77/2 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 26, Rocznik 6, Nr 2(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 26, Volume 6, Nº 2 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 642-538 ANALIZA FMEA METODĄ MACIERZOWĄ DLA TURBOSPRĘŻARKI SAMOCHODU OSOBOWEGO WSPOMAGANA PROGRAMEM KOMPUTEROWYM J. FABIŚ, E. LISOWSKI 2 Instytut Informatyki Stosowanej, Politechnika Krakowska, al. Jana Pawła II 37, 3-864 Kraków STRESZCZENIE W referacie omówiono zastosowanie metody macierzowej analizy FMEA. Przedstawiono przykładową analizę dla turbosprężarki doładowania silnika samochodu osobowego przy pomocy programu komputerowego opracowanego w Instytucie Informatyki Stosowanej Politechniki Krakowskiej. Uzyskane wyniki przedstawiono w postaci graficznej. Pozwoliło to w łatwy sposób dokonać interpretacji wpływu poszczególnych wad na funkcje spełniane przez wyrób. Key words: FMEA analysis, matri method, turbocharger, computer aided. WSTĘP W ostatnich latach wymagania dotyczące jakości nabrały szczególnego znaczenia. Stały się one ważnym elementem współczesnego przemysłu. Systemy jakości pozwalają na ciągłe doskonalenie organizacji we wszystkich jej sferach i w ulepszeniu wyrobów. Obejmują one nie tylko produkty czy usługi, ale również jakość pracy i jej organizację. Dotyczą procesów marketingowych, technologicznych i produkcyjnych zorientowanych na zaspokojenie oczekiwań i potrzeb klientów. Systemy te mają również wpływ na rozwój i kondycję firmy. Korzyści wynikające z wdrożenia i utrzymania systemów jakości powodują, że zainteresowanie nimi wzrasta zarówno wśród producentów jak i jednostek naukowo - badawczych. Prace ukierunkowane są mgr inż. 2 dr hab. inż. prof. PK, lisowski@mech.pk.edu.pl
głównie na poszukiwanie nowych algorytmów oraz automatyzację narzędzi jakości przy zastosowaniu systemów informatycznych. W niniejszym referacie przedstawiono analizę FMEA metodą macierzową dla turbosprężarki samochodu osobowego. Do analizy wykorzystano specjalistyczne oprogramowanie, które dla tej metody jest rozwijane w Instytucie Informatyki Stosowanej Politechniki Krakowskiej. 2. ISTOTA METODY MACIERZOWEJ W metodzie macierzowej w pierwszej kolejności niezbędne jest utworzenie dwóch macierzy: CF Components Failure oraz EC- Function-Components. Mając zbudowane obie macierze mnożymy macierz CF przez EC otrzymując macierz wynikową EF zwaną Function Failure. W celu utworzenia macierzy CF dekomponuje się badany obiekt na elementy pierwsze, którymi zwykle będą części składowe urządzenia. Każda cześć zostaje poddana analizie i określony jest jej udział w powstawaniu potencjalnych defektów wyrobu. Przed zbudowaniem macierzy dogodnie jest przygotować tabelę opisującą rodzaje zniszczeń i przyczyny, które mogą wystąpić. W tabeli pokazano przykładowe rodzaje zniszczeń i ich przyczyn, które mogą wystąpić w analizowanej turbosprężarce. Tabela. Przykładowa tabela rodzajów zniszczeń i ich przyczyn Tabela. An eample table of kind of failure and their cases Rodzaj zniszczeń Zmęczenie materiału Korozja Materiał Ścieralność Przyczyny zniszczenia Cykliczne zmiany obciążenia, termiczne, powierzchniowe, korozja, ścieralność, Czynniki chemiczne, erozja, biologiczne, pod wpływem nacisku (siły), Przylegający, ścierny, powodujący korozje, powodujący deformacje, Zmęczenie materiału, korozja, W kolejnym etapie prowadzonych badań wszystkim analizowanym komponentom przypisuje się wady, którym mogą one ulec. Wystąpienie wady jest opisywane za pomocą liczb rzeczywistych lub binarnych. System dwójkowy jest stosowany, jeżeli projektant nie posiada wystarczających informacji o analizowanym wyrobie. Liczba jest wpisywana, gdy wada występuje, natomiast, gdy jej brak. Macierz EC powstaje przez przypisanie badanym komponentom funkcji, jakie one spełniają. Dlatego tak ważne jest, by przed przystąpieniem do analizowania jakiegokolwiek wyrobu najpierw zapoznać się z działaniem wszystkich jego elementów. Dzięki temu dana funkcja zostanie właściwie przyporządkowana do odpowiedniego elementu. 78
