsel in 1 keer kan worden opgelost. De knooppuntwaarden van een element zijn aan elkaar gekoppeld via de elementstijfheidsmatrix. Een andere bijdrage tot Olivier Bisoux


Basisprincipes EEM

47

de koppeling van bovenstaande vergelijkingen wordt geleverd door het feit, dat knopen worden gedeeld met naburige elementen. Elementen zijn er in vele verschillende vormen en typen. In tabel 10.1 en 10.2 is een selectie gegeven voor achtereenvolgens 2- en 3-dimensionale problemen. In deze figuren stellen u, v, en w de knooppuntverplaatsingen voor en θx, θy en θz de knooppuntrotaties. Het verschil tussen een staaf- en een balkelement is, dat alleen de laatste, buiging kan beschrijven. Vandaar de extra rotatievrijheidsgraden. Het is zeker niet ongebruikelijk om in een EEM-pakket een honderdtal verschillende elementtypen aan te treffen. Een indeling is onder andere mogelijk naar:

De uiterlijke vorm: lijn/driehoek/vierhoek/tetraëder/hexaëder, enz.;

De dimensie: 2D of 3D;

De aard van het op te lossen probleem: mechanisch/thermisch/multifysisch;

De orde van de interpolatiepolynomen: 1e orde, 2e orde, enz.;

Het onderscheid tussen bulkelementen en staaf-, balk- of schaalelementen.

Tabel 10.1: Enkele mechanische 2D-elementtypen met de vrijheidsgraden per knoop (midden)

Olivier Bisoux


Basisprincipes EEM

48

Tabel 10.2: Enkele mechanische 3D-elementtypen met de vrijheidsgraden per knoop (midden)

Hoe hoger de graad van (de interpolatiefuncties van) een element, hoe hoger het aantal knopen, vanwege het groter aantal coëfficiënten in de interpolatiefuncties. Zij worden veelvuldig toegepast bij lineaire problemen, omdat zo met minder knopen toch een nauwkeuriger antwoord kan worden verkregen. Voor niet-lineaire toepassingen worden meestal lagere orde elementen gebruikt. Voorbeelden van niet-bulkelementen zijn staaf-, balk- en schaalelementen. Het verschil met bulkelementen is, dat ze het ruimtelijk domein niet geheel opvullen. Dit is niet nodig, omdat er wordt uitgegaan van een vereenvoudigd deformatiepatroon. Om bijvoorbeeld de buiging of torsie van een balk te beschrijven, is het vaak voldoende om aan te geven wat de verplaatsing van de (symmetrie) as is en hoe de doorsneden loodrecht op de as roteren. Balkelementen zijn daarom lijnvormig met knopen op de (symmetrie)as die verplaatsingsen/of rotatievrijheidsgraden bezitten. De werkelijke doorsnede van de balk wordt vastgelegd met extra (geometrische) parameters. Iets dergelijks vindt men bij schaalelementen die worden gebruikt voor berekeningen aan dunwandige constructies. Men kan hier de deformatie opgesplitst denken in buiging, vervorming in het vlak en afschuiving van onderen bovenkant ten opzichte van elkaar. Het is hier voldoende om alleen het middenvlak te bedekken met elementen, zoals geschetst in figuur 10.4. De vervorming van dit middenvlak wordt beschreven door de knooppuntOlivier Bisoux


Basisprincipes EEM

49

verplaatsingen u, v en w, de overige vervormingen door de knooppuntrotaties θx, θy en θz. Een gevolg is, dat men een schaalelement in dikterichting niet kan samendrukken. De dikte kan alleen veranderen door het oprekken van het middenvlak.

Figuur 10.4: Stukje uit een dunwandige constructie gemodelleerd met schaalelementen

Om de effectiviteit van schaalelementen te illustreren, is de doorbuiging van een eenzijdig ingeklemd balkje, belast door een verticale kracht op het vrije uiteinde, berekend voor verschillende elementtypen en elementverdelingen. Zoals figuur 10.5 en tabel 10.3 laten zien, zijn er bij gebruik van lagere orde bulkelementen behoorlijke afwijkingen (50-70%) mogelijk. Zonder aanpassingen is het gebruik van deze elementen hier daarom af te raden. Schaalelementen zijn duidelijk het efficiëntst, omdat ze met minder vrijheidsgraden en dus in kortere tijd, het nauwkeurigste resultaat geven. In het algemeen verdienen schaalelementen voor berekeningen aan dunwandige componenten daarom de voorkeur.

Figuur 10.5: Vervorming van een ingeklemde balk door een puntkracht op het uiteinde, voor verschillende (aantallen) elementen (zie ook tabel 10.3). De getekende vervorming is geschaald met een factor 2 Olivier Bisoux


Basisprincipes EEM

50

Tabel 10.3: Doorbuiging voor balkmodellen uit figuur 10.5, met analytische referentie-oplossing

De in de berekening gebruikte gegevens zijn: •

Afmetingen balk (l x b x h): 20 x 2 x 1 mm;

•

Materiaal: staal;

•

Transversale kracht uiteinde: 10 N;

•

Berekeningstype: lineair.

Het op voorgaande genoemde stelsel vergelijkingen Ku = fext heeft betrekking op een probleem, dat verondersteld wordt statisch te zijn. Dit is een veel gebruikte benadering, aangezien massatraagheidseffecten vaak verwaarloosbaar zijn. Een kenmerk van deze aanpak is evenwel, dat oplossing van het stelsel alleen mogelijk is als de constructie statisch bepaald is via randvoorwaarden. Praktisch gesproken betekent dit dat de knooppuntverplaatsingen op een voldoende aantal plaatsen moeten worden onderdrukt of voorgeschreven. Gebeurt dit niet, denk hierbij aan een ‘zwevende’ constructie waarop een kracht wordt uitgeoefend, dan zal normaal gesproken de berekening worden afgebroken met een melding, dat de systeemmatrix singulier is, dat er een starlichaamsbeweging aanwezig is, of dat er een niet onderdrukt mechanisme is. Het minimum aantal randvoorwaarden voor voorwerpen in een 2D- en 3D-ruimte is gelijk aan het aantal te onderdrukken starlichaamsbewegingen en bedraagt respectievelijk 3 en 6.

Olivier Bisoux


Basisprincipes EEM

51

Een teveel aan randvoorwaarden kan ook tot negatieve effecten leiden, zoals het ontstaan van onrealistische spanningsconcentraties of een overschatting van de stijfheid. De keuze van de randvoorwaarden dient daarom zorgvuldig te gebeuren, teneinde het resultaat zo dicht mogelijk op de realiteit te laten aansluiten. Naast statische zijn ook dynamische berekeningen mogelijk voor gevallen waarin de massatraagheid niet verwaarloosbaar is. Het stelsel vergelijkingen wordt dan als volgt uitgebreid: Ma + Cv + Ku = fext met M de massamatrix, a de vector met knooppuntversnellingen, C de dempingsmatrix en v de vector met knooppuntsnelheden. De knooppuntgrootheden zijn hier nog een continue functie van de tijd. In de numerieke behandeling van het stelsel wordt alleen een oplossing gezocht voor een beperkt aantal punten op de tijdas, zodat de tijd sprongsgewijs varieert. De oplossing ligt vast als per tijdstap ∆t de verandering van u, ∆u, bekend is. De manier waarop variabelen a en v in ∆u en ∆t worden uitgedrukt, bepaalt of een impliciet of expliciet oplossingsschema resulteert. Het eerste geval geeft een gekoppeld stelsel vergelijkingen voor ∆u, het tweede een ontkoppeld stelsel. Dit laatste betekent dat de oplossing relatief zeer snel kan worden bepaald. De grootte van de tijdstap is evenwel beperkt door de volgende bovengrens:

met lmin de kortste elementzijde in het model, E de elasticiteitsmodulus en ρ de massadichtheid. In de praktijk ligt ∆tmax meestal tussen de 0,1 en 10 µs. De toepassing van deze techniek, welke de basis vormt voor een aparte klasse van EEM-software, betreft dan ook dikwijls dynamische verschijnselen van korte duur met een soms destructief karakter zoals in figuur 10.6.

Olivier Bisoux


Basisprincipes EEM

52

Figuur 10.6: Typische toepassing van expliciete EEM-software

In vergelijking met een statische benadering, is bij dynamische berekeningen de kans op een singulier systeem door een tekort aan randvoorwaarden aanzienlijk kleiner, omdat de oplossing als ‘vanzelf’ volgt uit de gegeven beginvoorwaarden voor snelheid en versnelling. Tot nu toe is steeds verondersteld dat de stijfheidmatrix K een lineair probleem beschrijft en dus constant is. Indien er sprake is van kleine vervormingen, d.w.z. verplaatsingen kleiner dan ca. 5% van de maximale afmeting van het ruimtelijk domein, een materiaalgedrag dat constant is en er geen interactie is met andere componenten, is dit een goede (eerste) benadering. In de praktijk komt men veelvuldig situaties tegen die hier van afwijken. In die gevallen is een niet-lineair EEM-model aan te bevelen. Voorbeelden hiervan zijn schematisch weergegeven in figuur 10.7. In het eerste geval, een trekproef uitgevoerd op een metaal, is de verandering van het materiaalgedrag door plastische vervorming de oorzaak van de niet-lineariteit. In het tweede geval ontstaat deze door contact met een ander voorwerp. In het laatste geval is de oorzaak gelegen in het feit dat de optredende verplaatsing en rotatie van de dunwandige constructie zodanig groot zijn, dat de stijfheid hiervan verandert gedurende de deformatie. Aan de eis van kleine verplaatsingen is hier duidelijk niet meer voldaan.

Olivier Bisoux


Basisprincipes EEM

53

Figuur 10.7: Voorbeelden van de belangrijkste klassen van niet-lineaire problemen

Een andere manier om hier tegenaan te kijken is, dat de meeste verschijnselen in de natuur niet-lineair zijn en dat de lineaire EEM-benadering een versimpeling van de werkelijkheid is, die alleen van toepassing is op een uitzonderlijke klasse van problemen. Het betreft wel een belangrijke klasse, aangezien de meeste producten worden ontworpen voor lineair gedrag. Voor toepassingen buiten deze klasse is de kans op fouten met een lineaire aanpak echter levensgroot.

