Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 90/0 75 Marek Sitek FME INDUKTA, Bielsko-Biała POSZUKIWANIE UNIWERSALNEJ KONSTRUKCJI ODLEWU KORPUSU SILNIKA ELEKTRYCZNEGO TYPU SIE(K)S ZA POMOCĄ OPTYMALIZACJI WIELOKRYTERIALNEJ SEARCH FOR UNIVERSAL SOLUTIONS OF THE ELECTRIC MOTOR BODY SIE(K)S WITH THE USE OF MULTICRITERIA OPTIMIZATION METHOD Abstract: The following paper presents the original proposal of multicriteria optimization of the electrical motor body SIE(K)S production process based on Yager's method of multicriteria optimization. The electrical motor is produced by The INDUKTA Electrical Machine Factory. The most significant advantages of the casting made in pressure die casting have been used i.e. the possibility to create variants, product typification, improving assembly process and the machining cost reduction. The search for universal solutions of the electric motor body construction will permit the reduction of manufacturing casting time and its machining which will lead to the substantial costs reduction. The results obtained in this paper will be used for the production line modernization in The INDUKTA Electrical Machine Factory in Bielsko-Biała.. Wstęp Coraz większe zastosowanie wieloskładnikowych stopów aluminium na części maszyn wymusza na producentach szukanie nowych rozwiązań konstrukcynych, maących na celu uproszczenie procesu technologicznego odlewania, redukcę obróbki skrawaniem i usprawnienie procesu montaŝu [4]. Dlatego teŝ celowym wydae się być opracowanie uniwersalne konstrukci odlewu wytwarzanego technologią odlewania ciśnieniowego. Metodę poszukiwania uniwersalnych rozwiązań przedstawiono na przykładzie korpusu asynchronicznego trófazowego silnika elektrycznego typu SIE(K)S, którego poglądowy widok przedstawia rysunek. nego został dokonany w wyniku optymalizaci wielokryterialne z zastosowaniem algorytmu Yagera [,,]. Proektowany korpus ma narzucone z góry pewne załoŝenia wynikaące z ego zastosowania w produkci seryne. Główne załoŝenia konstrukcyne dotyczą zastosowania tego samego korpusu do wykonania silnika w wersi łapowe oraz kołnierzowe. Ponadto w wersi łapowe silnika powinna istnieć moŝliwość dokładania łap z róŝnych stron korpusu tak, aby moŝna było wykonać wersę ze skrzynką podłączeniową z boku, co pokazano na rysunku. NaleŜy teŝ zminimalizować proces obróbki skrawania korpusu. Rys.. Widok silnika typu SIES ogólnego przeznaczenia Celem ninieszego opracowania est wybranie nalepszego wariantu odlewu spośród ośmiu moŝliwych alternatyw konstrukcynych przy zastosowaniu ciśnieniowe technologii odlewania. Wybór nalepszego wariantu konstrukcy- Rys.. Szkic silnika w wersi łapowe ze skrzynką: a u góry silnika, b z lewe strony patrząc od strony napędowe, c z prawe strony patrząc od strony napędowe