3. ANALIZA FMEA TURBOSPRĘŻARKI Analizę metodą macierzową rozpoczęto od dokonania dekompozycji urządzenia na elementy pierwsze jak na rys.. 6 Skompensowane powietrze 4 5 2 Wylot spalin 8 Wlot powietrza do sprężarki 3 Rys.. Przekrój złożenia turbosprężarki. Fig.. Cross section of assemble of the turbocharger. 7 Wlot spalin Badana turbosprężarka składa się z dwóch wirników znajdujących się na wspólnym wale (). Jeden z nich to wirnik turbiny (2) umieszczony w układzie wydechowym. Drugi to wirnik sprężarki (3) znajdujący się w przewodzie dolotowym. Chociaż są one połączone ze sobą, to podczas analizy metodą macierzową będą rozpatrywane jako dwa osobne elementy (ze względu na odmienne warunki pracy). Pozostałe elementy wchodzące w skład turbosprężarki samochodu osobowego to: korpus centralny (4), osłona turbiny z kanałem wylotowym (5), osłona sprężarki z kanałem dolotowym (6), śruby M8. W korpusie centralnym znajduje się system hydrodynamicznych łożysk ślizgowych (7), które w turbosprężarce spełniają takie same funkcje, dlatego podczas analizy rozpatrzono tylko jeden z nich. Taki sposób postępowania wynika z zastosowania tzw. filtrów. Można je stosować w sytuacji, gdy w jednym urządzeniu występuje kilka takich samych części, pracujących w podobnych warunkach i podatnych na identyczne wady. W trakcie analizy wszystkie te części będą zachowywać się tak samo. Szczelność korpusu centralnego, przez który przepływa olej utrzymywana jest przez system uszczelnień w postaci dwóch pierścieni uszczelniających (8). Wykonując analizę metodą macierzową EF, pominięto te komponenty, które mimo, że występują w wyrobie, nie powodują jego awarii (śruby). Natomiast elementy (4), (5), (6) tworzące obudowę rozpatrzono jako jeden komponent. 79
Po uwzględnieniu powyższych założeń, analiza FMEA metodą macierzową objęła: obudowę, wał, wirnik sprężarki, wirnik turbiny, łożysko ślizgowe i pierścień uszczelniający. 3. Przebieg analizy W pierwszym etapie analizy określono potencjalne rodzaje wad poszczególnych części (tab. 2). Podstawowe czynniki niszczące obudowę turbosprężarki to korozja, zatarcie, pęknięcie pod wpływem działania czynników termicznych( szok termiczny). Dla wałka wpływ na jego uszkodzenie mają pęknięcia, przegrzanie i ścieranie. Wirnik turbiny jest podatny na przegrzanie, zatarcia, oraz ścieranie. Dla wirnika sprężarki wyróżniono zatarcia i ścieranie spowodowane zasysaniem powietrza z drobinkami kurzu. Zniszczenia łożyska to pęknięcia, zatarcie, przegrzanie, zużycie, ścieranie oraz korozja. Dla pierścienia uszczelniającego przypisano wadę zużycie. Tabela 2. Macierz CF przedstawiająca rodzaje wad dla poszczególnych komponentów Table 2. Matri CF Components - Failure Rodzaj wad Pęknięcia Przegrzanie Zatarcia Korozja Zużycie Ścieranie obudowa wałek wirnik turbiny wirnik sprężarki łożysko pierścień uszczelniający komponent W kolejnym etapie analizy stworzono macierz EC. Każdy komponent opisano funkcją, jaką spełnia (tab.3). Dla obudowy jest to funkcja stabilizacyjna (utrzymuje w równowadze wszystkie części) oraz funkcja pozycyjna lokującą poszczególne elementy. Wałek opisano funkcją transportową (przekazuje ruch obrotowy turbiny na ruch obrotowy sprężarki) oraz funkcją łącznikową (wałek łączy 2 wirniki). Podstawową funkcją wirnika turbiny jest wnoszenie zmian w turbosprężarce poprzez zamianę energii kinetycznej spalin na ruch obrotowy sprężarki. Funkcja wnosząca zmiany została 8
przypisana również wirnikowi sprężarki. Powoduje ona zamianę ruchu obrotowego sprężarki na energię potencjalną ciśnienia. Łożysko zostało opisane przez dwie funkcje. Pierwszą z nich jest funkcja wnosząca zmiany, która zapewnia ruch obrotowy wału oraz minimalizuje tarcie. Druga to funkcja stabilizująca zapewniająca stałe położenie osi obrotu wału. Dla pierścienia uszczelniającego przypisano funkcję separującą. Uszczelnienie zapobiega przedostawaniu się oleju do turbiny i sprężarki oraz przedostawaniu się gazów do korpusu centralnego. Tabela 3. Macierz EC przedstawia funkcje spełniane przez poszczególne komponenty Table 3. Matri EC Function- Components Funkcja obudowa wałek wirnik turbiny Komponent wirnik sprężarki łożysko pierścień uszczelniający Wnosząca zmiany Transportowa Stabilizująca Pozycyjna Łącznikowa Separująca W ostatnim etapie analizy metodą macierzową zbudowano macierz EF (tab. 4). Przedstawiono w niej prawdopodobieństwo wystąpienia wady dla danej funkcji. Tabela 4. Macierz EF prawdopodobieństwa wystąpienia wady dla danej funkcji Table 4. Matri EF Function - Failure Rodzaj wad Pęknięcia Przegrzanie Zatarcia Korozja Zużycie Ścieranie Wnosząca zmiany 2 3 3 Transportowa Stabilizująca 2 2 Pozycyjna Łącznikowa Separująca Funkcja 8