Olivier Bisoux


Basisprincipes EEM

54

Een niet-lineaire EEM-benadering verschilt in een aantal opzichten van een lineaire:

De resultaten kunnen afhankelijk zijn van de manier waarop en de volgorde waarin de belastingen worden aangebracht.

Een incrementele berekening is noodzakelijk. Dat wil zeggen dat de gewenste eindsituatie door stapsgewijze variatie van de belasting wordt benaderd. In elke stap dient een volledig stelsel vergelijkingen te worden opgelost.

Per stap kan het nodig zijn de oplossing meermaals te corrigeren om de nauwkeurigheid te waarborgen.

Gezien het voorgaande kost een niet-lineaire berekening vaak meer (reken)tijd.

Niet iedere poging tot berekening is succesvol.

Er zijn vaak meer materiaalgegevens vereist.

Vanwege het grotere aantal (numerieke) parameters vragen de interpretatie en de controle van de resultaten in het algemeen meer aandacht. Gevoeligheidsanalyse is hierbij een bruikbaar hulpmiddel.

Olivier Bisoux


Andere vormmachine: Illig

8.

55

Materiaaleigenschappen van de componenten 8.1. Inleiding

Als voorbereiding op de eigenlijke EEM-analyse, moeten eerst en vooral de materialen van de verschillende componenten nader bekeken worden. Er dienen een aantal parameters ingevuld te worden in het EEM-programma, CosmosWorks, daarom zal er al de beschikbare informatie over de verschillende materialen in dit hoofdstuk beschreven worden. Er dient wel opgemerkt te worden dat er niet altijd evenveel informatie gevonden werd van al de verschillende materialen. Daarom is er soms alleen van de database van CosmosWorks uitgegaan. 8.2. Overzicht van de componenten Tabel 11.1: Overzicht van de componenten

Componenten

Materialen

Bouten

8.8 boutenstaal

Bronzen lagers/bussen

AMPCO 18

Matrijs

Aluminiumlegering EN AW-5083

Stalen pennen, kolommen en drukboxen Vormstation (kniegewrichten, tafels,…)

AISI 1141 Staal gemodelleerd gietijzer

EEM-analyse

56

8.3. Componenten 8.3.1. Bouten 8.3.1.1. Materiaal

Het materiaal van de verschillende boutmaten bestaat uit 8.8 staal. De waarde 8.8 staal staat voor de sterktecategorie ν van het boutenstaal. Deze sterktecategorie ν komt overeen met de volgende mechanische eigenschappen. Deze mechanische eigenschappen zullen ingevoegd worden bij de standaard voorziene database met de gegevens van vaak gebruikte materialen, en in dit geval is dat alloy steel. Dit kan door middel van de radio-button Input te markeren. Nu kunnen er waarden worden ingegeven in de database.

8.3.1.2. Mechanische eigenschappen

Minimale treksterkte Rm = 800 . 106 N / m² Maximale vloeigrens Re = 640 . 106 N / m² Rek bij breuk A in % = 12 %

8.3.1.3. Resulterende database CosmosWorks

Figuur 11.1: Database voor boutenstaal

Olivier Bisoux


EEM-analyse

57

8.3.2. Bronzen lagers/bussen 8.3.2.1. Materiaal

De lagers bestaan uit het materiaal AMPCO 18. Dit is een handelnaam voor aluminiumbronslegeringen. In deze legering komen vooral aluminium, koper en ijzer in voor, maar ook mangaan en nikkel. Dit materiaal wordt veelal gebruikt voor lagers, toestellen, wormtoestellen, ringen, slijtageplaat enz. De mechanische eigenschappen worden vervolgens in een tabel weergegeven, maar de waarden dienen nog omgezet te worden naar de SI-eenheden. De omgezette waarden worden vervolgens in de database ingegeven.

8.3.2.2. Mechanische eigenschappen Tabel 11.2: Mechanische eigenschappen van de aluminium-bronslegering

Grootheden

Waarden

Eenheden

Elasticiteitsmodulus

15 500

KSI

Dichtheid

0,269

lb / in³

Treksterkte

95

KSI

Deformatieweerstand

40

KSI

Thermische expansie

0,000009

/ °F

Thermische geleiding

406,8

(BTU · in) / (h · ft² · °F)

Specifieke warmte

0,10

BTU / (lb · °F)

8.3.2.3. Formules voor de omzetting naar SI-eenheden

N mm²

1 KSI = 6,895

1

1 1 = ° F 255,928 K

lb g kg = 27,68 = 27,68 ⋅10³ in ³ cm³ m³

Olivier Bisoux


EEM-analyse

1

BTU ⋅ in W = 0,144228 h ⋅ ft ² ⋅ ° F m⋅K

1

J BTU = 4186,8 kg ⋅ K lb ⋅ ° F

58

8.3.2.4. Omzetting naar SI-eenheden Tabel 11.3: Mechanische eigenschappen van de aluminium-bronslegering in SI-eenheden

Grootheden

Vreemde eenheden

SI-eenheden


15 500 KSI

1,068725 . 1011 N/m²

Dichtheid

0,269 lb / in³

7445,92 kg/m³

Treksterkte

95 KSI

655,025 . 106 N/m²

Deformatieweerstand

40 KSI

275,8 . 106 N/m²

Thermische expansie

0,000009 / °F

3,51661 . 10-8 / K


406,8 (BTU · in) / (h · ft² · °F)

58,6719504 W/(m.K)

Specifieke warmte

0,10 BTU / (lb · °F)

418,68 J/(kg.K)


Figuur 11.2: Database voor aluminium-bronslegering

Olivier Bisoux


EEM-analyse

59

8.3.3. Matrijs 8.3.3.1. Materiaal

De matrijs wordt gemaakt uit EN AW-5083. Dit is de handelnaam voor de aluminiumlegering AlMg4.5Mn. Deze legering heeft zijn toepassingen in de matrijsbouw, controlehulpmiddelen en kalibers.

8.3.3.2. Mechanische eigenschappen Tabel 11.4: Mechanische eigenschappen van aluminiumlegering

Grootheden

Waarden

Eenheden


71 . 109

N/m²

Dichtheid

2,66 . 10³

kg / m³

Treksterkte

290 . 106

N/m²

Deformatieweerstand

150 . 106

N/m²

Thermische expansie

23,8 . 10-6

/K


120

W / (m . K)

Specifieke warmte

900

J / (kg . K)


Figuur 11.3: Database voor aluminiumlegering

Olivier Bisoux


EEM-analyse

60

8.3.4. Stalen pennen, kolommen en drukboxen 8.3.4.1. Materiaal

Deze onderdelen zijn vervaardigd uit AISI 1141 staal. Dit is de handelnaam voor type van koolstofstaal. De eerste twee cijfers staan voor de staalsoort, terwijl de laatste twee cijfers het gemiddelde percentage aan koolstof weergeeft. In dit geval, voor het getal 1141, staat het cijfer 11 voor opnieuw verzwaveld staal en 41 voor 41 % aan koolstof. Uit de database van CosmosWorks wordt er uitgegaan van alloy steel. De gegeven mechanische eigenschappen worden vervolgens in de database weggeschreven.

8.3.4.2. Mechanische eigenschappen Tabel 11.5: Mechanische eigenschappen van AISI 1141 staal

Grootheden

Waarden

Eenheden


2,1 . 1011

Poisson’s ratio

0,30

Dichtheid

8,03 . 10³

kg / m³

Treksterkte

5,985 . 108

N/m²

Deformatieweerstand

3,53 . 108

N/m²

N/m²


Figuur 11.4: Database voor AISI 1141 staal

Olivier Bisoux


EEM-analyse

61

8.3.5. Vormstation (kniegewrichten, tafels,…) 8.3.5.1. Materiaal

De meeste componenten van het vormstation (kniegewrichten, tafels, …) zijn vervaardigd uit kneedbaar gietijzer. Dit was ook het enige gegeven over het materiaal van het vormstation, dat verkregen werd. Bijgevolg is er gebruik gemaakt van de database van CosmosWorks (Library files). Dit is te merken aan de markering van het materiaal ductile iron.

8.3.5.2. Mechanische eigenschappen

Grootheden

Waarden

Eenheden


1,2 . 1011

N/m²

Dichtheid

7,9 . 10³

kg / m³

Treksterkte

8,61695 . 108

N/m²

Deformatieweerstand

5,51485 . 108

N/m²

Thermische expansie

1,1 . 10-5

/K


75

W / (m . K)

Specifieke warmte

450

J / (kg . K)


Figuur 11.5: Database voor ductile iron

Olivier Bisoux


EEM-analyse

9.

62

Procesparameters

9.1.

Inleiding

Met de materiaaleigenschappen van verschillende componenten heeft men al kennis kunnen maken. Wat er nog rest voor de start van de EEM-analyse, zijn de procesparameters. Welke gegevens zijn er gekend die van nut kunnen zijn bij de EEManalyse? De gegevens zullen eerst moeten worden omgezet in de SI-eenheid voordat men ze kan ingeven in het EEM-programma. De bedoeling van dit korte hoofdstuk is, om het overzicht kunnen te behouden bij de bespreking van de resultaten. De bespreking van de resultaten en de procesparameters samen zouden misschien wat onduidelijkheid kunnen scheppen. 9.2.

Procesparameters

De volgende parameters zullen in de resultaatbespreking gebruikt worden, daarmee zullen ze hier uitgewerkt worden tot de gewenste SI-eenheid. Sommige parameters zullen gehalveerd worden, omdat bij de EEM-analyse maar één helft van een systeem wordt gesimuleerd. De gegevens die zoal in het EEM-programma worden ingegeven bestaan bijvoorbeeld uit het gewicht van drukbox en matrijs, de kracht die van de pneumatische cilinder uitgaat, enz. Ook wordt er iets gezegd over de parameters bij de rusttoestand van het kniegewrichtensysteem, dit komt terug aan bod in het volgende hoofdstuk van de EEManalyse.