76 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 90/0. Charakterystyka wariantów konstrukcynych Opracowano osiem róŝnych wariantów konstrukcynych odlewu, które zestawiono w tab.. Spośród tych wariantów wybrany zostanie wariant nalepszy. Poszczególne warianty róŝnią się między sobą układem nadlewków do mocowania tarcz łoŝyskowych, sposobem mocowania tarcz łoŝyskowych i łap do korpusu oraz kształtem nadlewka pod skrzynkę zaciskową. Tabela. Zestawienie poszczególnych wariantów konstrukcynych Wariant Rozmieszczenie nadlewków do mocowania tarcz łoŝyskowych Przechodzące przez płaszczyzny podziału Przestawione wzgl. płaszczyzn podziału o kąt 45 Sposób mocowania tarcz łoŝyskowych i łap Nadlewek pełny Nadlewek z kieszenią Kształt nadlewka do mocowania skrzynki zaciskowe Bez odlane skrzynki Z odlaną skrzynką 4 5 6 7 8 Na rysunkach 0 przedstawiono widoki poszczególnych wariantów konstrukcynych silnika. Szczegóły na rysunkach 0 przedstawiaą, analogicznie zgodnie z tabelą : A kształt nadlewka do mocowania skrzynki zaciskowe, B,C sposób mocowania tarcz łoŝyskowych i łap do korpusu silnika, sposób rozmieszczenia nadlewków do mocowania tarcz łoŝyskowych. Rys.. Widok dla wariantu Rys. 4. Widok dla wariantu Rys. 5. Widok dla wariantu
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 90/0 77 Rys. 6. Widok dla wariantu 4 Rys. 9. Widok dla wariantu 7 Rys. 7. Widok dla wariantu 5 Rys. 8. Widok dla wariantu 6 Rys. 0. Widok dla wariantu 8. Wybór wariantu optymalnego za pomocą metody Yager a Wybór wariantu preferowanego konstrukci aluminiowego odlewu korpusu silnika elektrycznego dokonany został za pomocą metody Yagera [,,]. Na wstępie określono zbiór wariantów konstrukcynych: { a,a,a,a,a,a,a, } A () 4 5 6 7 a 8 oraz zbiór trzech subiektywnych kryteriów punktowych: { k, k k } K (), gdzie: k koszt silnika, k łatwość montaŝu silnika, k technologiczność odlewu korpusu przyętych w trzech róŝnych kombinacach e, e, e, które są subiektywnymi ocenami ekspertów.
78 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 90/0 Macierz waŝności poszczególnych kryteriów przyętych przez ekspertów zestawiono poniŝe: B B [ ( e )] b [ ( e )] b / 5 / 7 / / 6 5 / / 7 6 5 B [ ( )] b e /5 () Macierz B tworzy się metodą Saaty ego, polegaącą na porównywaniu kolenych par kryteriów. Poszczególne wartości b przymue się następuąco: b, gdy k i i k są równie waŝne, b, gdy k i est nieco waŝniesze niŝ k, b 5, gdy k i est duŝo waŝniesze niŝ k, b 7, gdy k i est wyraźnie waŝniesze niŝ k, b 9, gdy k i est absolutnie waŝniesze niŝ k, b, 4, 6, 8 wartości pośrednie między powyŝszymi sytuacami. Ponadto, przymue się, b i / b oraz dla i wartość b. Następnie utworzono zbiorczą macierz waŝności kryteriów B, które wyrazy oblicza się ako średnią arytmetyczną z odpowiednich wyrazów macierzy cząstkowych: 4, 4,6667 B 0,08,6667 (4) 0,4 0,6 Wektor własny Y macierzy B ma współrzędne w, które są wagami poszczególnych kryteriów a kaŝda z wag wyraŝa waŝność odpowiadaącego e kryterium, przy czym im większa wartość -te wagi, tym większa waŝność -tego kryterium:, 074 Y [ w ] 0, 550 (5) 0, 755 Kolenym krokiem metody Yagera est określenie elementów tabeli S [ ( e)], które określaą oceny punktowe w skali <0,9>, przypisane s poszczególnym i-tym wariantom procesu technologicznego w świetle kaŝdego z -kryteriów przez e-tego eksperta. Tabela. Subiektywne oceny ekspertów poszczególnych wariantów. Kryterium k k k Ekspert Warianty konstrukcyne odlewu korpusu silnika elektrycznego s (e) a a a a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 