2 3 3 EF = 2 2 3.2 Wyniki analizy Na podstawie danych (tab.4) przeprowadzono obliczenia w programie komputerowym Analiza FMEA. Wyniki analizy przedstawiono na rys. 2. Na osi X są funkcje jakie spełnia komponent, a na Y są wskaźniki defektów w turbosprężarce: () pękniecie, (2) przegrzanie, (3) zatarcie, (4) korozja, (5) zużycie, (6) ścieranie. Jak wynika z rys.2a największe wartości otrzymała funkcja Wnosząca zmiany. Dla tej funkcji wskaźniki defektów (3) zatarcie i (6) - ścieranie mają prawdopodobieństwo wystąpienia równe 3. Funkcja Wnosząca zmiany dotyczy ruchu obrotowego wałka i minimalizacji tarcia. Odpowiada także za zamianę energii kinetycznej spalin na ruch obrotowy sprężarki, który ulega zamianie na energię potencjalną ciśnienia. Na rys.2 dla funkcji Wnosząca zmiany wady: (3) - zatarcie i (6) - ścieranie uzyskują największe wartości. Defekt zatarcie (3) prowadzi do niszczenia powierzchni komponentu i spadku jego trwałości. Spowodowany jest brakiem warstwy oleju pomiędzy obudową a osią wirnika. Następuje wytarcie wału osi i powstanie luzów. Łopatki trą o obudowę sprężarki i uszkadzają oba elementy. Natomiast defekt ścieranie (6) zachodzi, gdy powietrze jest zasysane wraz z drobinkami kurzu, które niszczą krawędzie łopatek. 4. PODSUMOWANIE W pracy podjęto zadanie przeprowadzenia analizy FMEA metodą macierzową dla turbosprężarki samochodu osobowego. Stworzono macierz CF komponent rodzaj wady oraz macierz EC funkcja komponent. Otrzymane wyniki poddano analizie i uzyskano informuje o prawdopodobieństwie wystąpienia wady dla danej funkcji (macierz EF). Narzędziem do analizy był program komputerowy o nazwie Analiza FMEA opracowany w Instytucie Informatyki Stosowanej Politechniki Krakowskiej. Oprogramowanie to pozwoliło w szybki sposób wprowadzić dane, wykonać niezbędne obliczenia i przedstawić wyniki za pomocą wykresów. Zintegrowana z programem baza danych może być swobodnie adaptowana i rozwijana przez użytkownika, co ma duże znaczenie w sytuacji rozszerzenia analizy na inne obiekty. 82
a) y 3 Wnosząca zmiany b) 2 y Stabilizująca 2 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 c) y Transportowa d) y Pozycyjna 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 e) y Łącznikowa f) y Separująca 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 Rys.2 Wyniki analizy FMEA w postaci wykresów słupkowych dla funkcji: a) wnoszącej zmiany, b) stabilizującej, c) transportowej, d) pozycyjnej, e) łącznikowej, f) separującej. Fig.2 Graphic presentation the results of FMEA analysis for function: a) changing, b) stability, c) transport, d) position, e) connection, f) separate. 83
Analiza FMEA prowadzona metodą macierzową jest wykorzystywana głównie tam gdzie może być zagrożone życie ludzkie i wymagane są wysokie wskaźniki bezpieczeństwa. Jak wykazano w referacie może ona być zastosowana do poprawy jakości w maszynach i urządzeniach powszechnego użytku. Metoda macierzowa charakteryzuje się tym, że już w fazie projektowania pozwala doskonalić konstrukcję wyrobu, a zgromadzenie danych wejściowych nie jest zbyt skomplikowane. Przeprowadzenie analizy tą metodą można zautomatyzować poprzez opracowanie odpowiedniego programu komputerowego. W Instytucie prowadzone są badania nad rozszerzeniem możliwości komputerowych w analizie metodą EF za pomocą logiki rozmytej i sieci neuronowej. LITERATURA []. M. E. Stock & R. B. Stone & I. Y. Tumer. 23. Going back in time to improve design: The elemental function-failure design method, [2]. J. Mysłowski, Doładowanie silników, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 22. SUMMARY MATRIX METOD IN FMEA ANALYSIS FOR THE CAR TURBOCHARGER COMPUTER AIDED This paper presents an application of matri method In FEMA analysis of turbocharger for passenger car engine. Matries component-failure case and function-component were built. Then they were analyzed what allowed to obtain information about probability of failure for given function. Furthermore, simulation for various events was carried out to obtain smaller probability of failure by computer software made in Cracov University of Technology. Recenzował: prof. Stanisław Pietrowski. 84