9.2.1.

Druk bij vormproces

De druk van de perslucht moet in Newton per vierkante meter gegeven worden. De druk tijdens het vormproces bedraagt ongeveer 5 bar. De omzetting gebeurt als volgt: p = 5bar = 5 ⋅10 5

N m²

Deze druk zal niet moeten gehalveerd worden bij het ingeven, omdat druk gedefinieerd is als kracht per oppervlakte.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

9.2.2.

63

Drukbox

Men heeft gekozen voor de drukbox met de grootste afmeting. Dit heeft dan ook een grotere invloed op de vervorming in het vormstation dan drukboxen met een kleinere afmeting. De drukbox is vervaardigd uit staal en heeft dus een bepaald gewicht. Het gewicht wordt gedefinieerd in kg. Maar er moet een waarde in Newton (N) worden ingegeven. Men kent de afmetingen en de dichtheid van het materiaal van de drukbox, dus: Vdrukbox = (l × b × h) = (0,660 × 0,700 × 0,098)m³ = 0,045276m³

ρ=

m kg ⇒ mdrukbox = ρ Staal ⋅Vdrukbox = 2660 ⋅ 0,045276m³ V m³ mdrukbox = 120,43416kg ≈ 120kg

Fg = mdrukbox ⋅ g = 120kg ⋅ 9,82

N = 1177,2 N ≈ 1177 N kg

Zoals men kan zien in figuur 5.4, bevat het kniegewricht aan elke kant twee armen, en uitgaande van gelijke krachtenverdeling, is het 588,5 N voor elke arm bij ingeven van de gegevens in het EEM-programma. 9.2.3.

Matrijs

Bij de matrijs heeft men ook voor degene met de grootste afmeting gekozen, en dit om dezelfde reden als bij de drukbox. De matrijs is vervaardigd uit aluminium. En aan de hand van de afmetingen en de dichtheid van het materiaal van de matrijs, wordt het gewicht in Newton (N) berekend. Vmatrijs = (l × b × h) = (0,660 × 0,700 × 0,110)m³ = 0,05082m³

ρ=

m kg ⇒ mmatrijs = ρ Al ⋅ Vmatrijs = 2660 ⋅ 0,05082m³ V m³ mmatrijs = 135,1812kg ≈ 135kg

Fg = mmatrijs ⋅ g = 135kg ⋅ 9,82

Olivier Bisoux

N = 1324,35 N kg


EEM-analyse

64

Analoog aan het vorige punt kan men in figuur 5.4 zien dat het kniegewricht aan elke kant twee armen bevat, en uitgaande van gelijke krachtenverdeling, is het 662,175 N voor elke arm bij ingeven van de gegevens in het EEM-programma.

9.2.4.

Pneumatische cilinder

Van de pneumatische cilinder weet men enkel de afmetingen en de druk waarmee het wordt aangedreven. De slaglengte is 9” en de diameter van de zuiger is 6”. De pneumatische cilinder wordt met een druk van 5 bar aangedreven. Uit deze gegevens moet er nu de kracht worden gehaald die de cilinder uitoefent op het kniegewrichtensysteem: d zuiger = 6" = 152,4mm = 0,1524m ⇒ rzuiger = 0,0762m p = 5bar = 5 ⋅10 5 p=

N m²

F N ⇒ F = p ⋅ Azuiger = 5 ⋅10 5 ⋅ π ⋅ 0,0762² m² A m² F = 9120,734624 N ≈ 9120,73 N

De kracht die de cilinder uitoefent op het systeem is 9120 N. Merk op dat in de volgende paragraaf men de waarde opnieuw gaat halveren, omdat er maar één helft van het systeem wordt gesimuleerd en uitgaande van gelijke krachtenverdeling.

9.2.5.

Kniegewrichtensysteem

Als inleiding op de bespreking van de resultaten van de EEM-analyse wordt hier al de berekening gemaakt voor de parameters tijdens rusttoestanden voor het bovenste en onderste kniegewrichtensysteem. Bij een rusttoestand moeten de som van alle krachten gelijk zijn aan nul. Er wordt nu aangenomen dat de hoek die de kniegewrichten vormen gelijk is aan 90°. Aangezien er maar naar één helft van het systeem wordt gekeken voor de EEM-analyse, wordt er ook nog aangenomen dat de krachten gelijk worden verdeeld, zodat ze maar voor de helft kracht uitoefenen op de kniegewrichten.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

9.2.5.1.

65

Bovenste kniegewrichtensysteem

Figuur 12.1: Schematische voorstelling van bovenste kniegewrichtensysteem

Deze figuur is een schematische voorstelling van het bovenste kniegewrichtensysteem. In de rusttoestand moet de som van alle krachten gelijk zijn aan nul. Omdat er maar naar één helft wordt gekeken, wordt de kracht van de cilinder gehalveerd. De kracht bedraagt dan 4560,37 N. Het gewicht van de matrijs wordt eveneens gehalveerd tot 662,175 N (2 x 331,09 N). Met deze gegevens wordt C berekend:

A = B² + C ² ⇒ A = 2 ⋅ B² ⇒ B =

A 4560,37 = = 3224,668552 N 2 2

C = (3224,67² − 662,175²) N = 3155,949645 N ≈ 3155,95 N De waarde voor C is 3155,95 N. De waarde die wordt ingegeven voor elke arm, aan ene kant welteverstaan, van het kniegewricht is dan 1577,975 N.

9.2.5.2.

Onderste kniegewrichtensysteem

Figuur 12.2: Schematische voorstelling van onderste kniegewrichtensysteem

Olivier Bisoux


EEM-analyse

66

Net als het voorgaande gaat men de waarde voor C berekenen, aan de hand van de gehalveerde kracht van de cilinder en het gehalveerde gewicht van de drukbox, nl. 588,5 N (2 x 294,25 N). De berekening gebeurt als volgt: A = B² + C ² ⇒ A = 2 ⋅ B² ⇒ B =

A 4560,37 = = 3224,668552 N 2 2

C = (3224,67² − 588,5²) N = 3170,513369 N ≈ 3170,51N De waarde voor C is 3170,51 N. De waarde die wordt ingegeven voor elke arm, aan ene kant welteverstaan, van het kniegewricht is dan 1585,255 N.

9.3.

Besluit

Voor alle duidelijkheid de halvering van de verschillende parameters is voor de voorstelling welke waarde er een aan de kniegewrichten wordt gegeven in het EEMprogramma. Daar de meeste kniegewrichten vier armen bezitten, moet er bij aangrijping van een kracht aan één zijde, de kracht gehalveerd worden. Men gaat dan van een gelijke krachtenverdeling uit. De bekomen parameters kan men nu vervolgens in het EEM-programma invullen, zodat er een EEM-analyse kan plaatsvinden. Er moet wel gezegd worden dat de waarden van deze parameters ideaal genomen zijn. Het hoofdzakelijk doel is dat er goed beeld kan gevormd worden van de vervormingen en de krachtwerking in het vormstation.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

67

10. EEM-analyse

10.1. Inleiding Voor er aan de bespreking van de resultaten van de EEM-analyse kan begonnen worden, dienen er een aantal opmerkingen gemaakt te worden. Voor een EEM-analyse, moeten eerst de verschillende onderdelen van de vormmachine getekend worden in een CAD-programma. Vervolgens dienen de onderdelen waarop men een analyse wil doen te worden geselecteerd. De onderdelen moeten dan gedefinieerd worden.

M.a.w.

uit

welke

materialen

bestaan

de

onderdelen

en

welke

materiaaleigenschappen hebben ze? Dan moeten er nog een aantal voorwaarden en parameters worden ingevoerd voor men aan de EEM-analyse kan beginnen. In dit geval heet dat CAD-programma, SolidWorks. En omdat er geen technische tekeningen van de verschillende onderdelen bestonden, moesten de verschillende onderdelen worden opgemeten. De afmetingen van de onderdelen kunnen dus kleine meetfouten bevatten. De afmetingen werden bovendien in mm gerekend. Voor de berekening in het EEM-programma, CosmosWorks, dienen de onderdelen geselecteerd te worden die men aan een analyse wil onderwerpen. Dit programma kan veel berekenen, maar het is geen wondermiddel. M.a.w. het is onmogelijk, met het potentieel dat ik bezit, om het gehele systeem aan een EEM-analyse te onderwerpen. Het is dan ook de bedoeling om op een goedkope manier een beeld te kunnen geven van de krachtwerking en de vorming in de verschillende onderdelen. Het is veel belangrijker het proces en zijn problemen te begrijpen. Daarmee moet men eerst het vormproces doorgronden, met de heersende problemen in het achterhoofd. Op die manier kan men een goed beeld vormen, waar de oorzaken kunnen liggen en zo tot mogelijke oplossingen te komen. Er wordt dus een vereenvoudigd systeem aan een EEM-analyse onderworpen. Er wordt dan ook geen rekening gehouden met wrijving (dus een optimale smering), temperatuur, en verliezen. Men gaat dus een ideaal systeem laten analyseren.