e 6 7 7 9 4 e 5 7 5 9 e 6 0 6 0 6 0 9 0 e 4 4 7 5 7 5 e 5 6 6 e 5 6 7 8 e 8 9 6 7 5 6 4 e 7 7 6 6 5 5 4 4 e 7 8 6 7 6 7 4 5 Następnie utworzono macierz wartości unormowanych C [ ( e)] (tab. ), dzieląc kaŝdy c element macierzy S przez odpowiednią dla danego kryterium wartość sumy 8 ( e) s ( e) S. i KaŜda wartość ( e) S est sumą ocen punktowych przypisanych poszczególnym wariantom względem kryterium k przez e-tego eksperta. Tabela. Macierz unormowanych ocen 0,58 0,67 0, 0, 0,06 0,0 0,056 0,84 0, 0, 0, 0,05 0,0 0,056 c (e) 0,84 0,67 0, 0,94 0,05 0,0 0,9 0,7 0,00 0, 0,94 0,05 0,0 0,9
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 90/0 79 0,00 0,47 0,67 0,59 0,40 0,067 0,059 0,87 0,59 0,60 0,67 0,77 0,5 0,6 0,0 0,067 0,09 0,46 0,6 0,40 0,00 0,06 0,04 0,4 0,0 0,00 0,088 0,5 0,4 0,40 0,00 0,5 0,06 0,09 0,080 0,00 0,059 0,08 0,09 0,00 W kolenym kroku utworzono łączne oceny unormowane przez uśrednienie ocen podanych przez poszczególnych ekspertów według wzoru: c c ( e) (6) e Łączne oceny unormowane maą postać: k 0,8/a ; 0,00/a ; 0,/a ; 0,08/a 4 0,9/a 5 ; 0,08/a 6 ; 0,90/a 7 ; 0,046/a 8 k 0,9/a ; 0,060/a ; 0,5/a ; 0,050/a 4 0,00/a 5 ; 0,09/a 6 ; 0,0/a 7 ; 0,099/a 8 k 0,55/a ; 0,69/a ; 0,7/a ; 0,4/a 4 0,/a 5 ; 0,6/a 6 ; 0,078/a 7 ; 0,09/a 8 (7) W następnym kroku utworzono decyze unormowane przez podniesienie kaŝdego składnika kolenych ocen unormowanych do potęgi równe odpowiednie wadze: d zatem moŝna zapisać: 8 e c w d 0,09/a ; 0,00/a ; 0,04/a ; 0,00/a 4 0,0/a 5 ; 0,00/a 6 ; 0,077/a 7 ; 0,00/a 8 d 0,09/a ; 0,/a ; 0,5/a ; 0,9/a 4 0,4/a 5 ; 0,94/a 6 ; 0,4/a 7 ; 0,79/a 8 a i (8) d 0,497/a ; 0,5/a ; 0,46/a ; 0,479/a 4 0,440/a 5 ; 0,460/a 6 ; 0,8/a 7 ; 0,407/a 8 (9) Decyza optymalna w metodzie Yagera est decyzą typu minimum, co oznacza, Ŝe i-tym składnikiem decyzi optymalne est namnieszy i-ty składnik poszczególnych decyzi d..d. Oznaczaąc uszeregowanie optymalne i ego składniki przez D moŝna zapisać: D D, D,...,D i w gdzie D minc 8 (0) Wariantem nabardzie preferowanym est ten wariant, któremu odpowiada nawiększy składnik decyzi optymalne. Zatem: opt d max D i i i 0,077 a czyli nalepszym wariantem konstrukcynym odlewu korpusu silnika elektrycznego est wariant a 7 z wartością decyzi optymalne równą 0,077. Odpowiada on siódmemu wariantowi konstrukcynemu, który charakteryzue się rozmieszczeniem nadlewków do mocowania tarcz łoŝyskowych wzdłuŝ płaszczyzn podziału, mocowaniem tarcz łoŝyskowych i łap do korpusu w formie nadlewków z kieszenią, w których nie ma potrzeby wykonywania dodatkowe obróbki skrawaniem i skrzynką zaciskową odlaną razem z korpusem. 4. Podsumowanie Przy wyborze wariantu nalepszego odlewu korpusu silnika elektrycznego przy uŝyciu metody Yagera eksperci oceniali poszczególne warianty biorąc pod uwagę róŝne kryteria. Podczas oceny wariantów według kryterium k (koszt silnika) wzięto pod uwagę następuące czynniki: koszt wykonania nowych modeli tarczy kołnierzowe i tarcz łoŝyskowych - dla wariantów korpusu a, a 4, a 6, a 8 (warianty korpusów z nadlewkami do mocowania tarcz łoŝyskowych przestawionymi względem płaszczyzn podziału o kąt 45 o ) była konieczność przesunięcia