EEM-analyse

68

Wat er zeker niet vergeten mag worden, is het feit dat de bekomen resultaten enkel visueel kunnen getoetst worden met de werkelijkheid. De grootte van de krachten en de vervormingen kunnen dan weer niet vergeleken worden met de praktijk. Drie verschillende onderdelen worden vervolgens aan een EEM-analyse onderworpen, nl.:

Het kniegewrichtensysteem;

De bovenen de ondertafel;

De middentafels. 10.2. Het bovenste en onderste kniegewrichtensysteem

Waarom wordt er nu een verschil tussen het bovenste en onderste kniegewrichtensysteem gemaakt? Dat heeft met enkele redenen te maken. Eerst en vooral de positie van de matrijs of de drukbox t.o.v. het kniegewrichtensysteem, en zeker niet onbelangrijk de richting van perslucht. Bij de EEM-analyse van het kniegewrichtensysteem wordt er een onderscheid gemaakt van drie toestanden. Bij het vormen van producten zal het systeem van een gehurkte naar een gestrekte stand overgaan, vervolgens zal de perslucht op het kniegewrichtensysteem drukken. Er zullen dus drie toestanden worden gesimuleerd, nl. de rusttoestand, de gestrekte toestand en de vormtoestand. De rusttoestand is niets minder dan de beginpositie van het kniegewrichtensysteem. De kniegewrichten hebben dan een gehurkte positie. De gestrekte toestand is dan weer de toestand die men bekomt, wanneer de kniegewrichten worden rechtgezet. En dan is er nog de vormtoestand, bij deze toestand zijn de kniegewrichten rechtgezet en drukt de perslucht op het kniegewrichtensysteem. Zoals eerder vermeld moet er een vereenvoudiging gebeuren van het in CAD getekend vormstation. Dus om de berekeningen mogelijk te maken, moeten er een aantal onderdelen worden weggelaten. Er wordt op de kern van het probleem toegespitst. M.a.w. daar waar de meeste problemen zich voordoen, nl. op de middelste stalen pen.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

69

Het minpunt bij deze simulaties is dat het buitenste kniegewricht rond de stalen pen ontbreekt, waardoor de ondersteuning van de stalen pen bij de EEM-analyse gedeeltelijk wegvalt. Dit zal duidelijk worden in de gegeven figuren. Dit moest gebeuren, anders kon er geen EEM-analyse gedaan worden. Tot slot moet er opgemerkt worden, dat er geen simulatie kan gemaakt worden van de uitvulling bij de matrijs of de drukbox. Er kan enkel vertrokken worden van een ideaal model. Er moet ook worden opgemerkt dat de figuren van de EEM-analyse een verkeerd beeld kunnen schetsen, daarom dient men vooral met de legende rekening te houden.

10.2.1.

Het bovenste kniegewrichtensysteem

Bij het bovenste kniegewrichtensysteem hangt de matrijs als het ware aan de kniegewrichten. En bij het vormen van de folie drukt de perslucht de matrijs omhoog, dit zal waarschijnlijk zijn gevolgen geven in het kniegewrichtensysteem, vooral bij de stalen pennen. Om een voorbeeld te geven hoe de vereenvoudiging van vormstation is verlopen, zullen de volgende figuren een goed idee schetsen. Er is gekozen voor de middelste pen, omdat daar de meeste krachten op aangrijpen. Het buitenste kniegewricht is weggelaten voor de berekening mogelijk te maken.

Figuur 13.1: Vereenvoudiging kniegewrichtensysteem Olivier Bisoux


EEM-analyse

70

Nu wordt er maar een deel van het kniegewrichtensysteem bekeken, een van de middelste stalen pennen met bijhorende bronzen bussen. Op de verschillende afbeeldingen kan men groene, roze en rode pijlen onderscheiden. De groene pijlen staan voor voorwaarden, de roze voor krachten en de rode voor druk. Op de verschillende afbeeldingen kan men ook het assenstelsel waarnemen. Dus als men een negatieve waarde ziet, dan betekent dit dat bijvoorbeeld een kracht tegengesteld is aan de richting van het assenstelsel.

10.2.1.1.

Rusttoestand

De eerste toestand die onderzocht wordt, is de rusttoestand. Bij de rusttoestand zal enkel het gewicht van de matrijs op het systeem werken.

Figuur 13.2: Stalen pen van het bovenste systeem bij rusttoestand

Zoals men op de figuur 13.2 ziet, zijn er aan het vereenvoudigd systeem een aantal krachten en voorwaarden gekoppeld. Als voorwaarden heeft men de buitenkanten van de cilinder als vast verondersteld, dat normaal door het buitenste kniegewricht werd omsloten. En vervolgens heeft men de middelste bronzen bus als niet beweegbaar aangenomen, omdat de zuiger van de pneumatische cilinder in zijn beginpositie staat. De krachten die men ingegeven heeft, zijn voor elk van de buitenste bronzen bussen 331,09 N in de Y-richting en - 1577,975 N in de X-richting. Olivier Bisoux


EEM-analyse

71

Men kan uit de aanhangsel A, figuren 1 tem. 4, besluiten dat een minimale vervorming en krachtwerking tijdens de rusttoestand van het kniegewrichtensysteem te wijten is aan de het gewicht van de matrijs en de reactiekracht van de cilinder. De vervorming is zo miniem, dat het niet met het blote oog kan waargenomen worden. De spanningen, die optreden tijdens de rusttoestand, zijn eveneens zeer klein.

10.2.1.2.

Gestrekte toestand

De volgende toestand die wordt onderzocht, is de gestrekte toestand. De gestrekte toestand is de toestand waarbij de kniegewrichten zijn rechtgezet.

Figuur 13.3: Stalen pen van het bovenste systeem bij gestrekte toestand

In de figuur 13.3 worden er weer een aantal voorwaarden en krachten gesteld. Als voorwaarden heeft men de buitenkanten van de cilinder als vast verondersteld, dat normaal door het buitenste kniegewricht werd omsloten. En vervolgens heeft men de middelste bronzen bus als niet beweegbaar aangenomen, omdat de zuiger van de pneumatische cilinder in zijn eindpositie staat. De enige kracht die aan de stalen pen trekt zijn die van het gewicht van de matrijs. De ingegeven kracht voor elk van de buitenste bussen is - 331,09 N in de Y-richting. Bij de gestrekte toestand treedt er een minimale vervorming en krachtwerking op in de stalen pen. Maar deze zijn zo miniem, dat ze niet met het blote oog kunnen waargenomen

Olivier Bisoux


EEM-analyse

72

worden. Het valt ook op dat er minder vervorming, of spanningen, in de gestrekte toestand is dan in de rusttoestand. De resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 5 tem. 8.

10.2.1.3.

Vormtoestand

De vormtoestand is de toestand waarbij de kniegewrichten zijn rechtgezet en waarbij de perslucht op het kniegewrichtensysteem drukt.

Figuur 13.4: Stalen pen van het bovenste systeem bij vormtoestand

Zoals men in de figuur 13.4 kan zien, is er bij de vormtoestand maar een parameter bijgekomen, nl. de perslucht. De druk wordt voorgesteld door rode pijlen. De druk is tegengesteld aan de richting van de kracht. De druk bedraagt 5.105 N/m² en de kracht voor elk van de buitenste bronzen bussen is - 331,09 N in de Y-richting. Er treedt evenals de andere toestanden vervorming op in het kniegewrichtensysteem. Maar de vervorming tijdens de vormtoestand is iets minder groot dan bij de gestrekte toestanden. Dit komt de tegengestelde richting van druk t.o.v. het gewicht van de matrijs. De resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 9 tem. 12.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

10.2.2.

73

Het onderste kniegewrichtensysteem

Bij het onderste kniegewrichtensysteem drukt de drukbox als het ware op de kniegewrichten. En bij het vormen van de folie drukt de perslucht de drukbox nog eens omlaag, dit zal waarschijnlijk zijn gevolgen geven in het kniegewrichtensysteem, vooral bij de stalen pennen. Nu wordt er maar een deel van het kniegewrichtensysteem bekeken, een van de middelste stalen pennen met bijhorende bronzen bussen. Op de verschillende afbeeldingen kan men groene, roze en rode pijlen onderscheiden. De groene pijlen staan voor voorwaarden, de roze voor krachten en de rode voor druk. Op de verschillende afbeeldingen kan men ook het assenstelsel waarnemen. Dus als men een negatieve waarde ziet, dan betekent dit dat bijvoorbeeld een kracht tegengesteld is aan de richting van het assenstelsel.

10.2.2.1.

Rusttoestand

In de rusttoestand wordt er onderzocht of er al vervormingen zijn opgetreden. De rusttoestand is de beginpositie van de kniegewrichten.

Figuur 13.5: Stalen pen van het onderste systeem bij rusttoestand

Olivier Bisoux


EEM-analyse

74

Zoals men op de figuur 13.5 ziet, zijn er dezelfde voorwaarden gesteld als bij het bovenste kniegewrichtensysteem tijdens de rusttoestand. De krachten daarentegen zijn verschillend, die zijn voor elk van de buitenste bronzen bussen - 294,25 N in de Y-richting en + 1585,255 N in de X-richting. Het gewicht van de drukbox en de reactiekracht van de cilinder zorgen hier voor de vervorming. De spanning en vervorming in de stalen pen zijn zeer klein. De resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 13 tem. 16.

10.2.2.2.

Gestrekte toestand

In dergelijke toestand, nl de gestrekte toestand wordt er onderzocht of er al vervormingen zijn opgetreden. De gestrekte toestand is de toestand waarbij de kniegewrichten recht zijn gezet.

Figuur 13.6: Stalen pen van het onderste systeem bij gestrekte toestand

De voorwaarden zijn dezelfde als bij het bovenste kniegewrichtensysteem tijdens de gestrekte toestand. De kracht voor elk van de buitenste bronzen bussen is - 294,25 N in de Y-richting.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

75

Er treedt vervorming op in de gestrekte toestand van het kniegewrichtensysteem. Het is enkel het gewicht van de drukbox die nu de vervormingen teweeg brengt. Maar de vervorming is zo miniem, dat het niet met het blote oog kan waargenomen worden. De resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 17 tem. 20.

10.2.2.3.

Vormtoestand

In de vormtoestand wordt er onderzocht waar de vervormingen optreden. De vormtoestand is de toestand waarbij de kniegewrichten zijn rechtgezet en waarbij de perslucht op het kniegewrichtensysteem drukt.

Figuur 13.7: Stalen pen van het onderste systeem bij vormtoestand

In de figuur 13.7 kan men weer dat de voorwaarden dezelfde zijn als bij het bovenste kniegewrichtensysteem tijdens de vormtoestand. De krachten zijn dan weer verschillende, nl de druk bedraagt - 5.105 N/m² en de kracht voor elk van de buitenste bronzen bussen is - 294,25 N in de Y-richting. Het valt op dat de druk is dezelfde richting heeft het gewicht van de drukbox. De vervorming die optreedt is nu het grootst, omdat de druk en het gewicht van de drukbox samen op het kniegewrichtensysteem drukken. De resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 21 tem. 24.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

76

10.3. De bovenen ondertafel Er is degelijk een verschil tussen de bovenen de ondertafel. De boventafel steunt enkel op vier kolommen, terwijl de ondertafel op het frame van de machine kan rusten. De ondertafel kan dus grotere krachten opvangen zonder er al teveel last van te hebben. Het was eigenlijk de bedoeling om iets meer te weten te komen over de kolombouten. Deze gaan regelmatig stuk, vandaar de interesse. Er is nu een probleem gerezen bij het simuleren, de kolombouten zelf kunnen niet gesimuleerd worden, waardoor enkel de boven- of de ondertafel en het bijhorende tussenstuk kunnen gesimuleerd worden. Bij het kniegewrichtensysteem is het duidelijk dat er weinig verschil is tussen de rusten de gestrekte toestand, daarom gaat men vervolgens de rusttoestand overslaan bij verdere verloop van de onderzoeken. Op de verschillende afbeeldingen kan men groene, roze en rode pijlen onderscheiden. De groene pijlen staan voor voorwaarden, de roze voor krachten en de rode voor druk. Op de verschillende afbeeldingen kan men ook het assenstelsel waarnemen. Dus als men een negatieve waarde ziet, dan betekent dit dat bijvoorbeeld een kracht tegengesteld is aan de richting van het assenstelsel.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

10.3.1.

De boventafel

10.3.1.1.

Gestrekte toestand

77

In dergelijke toestand, nl de gestrekte toestand wordt er onderzocht of er al vervormingen zijn opgetreden. De gestrekte toestand is de toestand waarbij de kniegewrichten recht zijn gezet.

Figuur 13.8: Boventafel bij gestrekte toestand

Op de figuur 13.8 kan men een voorwaarden en krachten zien. Als voorwaarde heeft men gesteld dat de boventafel vastzit aan de kolommen via de vier gaten. Het is enkel het gewicht van de matrijs, met een waarde van - 1324,35 N in de Y-richting, dat via het tussenstuk aan de boventafel hangt. Door het gewicht van de matrijs buigt de boventafel naar beneden. Deze vervorming zal overgedragen worden naar de kolombouten. De resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 25 tem. 28.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

10.3.1.2.

78

Vormtoestand


Figuur 13.9: Boventafel bij vormtoestand

Op de figuur 13.9 kan men dezelfde voorwaarde zien als bij de gestrekte toestand. Het is het gewicht van de matrijs, met een waarde van - 1324,35 N, dat via het tussenstuk aan de boventafel hangt en de in tegengestelde richting komende druk van + 5.105 N/m² in de Yrichting. Het is opmerkelijk dat tijdens de gestrekte toestand de boventafel naar beneden buigt en bij de vormtoestand naar boven buigt. Deze wisselingen kunnen aanleiding geven tot vermoeiingsbreuken, vooral dan bij de kolombouten. De resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 29 tem. 32.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

10.3.2.

De ondertafel

10.3.2.1.

Gestrekte toestand

79

In de gestrekte toestand wordt er onderzocht of er al vervormingen zijn opgetreden. De gestrekte toestand is de toestand waarbij de kniegewrichten recht zijn gezet.

Figuur 13.10: Ondertafel bij gestrekte toestand

De voorwaarden die men kan zien in figuur 13.10 zijn dezelfde als de voorwaarden bij de boventafel. Het is enkel het gewicht van de drukbox, met een waarde van - 1177 N in de Y-richting, dat via het tussenstuk drukt op de ondertafel. Het gewicht van de drukbox wordt naar de ondertafel overgedragen. Er treedt bijgevolg vervorming op, die zich op zijn beurt doorzet naar de kolombouten. Er dient opgemerkt te worden dat de doorbuiging gedeeltelijk zal opgevangen worden, want de ondertafel rust op het frame van de vormmachine. De resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 33 tem. 36.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

10.3.2.2.

80

Vormtoestand


Figuur 13.11: Ondertafel bij vormtoestand De voorwaarden en het gewicht van de drukbox zijn hetzelfde als bij de gestrekte toestand, er is enkel de druk van -5.105 N/m² in de Y-richting bijgekomen. De druk en het gewicht van de drukbox duwen in dezelfde richting via het tussenstuk op de ondertafel. Dankzij de perslucht en het gewicht van de drukbox krijgt men vervorming. Logisch gezien is deze groter dan de vervorming bij de gestrekte toestand. Er zullen grotere krachten worden uitgeoefend op de kolombouten. Er dient opgemerkt te worden dat de doorbuiging gedeeltelijk zal opgevangen worden, want de ondertafel rust op het frame van de vormmachine. De resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 37 tem. 40. 10.4. De bovenste en onderste middentafel In dit laatste paragraaf wordt er onderzocht of de matrijs en de drukbox veel vervorming ondervinden en hoe de positie van de matrijs of de drukbox invloed heeft naar de kniegewrichten toe.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

81

Bij het kniegewrichtensysteem is het duidelijk dat er weinig verschil is tussen de rusten de gestrekte toestand, daarom gaat men vervolgens de rusttoestand overslaan bij verdere verloop van de onderzoeken.

10.4.1.

De bovenste middentafel

10.4.1.1.

Gestrekte toestand

Er wordt enkel de matrijs en de bovenste middentafel gesimuleerd. De berekening is onmogelijk, indien er teveel onderdelen worden gesimuleerd.

Figuur 13.12: Bovenste middentafel bij gestrekte toestand

Op de figuur 13.12 ziet men dat de gaten die voorzien zijn voor de bouten vast worden verondersteld en de kolomgaten worden als onbeweegbaar gesteld. Enkel het gewicht van de matrijs, - 1324,35 N de Y-richting, speelt een rol. Dit is de ideale positie van de matrijs. Er optreden wel een aantal minimale vervormingen op, maar het heeft geen bijzondere gevolgen. De resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 41 tem. 44.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

10.4.1.2.

82

Vormtoestand

Figuur 13.13: Bovenste middentafel bij vormtoestand

Op de figuur 13.13 is er nu de druk van 5.105 N/m² bijgekomen, deze is tegengesteld aan de richting van het gewicht van de matrijs. In vergelijk met de krachtwerking tijdens de gestrekte toestand, ziet men nu dat de matrijs gaat drukken op het kniegewrichtensysteem. Voor de matrijs is dit niet zo erg, maar voor de zwakkere onderdelen zoals de stalen pennen, de bronzen bussen en de kolombouten wel. De resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 45 tem. 48.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

10.4.2.

83

De matrijs gelijk met de bovenste middentafel

Hier wordt de matrijs gelijk met de middentafel gezet. Er wordt nu naar de effecten hiervan gekeken. 10.4.2.1.

Gestrekte toestand

Figuur 13.14: Matrijs gelijk met bovenste middentafel tijdens gestrekte toestand

Op de figuur 13.14 ziet men dat de gaten die voorzien zijn voor de bouten vast worden verondersteld en de kolomgaten worden als onbeweegbaar gesteld. Enkel het gewicht van de matrijs, - 1324,35 N de Y-richting, speelt een rol. Bij deze berekening heeft men de matrijs gelijk met de bovenste middentafel gezet. Het zwaartepunt van de matrijs verplaatst zich naar de achterkant van de middentafel. Nu blijkt dat wel vervorming en krachtwerking is, maar niet van die mate dat een groot probleem kan teweeg brengen. De resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 49 tem. 52.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

10.4.2.2.

84

Vormtoestand

Figuur 13.15: Matrijs gelijk met bovenste middentafel tijdens vormtoestand

Op de figuur 13.15 is er nu de druk van 5.105 N/m² bijgekomen, deze is tegengesteld aan de richting van het gewicht van de matrijs. Uit de figuren van aanhangsel A, nl. figuren 53 tem. 56, kan er duidelijk afgeleid worden dat tijdens de vormfase de zijde waar de matrijs uitsteekt de meeste krachtwerking zal overbrengen naar het kniegewrichtensysteem. Dit zal als gevolg hebben, dat bij het persen de machine gaat bewegen. Men ziet ook dat de matrijs grote vervorming heeft aan de achterkant. Daarom moet men de matrijs en de drukbox zeer goed op elkaar gaan persen, zodat men een goed hermetisch afgesloten geheel krijgt.

10.4.3.

De onderste middentafel

Het onderzoek van de onderste middentafel valt weg, omdat men hier dezelfde besluiten kan trekken als bij de bovenste middentafel. De overige resultaten kan men terugvinden in aanhangsel A, figuren 57 tem. 72.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

85

10.5. Conclusie Bij het bovenste kniegewrichtensysteem valt er op dat bij de resultaten van de rusttoestand en de gestrekte toestand weinig verschil is in waarde. Bij de vormtoestand is het enerzijds het gewicht van de matrijs die de vervorming teweeg brengt, anderzijds is het de in tegengestelde richting komende druk die vervorming geeft in de andere richting. Bij het onderste kniegewrichtensysteem kan er opnieuw besloten worden dat er weinig verschil is tussen de rusten de gestrekte toestand. Wat ook is opgevallen dat de vervorming tijdens de vormtoestand bij het onderste kniegewrichtensysteem veel groter is dan de vormtoestand bij het bovenste kniegewrichtensysteem. Bij de boventafel is het opmerkelijk dat tijdens de gestrekte toestand de boventafel naar beneden buigt en bij de vormtoestand naar boven buigt. Dit zet zich verder naar de kolombouten. De vermoeiingsbreuk zal hier de voornaamste oorzaak zijn van de optredende problemen. Bij de ondertafel dient er gewoon opgemerkt te worden dat de krachten grotendeels worden opgevangen door het frame van de machine. Het zijn dus vooral de kolombouten van de boventafel die de enorme spanningen krijgen te verwerken. Wanneer de matrijs gecentreerd is onder de bovenste middentafel ziet men dat er weinig tot geen vervormingen zijn. Men kan natuurlijk de verschillen zien tussen de gestrekte en de vormtoestand. Maar dit is dan ook de ideale positie voor de matrijs. Men kan wel besluiten dat voor een hermetische gesloten geheel te krijgen, men de matrijs en de drukbox zeer goed op elkaar moet persen. Wanneer men de matrijs gelijk met de voorkant van de bovenste middentafel zet, verplaatst het zwaartepunt van de matrijs zich naar de achterkant van de middentafel. Nu blijkt dat er wel vervorming en krachtwerking optreedt, maar niet van die mate dat dit een groot probleem kan teweeg brengen. Tijdens de vormfase zal de zijde waar de matrijs uitsteekt de meeste krachtwerking overbrengen naar het kniegewrichtensysteem. Dit zal als gevolg hebben, dat bij het persen de machine gaat bewegen. Men ziet ook dat de matrijs grote vervorming heeft aan de achterkant. Daarom moet men de matrijs en de drukbox zeer goed op elkaar gaan persen, zodat men een goed hermetisch afgesloten geheel krijgt. Het is dus beter de matrijs en de drukbox te centreren onder de middentafel.