kieszeni do mocowania wkrętu do odwodnienia silnika równieŝ o kąt 45 o, koszt wykonania dodatkowe operaci frezowania dolnego nadlewka w tarczy łoŝyskowe od strony przeciw - napędowe silnika dla wariantów korpusu a, a 4, a 6, a 8 (warianty korpusów z nadlewkami do mocowania tarcz łoŝyskowych przestawionymi względem płaszczyzn podziału o kąt 45 o ) do którego przykręcona est spłaszczona część osłony przewietrznika, koszt wykonania dodatkowych operaci wiercenia i gwintowania otworów do mocowania tarcz łoŝyskowych i łap do korpusu dla 7
80 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 90/0 wariantów korpusu a, a, a 5, a 6 (warianty korpusów z nadlewkami pełnymi), Podczas oceny wariantów według kryterium k (łatwość montaŝu silnika) brano pod uwagę: ilość czynności montaŝowych potrzebnych podczas montaŝu poszczególnych wykonań silnika dla wariantów korpusu a 5, a 6, a 7, a 8 (warianty ze skrzynką zaciskową odlaną wraz z korpusem) rezygnaca z montaŝu skrzynki zaciskowe i uszczelki do silnika, łatwość dostępu do kieszeni w nadlewkach do mocowania tarcz łoŝyskowych do korpusu trudny dostęp do dolnego nadlewka dla wariantów korpusu a 6, a 8 (warianty korpusów z nadlewkami do mocowania tarcz łoŝyskowych przestawionymi względem płaszczyzn podziału o kąt 45 o ). Przy ocenie wariantów według kryterium k (technologiczność odlewu korpusu silnika) wzięto pod uwagę: kształt nadlewków do mocowania tarcz ło- Ŝyskowych i łap do korpusu ze względu na prosty kształt nadlewków do nocowania tarcz łoŝyskowych i łap do korpusu korzystniesze z tego względu są warianty korpusu a, a, a 5, a 6 (warianty korpusów z nadlewkami pełnymi), rozmieszczenie na korpusie nadlewków do mocowania tarcz łoŝyskowych ze względu na siły potrzebne do oddzielenia części składowych formy od odlewu korzystniesze z tego względu są warianty korpusów a, a 4, a 6, a 8 (warianty korpusów z nadlewkami do mocowania tarcz łoŝyskowych przestawionymi względem płaszczyzn podziału o kąt 45 o ), gdzie nadlewki do mocowania tarcz łoŝyskowych do korpusu rozmieszczone są w środkowe części kaŝde z ćwiartek formy. Na wybór wariantu 7 odlewu korpusu silnika elektrycznego wpływ miał przede wszystkim niski kosz silnika, gdyŝ wariant ten nie wymagał poprawy tarcz łoŝyskowych i osłony przewietrznika, oraz eliminował obróbkę skrawaniem nadlewków do mocowania tarcz łoŝyskowych i łap do korpusu. Wariant ten cechue równieŝ większa łatwość montaŝu silnika w stosunku do innych wariantów korpusu. []. Pytlak B.: Multicriteria optimization of hard turning operation of the hardened 8HGT steel, Int J Adv Manuf Technol 49:05-. [4]. Ferreira JC.: A study of advanced die-casting technology integrating CAD/RP/FEA for Zn casting, Int J Adv Manuf Technol :5-4 BOBRME Komel, s. -. Autorzy mgr inŝ. Marek Sitek e-mail: marek.sitek@cantonigroup.com Fabryka Maszyn Elektrycznych INDUKTA S.A., ul. M. GraŜyńskiego, Bielsko Biała 5. Literatura []. Płonka S.: Metody oceny i wyboru optymalne struktury procesu Z.N. Politechniki Łódzkie, Bielsko-Biała 998. []. Płonka S.: Multicriteria optimization of food packaging on the thermoforming machines, Adv Manuf Science Technol :7-.