Olivier Bisoux


EEM-analyse

86

Een mogelijk oplossing voor het opvangen van de krachten, is het tussenstuk, tussen tafel en kniegewrichtensysteem, te vervangen door een soort dempingsysteem. Bijvoorbeeld bij het persen kan men de krachten laten opvangen door het dempingsysteem, maar dit mag niet ten koste gaan van hermetische gesloten geheel. Een andere oplossing is, waarvan men in ANL Plastics reeds gebruik maakt, de kniegewrichten rechtzetten zonder dat de matrijs en de drukbox contact maken. En vervolgens door hydraulische cilinders, die aan de boventafel geplaatst is, de matrijs en de drukbox op elkaar te persen. Op deze manieren wordt de boventafel minder belast, alsook de kolombouten. Een voorbeeld van EEM-resultaat kan men in bijlage C terugvinden.

Olivier Bisoux


11. Algemeen besluit

Het is duidelijk dat bij de vormmachines van de groep 100 hetzelfde dient te gebeuren, zoals bij vele andere machine al gebeurd is. Namelijk eerst zorgen dat de kniegewrichten zich hebben rechtgezet, om dan vervolgens met de aan de bovenen ondertafel bevestigde servomotoren het hermetisch gesloten geheel te vormen. Een ander mogelijkheid is het idee om een dempingsysteem als tussenstuk te gaan gebruiken. Het minpunt hiervan is dat het maar een idee is, en dat het waarschijnlijk een hele investering zal zijn om zoiets te ontwikkelen. Over de glijlagers kan men het volgende kwijt. Het zou misschien een goed idee zijn om eens een hydrostatische smering te proberen op één van de vormmachines van de groep 100. En een vergelijking te maken tussen kosten en opbrengsten van een machine met hydrostatische smering en een machine met hydrodynamische smering. Een andere mogelijkheid zou zijn, wentellagers i.p.v. glijlagers te gebruiken. Meerbepaald cilinderlagers, want deze kunnen meer radiale krachten opvangen. Over het EEM-programma CosmosWorks, ben ik eigenlijk een beetje teleurgesteld. Met het potentieel in mijn bezit kwam er eigenlijk te weinig resultaat uit. Er moest een grote vereenvoudiging van onderdelen worden gedaan, om een resultaat te bekomen. Waarschijnlijk zal het programma veel beter werken m.b.v. een mainframe. Het was dan ook de bedoeling om op een zo goedkope manier een aantal problemen te kunnen oplossen. Na zwoegen en zweten zijn er dan toch een hele boel dingen die dit eindwerk mij bijgebracht hebben. Toen ik begon aan dit eindwerk wist ik helemaal niet wat het uiteindelijk resultaat zou zijn. En achteraf gebleken, heb ik er zeker goed aan gedaan om alleen aan een eindwerk bezig te zijn. Ik heb geleerd zelfstandig te zijn en zelf initiatief te nemen, indien dit nodig was. Dit eindwerk heeft mij ook een goed voorbeeld gegeven hoe een probleemstelling te analyseren en te verwerken. Het heeft mijn kennis in het CAD- en EEM-programma zeker verdiept. En het is dan ook een nuttig ervaring geweest dit eindwerk te mogen doen, om zo een ander werkgebied te kunnen ervaren.

Aanhangsel A: Figuren

Figuur 1: Kniegewrichten 1tem3 (boven) – Rust (midden)




Figuur 5: Kniegewrichten 1tem3 (boven) – Recht (midden)




Figuur 9: Kniegewrichten 1tem3 (boven) – Druk (midden)




Figuur 13: Kniegewrichten 1tem3 (onder) – Rust (midden)




Figuur 17: Kniegewrichten 1tem3 (onder) – Recht (midden)




Figuur 21: Kniegewrichten 1tem3 (onder) – Druk (midden)




Figuur 25: Boventafel – Recht




Figuur 29: Boventafel – Druk




Figuur 33: Ondertafel – Recht




Figuur 37: Ondertafel – Druk




Figuur 41: Middentafels (boven) – Recht




Figuur 45: Middentafels (boven) – Druk




Figuur 49: Middentafels (boven) – Recht (tegen)




Figuur 53: Middentafels (boven) – Druk (tegen)




Figuur 57: Middentafels (onder) – Recht




Figuur 61: Middentafels (onder) – Druk




Figuur 65: Middentafels (onder) – Recht (tegen)




Figuur 69: Middentafels (onder) – Druk (tegen)

Figuur 70: Middentafels (onder) – Druk (tegen)

Literatuuropgave – Referenties 2. www.anl-plastics.be; 3. en 4. D. Seron, Optimaliseren van het magazijn, 2003, Khlim Diepenbeek; 6. D. Muhs, Roloff/Matek machineonderdelen, 2002, Academic Service,

Schoonhoven; 7. E. Meijers, Ontwerpen van dunne plaat producten en de Eindige Elementen

Methode, Tech-Info-Blad, Nr. TI.04.22, maart 2004, blz. 1 – 24.

Bijlage A

Smering

11.1. Overzicht Om de geometrische vorm van machineonderdelen te bewaren, d.w.z. om te verkomen dat slijtage plaats vindt aan de oppervlakte van corresponderende elementen, moeten de machineonderdelen in het tribologische contact effectief door een smeermiddel van elkaar gescheiden worden, d.w.z metaal-op-metaalcontact moet voorkomen worden gedurende de rol- of glijbeweging. Dit kan in de eerste plaats bewerkstelligd worden door een gesloten olie- of vetfilm met draagvermogen (hydrodynamische smering) of door oppervlakte coating (smering met een vaste stof) op de machineonderdelen in het tribologische contact. De vast-stoffilms kunnen gevormd worden door zogenaamde etslagen. Chemische werkzame additieven die in een olie of vet tot een bepaald percentage opgeslagen liggen, vormen een chemische reactie met het ijzer in het staal bij het tribologisch contact wanneer gedurende het wrijvingscontact voldoende hoge temperaturen ontstaan. Bij een bepaalde temperatuur reageren chemische additieven met het metalen oppervlak en vormen daarmee etslagen die zeer vast verankeren, die zware belastingen kunnen opnemen en zeer slijtvast zijn. In de grens- en mengwrijvingssituatie zijn er echter omstandigheden waarin er geen voldoende hoge wrijvingstemperaturen voorkomen, zodat er geen film van vaste stof kan worden gevormd uit chemische additieven. In dergelijke gevallen kunnen de vaste smeerstoffen in het tribologisch contact afgezet worden op basis van de druk tussen de elementen in het wrijvingscontact. Deze vaste smeerstoflagen hebben geen wrijvingstemperatuur nodig voor hun vorming. Deze lagen kunnen ook zware belastingen opnemen, slijtage voorkomen en wrijving verminderen. Bovendien kunnen dergelijke films van vaste smeerstof ook als behandeling daarop opgebracht worden, dat is te zeggen als AF-coating (anti-friction-coating) of in de vorm van pasta. Wegens het gebruik van chemische additieven door een reactie verliest een smeermiddel op den duur aan additiefgehalte. Ook bij een hoge afschuifbelasting kunnen additieven voor de verbetering van viscositeittemperatuur-gedrag, de zogenaamde viscositeit-indexverbeteraars, afgebroken worden. De zogenaamde afschuifstabiliteit is daar een maatstaf voor. De afschuifstabiliteit varieert bij de verschillende soorten additieven.

11.2. Hydrodynamische smering Onder hydrodynamische smering wordt de smeringsituatie verstaan die voor een volledige scheiding van de corresponderende elementen van het tribologische systeem zorgt. Daarbij treedt geen slijtage op. De effectieve viscositeit die het meest voorkomt op het bedrijfspunt is verantwoordelijk voor de krachtoverbrenging via het smeermiddel. Hierbij wordt aan de primaire eis aan het smeermiddel, namelijk krachtoverbrenging zonder slijtage bij scheiding van de corresponderende oppervlakken, tegemoet gekomen door te zorgen voor minimale viscositeit op het bedrijfspunt, d.w.z. onder invloed van de volgende grootheden:

Temperatuur;

Druk;

Afschuifverval;

Hydrodynamisch werkzame snelheid en glijsnelheid;

Bedrijfstijd resp. walktijd.

De moeilijkheid zit hem in het vaststellen van de viscositeit in het aangezien deze onder invloed staat van de grootheden:

Temperatuur;

Druk;

Afschuifverval (bij niet-Newtons vloeigedrag);

Tijd (bij niet-Newtons vloeigedrag).

11.3. Droge smering In tegenstelling tot hydrodynamische smering, die een volledige scheiding van de contactoppervlakken waarborgt door een viskeus of consistent medium, zoals olie of vet bestaat er ook de mogelijkheid de oppervlakken door droge smeerstoffen te scheiden. Wat betreft droge smering wordt voor ingebruikneming van het wrijvingscontact op de corresponderende oppervlakken een AF-coating (anti-friction coating) aangebracht. Aanbrenging van de AF-coating wordt volgens de bedrijfsvoorwaarden en fysische invloedsfactoren uitgevoerd, waarbij de voorbehandeling van het oppervlak van grote

invloed is op de levensduur. Bij de juiste aanbrenging krijgen onderdelen hun vereiste levensduur zonder nasmering.

Het voordeel boven hydrodynamische smering is dat een droge en schone smeerfilm ongewenste of storende onzuiverheden uitsluit. Een AF-coating kan ook als doeltreffend inloopsmeermiddel worden gebruikt om de oppervlakteruwheden glad te maken. 11.4. Viscositeit en vloeigedrag Smeermiddelviscositeit vertoont een bijzonder hoge afhankelijk van temperatuurveranderingen. De viscositeit van smeermiddelen neemt gewoonlijk af bij stijgende temperatuur, d.w.z. het smeermiddel wordt vloeibaarder en de taaiheid ervan wordt minder. Vanzelfsprekend moet er ook in bedrijf bij hoge temperaturen een voldoende hoge viscositeit zijn, zodat een dragende smeerfilm kan worden opgebouwd. Anderzijds moet het smeermiddel wanneer het aan koude blootstaat niet te dik worden, maar moet het kunnen blijven vloeien of gepompt worden. De zogenaamde viscositeitindex (VI) is een eenheid voor deze viscositeit-temperatuur-afhankelijkheid. Een hoge VI is een teken dat de viscositeit slechts in geringe mate van de temperatuur afhangt. 11.5. Classificaties Smeermiddelen zijn in bepaalde categorieën onderverdeeld, bijv. ISO-viscositeitsklassen volgens DIN 51 519 of de bij automobilisten algemeen bekende SAE-classificatie voor motorolie.

Smeermiddeltypen

11.6. Overzicht In deze paragraaf wordt het verschil behandeld tussen de smeermiddeltypen naar aggregatietoestand en consistentie. Er worden voor industrieel gebruik voornamelijk de volgende smeermiddeltypen onderscheiden: -

Oliën;

-

Vetten;

-

Pasta’s;

-

Vetpasta’s;

-

Vaste smeerstoffen.

11.7. Oliën Het voordeel van smeeroliën is dat deze bij temperatuur-kritieke toepassingsgebeiden, bijv. verbrandingsmotoren,

naast

krachtoverbrenging

nadelige

warmte-energie

uit

de

wrijvingsplaats verdrijven. Het nadeel ervan is dat ze bewust op het wrijvingspunt moet worden gericht, aangezien ze door hun vloeigedrag uit de smeerspleet lekken. Zonder extra voorzorgen zal een wrijvingspunt dat gesmeerd is met olie zeer spoedig doorlopen. Er bestaan smeeroliën op basis van minerale olie of op basis van synthetische vloeistoffen. Beide soorten kunnen met of zonder additieven worden gebruikt. 11.8. Vetten Het voordeel van smeervetten is dat zij in het gebied van het wrijvingspunt blijven, omdat ze door hun consistente aard niet slechts wegvloeien door de werking van de zwaartekracht. Daarbij komt dat overtollig, consistent smeermiddel aan de rand van het wrijvingscontact als afdichtmiddel tegen vervuiling uit de omgeving fungeert. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen smeervetten op basis van soorten verdikkingsmiddel en basisoliën. Er bestaan smeervetten met zeepverdikkers en met niet-zeep verdikkers. Bij beide groepen kan de basisolie uit minerale olie of uit een synthetische vloeistof bestaan. Het vloeigedrag van vetten wordt enerzijds bepaald door de viscositeit van de basisolie en anderzijds door de verdikkingswerking van de zeep en hun afhankelijkheid van temperatuur, druk, afschuifverval en afschuiftijd. Daar het bij de meeste oliesoorten

onmogelijk is het vloeigedrag met de nodige nauwkeurigheid te meten, lijkt het geen zin te hebben om te proberen het vloeigedrag van vetten vast te leggen. Het draagvermogen van een vet kan slechts bepaald worden door middel van de viscositeit en de EP/AW-eigenschappen (EP = extreme pressure; AW = anti-wear). De gegevens van rust- resp. walkpenetratie of consistentie van een vet geven slechts een indicatie hoe stijf of week een vet is. Deze informatie is belangrijk bij het vaststellen, of een vet: -

Getransporteerd kan worden door centrale smeerinstallaties (NLGI = 000 tot 2);

-

In drijfwerken bij dompelsmering vanwege het vermogen te blijven vloeien gebruikt kan worden (NLGI = 000 tot 1; bij grotere stijfheid blijft het vet niet navloeien en komt het tot een zogenaamde tunnelvorming);

-

De vereiste consistentie heeft voor het gebruik in lagers (NLGI = 1 tot 3);

-

Vast genoeg is om afdichtfuncties in instrumenten, schuiven enz. te vervullen (NLGI = 4 tot 6).

Vetten kunnen door gebruik in speciale toepassingen als hechtsmeermiddelen ontwikkeld zijn. Deze producten bezitten een opmerkelijke adhesie tot het oppervlak, nadat ze op het smeerpunt zijn aangebracht. Dit heeft als voordeel dat de smeermiddelen op de wrijfvlakken blijven ook als ze onderworpen worden aan sterke centrifugale krachten. 11.9. Pasta’s Er treedt dikwijls schade op aan tribologisch belaste metaaloppervlakken gedurende de montage en de inloop van machines in het grenswrijvingsgebied. Door dunne lagen van vaste smeerstof, die zeer hoge belastingen kunnen overbrengen en die een uitstekend antislijtagewerking hebben, kan schade aan het oppervlak veroorzaakt worden door hoge oppervlaktespanningen bij lage snelheden worden voorkomen. Om het aanbrengen van dergelijke dunne vaste smeerstoffen op de tribologisch belaste metaaloppervlakken te vergemakkelijken, is er een reeks smeerstofpasta’s ontwikkeld die in wezen bestaan uit een combinatie van verschillende vast smeerstoffen en een draagolie, bestaande uit minerale olie resp. synthetische olie. Deze vaste-stofbevattende smeerpasta’s zijn vooral geschikt als montagehulpmiddel en als inloopsmeerstoffen.

11.10. Vetpasta’s Er bestaan vele tribologische omstandigheden waar een smeermiddel voor nodig is dat zowel de voortreffelijke eigenschappen van een smeerpasta met betrekking tot anti-slijtage en hoge-drukwerking bezit als ook de goede resistentie van een vet tegen uitdrogen en uitbloeden heeft. Hiertoe zijn vetpasta’s ontwikkeld. In vergelijking met vetten hebben deze producten een hoog vaste-stofgehalte en vertonen dan ook een zeer goede smeerwerking in het grens-wrijvingsgebied. Bovendien bevatten ze een zeep die hen zeer resistent maakt tegen het uitdrogen en uitbloeden. Terwijl smeerpasta’s meestal als dunne films worden aangebracht, kunnen vetpasta’s zeer dik worden aangebracht. Vetpasta’s kunnen ook door centrale smeerinstallaties getransporteerd worden. 11.11. Vaste smeerstoffen Vaste smeerstoffen kunnen in de vorm van AF-coatings (anti-friction-coatings), pasta’s of droogpoeder worden gebruikt, maar worden ook als additieven in vetten en oliën gebruikt ter verbetering van de smeerwerking, van de inloop of ook voor noodloopeigenschappen. Door oncontroleerbare aanwezigheid op het wrijvingscontact kan droogpoeder slechts voor enkele toepassingen worden gebruikt. Er worden dikwijls producten die vaste smeerstoffen bevatten gebruikt om problemen op te lossen, waarbij AF-coatings op grond van de laatste tientallen jaren uitstekend voldaan in de lucht- en ruimtevaart en worden in alle takken van de industrie gebruikt, vooral in de kritische wrijvings- en slijtagegebieden.

Smering bij glijlagers

11.12. smeertechniek Glijlagers kunnen afhankelijk van het gebruik met vetten, oliën en met vaste smeerstoffen of combinaties daarvan worden gesmeerd. Nieuwe ontwikkelingen en het feit dat er steeds nieuwe materialen bij komen maken onderhoudsarme of arme of zelfs onderhoudsvrije werking mogelijk met inachtneming van een begrensde gebruiksduur. Er wordt onderscheid gemaakt tussen glijlagers:

Met continue nasmering;

Met intervalsmering, d.w.z. er wordt met bepaalde tussentijden smeermiddel toegevoerd;

Met onderhoudsvrije duursmering, d.w.z. er wordt slechts eenmaal smeermiddel toegevoerd;

Uit zelfsmerende materialen.

Bij continue smering of intervalsmering kan een nagenoeg onbegrensde levensduur worden bereikt (bij voorkeur oliesmering). Hoge lagerbelastingen en hoge toerentallen zijn mogelijk bij het juiste lagerontwerp en de juiste smeermiddeltoevoer en ook de geschikte smeermiddelsoort en viscositeit van het smeermiddel. 11.13. Smeermiddelkeuze De belangrijkste eis aan de smeerfilm gedurende de totale gebruiksduur van het lager is de belastingsoverbrenging bij minimale slijtage percentages en zonder noemenswaardige prestatieteruggang. Daarom is het belangrijk de wrijvingsprocessen vanaf het rotatiebegin tot de opbouw van een dragende hydrodynamische smeerfilm te bekijken. Dit ook zo tot stilstand.

Bij het constructieve ontwerp van een glijlager wordt met de volgende factoren rekening gehouden:

Glijvlakken en glijsnelheid;

Lagerspeling;

Dikte van smeerfilm;

Vorm en afmetingen van lager;

Krachten en drukken/lagerbelastingsgrens;

Wrijvingsvermogen en wrijvingscoëfficiënt;

Warmtebalans en temperatuurverloop.

11.14. Gebruikte producten

I. Fin Food Grease E

Beschrijving:

Universeel smeervet met Teflon®* voor de voedingsmiddelen- en farmaceutische industrie;

Temperatuurbereik: -20°C tot 170°C.

Toepassingen:

Geschikt voor smering van alle onderdelen in schone milieus, zoals kettingen, lagers van machines, verpakkingsmachines en persen die in aanraking kunnen komen met voedingsmiddelen produkten. Geschikt voor alle typen automatische smeersystemen.

Voordelen:

NFA en NSF H1 geaccepteerd;

Zeer hoge bestandheid tegen water en stoom tot 170°C;

Bevat Teflon®* voor langdurige smering;

Vlekt niet;

Lange standtijd.

II. Bardahl GTU S.2.

GTU:

Familie van vet lithium dat door toevoegingen wordt versterkt, anti-slijtage en uiterste druk en zeer sterk. Beschikbaar in 6 verschillende graden.

Toepassingen:

Oliën van circulaties, scheringen, scharnieren, drijfwerken en in het algemeen alle organen die aan sterke technische verplichtingen zijn gebonden;

Verzet zich tegen verdunning door het water;

Waarborgt een hogere roestwerende bescherming;

Zeer aangesloten op de metalen oppervlakte.

Technische informatie:

Te gebruiken van -30°C aan + 140°C in functie van de graad;

Graad NLGI 000 tot 3;

Weerstand tegen de lassing 315 Kg en 500 Kg voor GTU R 00 en 000.

Figuur 9.1: Bardahl GTU S.2.

De evolutie:

Utilisatie van een nieuwe generatie van toevoeging van anti-slijtage en de uiterste druk heeft ons toegelaten om een nieuw vet op basis van zeep lithium te ontwikkelen: GTU S. 2.

Bijlage B

Figuur 1: Bout A voor kniegewrichtensysteem

Figuur 2: Bout BC voor kniegewrichtensysteem

Figuur 3: Bout D voor kniegewrichtensysteem

Figuur 4: Kniegewricht type 1




Figuur 8: Kniegewrichtensysteem

Figuur 9: Bout voor bevestiging matrijs

Figuur 10: Bevestiging voor matrijs

Figuur 11: Matrijs

Figuur 12: Kolombout

Figuur 13: Kolom

Figuur 14: Tussenstuk (tussen kniegewrichten en tafels)

Figuur 15: Middentafel

Figuur 16: Tafel (Boventafel)

Bijlage C

De vormtoestand van het bovenste kniegewrichtensysteem Author: Olivier Bisoux

1. Title 2. Introduction 3. Description 4. File Information 5. Materials 6. Load Information 7. Study Property 8. Contact 9. Stress Results 10. Strain Results 11. Displacement Results 12. Deformation Results 13. Conclusion 14. Appendix

1. Title

De spanningsberekening in het bovenste kniegewrichtensysteem.

2. Introduction

In de vormtoestand wordt er onderzocht waar de vervormingen optreden. De vormtoestand is de toestand waarbij de kniegewrichten zijn rechtgezet en waarbij de perslucht op het kniegewrichtensysteem drukt. Om deze berekeningen mogelijk te maken, wordt er op de kern van het probleem toegespitst. Maw. op de middelste stalen pen met de bijhorende bronzen bussen. In ideale omstandigheden (geen wrijving, geen verliezen,...) laat men hier de krachten op aangrijpen, op die manier kan er een mogelijk beeld van de krachtwerking in het kniegewrichtensysteem gevormd worden.

3. Description

De stalen pen met de bijhorende bronzen bussen bevinden zich in het midden van het kniegewrichtensysteem. Men laat hier de optredende kracht, die er in de gestrekte toestand heersen, op aangrijpen. De resultaten van de berekeningen worden in de volgende figuren weergegeven.

4. File Information

Model

Kniegewrichten 1tem3 (boven)

name:

C:\Documents and Settings\Olivier\Mijn Model

documenten\HL\Eindwerk\Solidworks

location:

2003\Assemblies\Kniegewrichten 1tem3 (boven).SLDASM

Results location: Study

C:\program files\COSMOS Applications\work

Druk (midden)

name:

5. Materials

No.

Part Name

Material

Gewricht type 2- Gewricht type 21

1/Bronzen bus 1- 1/Bronzen bus 1-33

Input



Input



Input


1/Stalen

1/Stalen pen(lang)-

pen(lang)-1

1-Input

Mass

Volume

0.133098 1.78753e-005 kg

m^3

0.133098 1.78753e-005 kg

m^3

0.268851 3.61072e-005 kg

m^3

2.74253

0.000341536

kg

m^3

6. Load Information

Restraint Restraint-1

on 1 Face fixed.

Description: Restraint-2

on 1 Face fixed.

Description: Restraint-3

on 1 Face immovable (no translation).

Description:

Load Pressure-1

on 1 Face with Pressure 50000 N/m^2 along

plane Plane1 Dir 2

1/Bronzen bus 1-3> Description: Pressure-2

on 1 Face with Pressure 50000 N/m^2 along

plane Plane1 Dir 2

1/Bronzen bus 1-2> Description: Force-1
on 1 Face apply force -331.09 N along plane

type 2-1/Bronzen

along plane using uniform distribution

bus 1-3>

Description: Force-2
on 1 Face apply force -331.09 N along plane

type 2-1/Bronzen

along plane using uniform distribution

bus 1-2> Description:

7. Study Property

Mesh Information

Mesh Type

Solid mesh

Mesher Used:

Standard

Automatic Transition:

Off

Include Mesh Controls:

On

Smooth Surface:

On

Jacobian Check:

4 Points

Element Size:

7.4513 mm

Tolerance:

0.37257 mm

Quality:

High

Number of elements:

16012

Number of nodes:

24558

Solver Information

Quality:

High

Solver Type:

FFE

8. Contact

Initial contact state: Touching faces - Bonded

9. Stress Results

Name

Plot1

Type

Von Mises

Min

61.7566 N/m^2 Node: 5306

Location

(-0.0978818 m, 0.167308 m, 0.162155 m)

Max

29160.6 N/m^2 Node: 830

Kniegewrichten 1tem3 (boven)-Druk (midden)-Stress-Plot1 JPEG

VIEW

Location

(-0.1152 m, 0.14646 m, 0.151265 m)

10. Strain Results

Name

Plot1

Type

ESTRN

Min

5.25901e-010 Element: 13740

Location

(-0.0774524 m, 0.167927 m, 0.131095 m)

Max

2.28937e-007 Element: 956

Kniegewrichten 1tem3 (boven)-Druk (midden)-Strain-Plot1 JPEG

VIEW

Location

(-0.0380865 m, 0.144358 m, 0.129803 m)

11. Displacement Results

Name

Plot1

Type

Res Disp

Min

0m Node: 126

Location

(-0.1152 m, 0.167308 m, 0.162155 m)

Max

4.78948e-009 m Node: 175

Location

(-0.14568 m, 0.165751 m, 0.162108 m)

Kniegewrichten 1tem3 (boven)-Druk (midden)-Displacement-Plot1 JPEG

VIEW

12. Deformation Results

Plot No.

1

Scale Factor

4.8112e+006

Kniegewrichten 1tem3 (boven)-Druk (midden)-Deformation-Plot1 JPEG

VIEW

13. Conclusion

Er treedt evenals de andere toestanden vervorming op in het kniegewrichtensysteem. Maar de vervorming tijdens de vormtoestand is bijvolg ook groter dan de andere toestanden. En door vermoeiing van het materiaal zal het na een bepaalde tijd scheuren. Men moet wel opletten dat de figuren geen verkeerd beeld schetsen, men dient vooral met de legende rekening te houden.

14. Appendix

Material name:

Gewricht type 2-1/Bronzen bus 1-3-Input

Description: Material Source

Input

Material Model Type

Linear Elastic Isotropic

Unit system:

SI

Property Name

Value

Elastic modulus

1.0687e+011 N/m^2

Poisson's ratio

0.3

Shear modulus

4.3e+010 N/m^2

Mass density

7445.9 kg/m^3

Tensile strength

6.5503e+008 N/m^2

Compressive strength

0 N/m^2

Yield strength

2.758e+008 N/m^2

Thermal expansion coefficient

3.5166e-008 /Kelvin

Thermal conductivity

58.672 W/(m.K)

Specific heat

418.68 J/(kg.K)

Material name:



Input

Material Model Type


Unit system:

SI

Property Name

Value

Elastic modulus

1.0687e+011 N/m^2

Poisson's ratio

0.3

Shear modulus

4.3e+010 N/m^2

Mass density

7445.9 kg/m^3

Tensile strength

6.5503e+008 N/m^2


0 N/m^2

Yield strength

2.758e+008 N/m^2


3.5166e-008 /Kelvin


58.672 W/(m.K)

Specific heat

418.68 J/(kg.K)

Material name:



Input

Material Model Type


Unit system:

SI

Property Name

Value

Elastic modulus

1.0687e+011 N/m^2

Poisson's ratio

0.3

Shear modulus

4.3e+010 N/m^2

Mass density

7445.9 kg/m^3

Tensile strength

6.5503e+008 N/m^2


0 N/m^2

Yield strength

2.758e+008 N/m^2


3.5166e-008 /Kelvin


58.672 W/(m.K)

Specific heat

418.68 J/(kg.K)

Material name:

Gewricht type 1-1/Stalen pen(lang)-1-Input


Input

Material Model Type


Unit system:

SI

Property Name

Value

Elastic modulus

2.1e+011 N/m^2

Poisson's ratio

0.3

Shear modulus

7.9e+010 N/m^2

Mass density

8030 kg/m^3

Tensile strength

5.985e+008 N/m^2


0 N/m^2

Yield strength

3.53e+008 N/m^2


1.3e-005 /Kelvin


50 W/(m.K)

Specific heat

460 J/(kg.K)

KRACHTENANALYSE D.M.V. FEM

Recommend Documents