Automatický systém aktivního řízení lunet pro ustavení klikových hřídelí při opr

Společnost Vítkovice Mechanika společně s VŠB Technickou univerzitou Ostrava, Západočeskou univerzitou v Plzni a společností Kopretina začaly od roku 2004 řešit výše uvedený problém. Jedná se o tým ve složení Ing. Stanislav Dubina (Vítkovice Mechanika), prof. Ing. Miloš Schlegel, CSc., (ZČU Plzeň), doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D., (VŠB-TU Ostrava) a Ing. Josef Kraus (Kopretina). Aktivní řešení bylo zahájeno se získáním grantu vypsaným MPO ČR v roce 2009, kdy byl tým rozšířen o pracovníky Ing. Zdeňka Pochylého (Vítkovice Mechanika) a Jaromíra Starého (Vítkovice Heavy Machinery), kteří se podíleli na vlastní výrobě prototypu a aplikaci technologie. Systém byl poprvé představen na letošním MSV 2012 v Brně, kde obdržel čestné uznání. Grant bude zdárně dokončen do konce tohoto roku.

Kliková hřídel je složena z krátkých, válcových čepů, navzájem pevně spojených rameny. Čepy umístěné v ose otáčení hřídele se nazývají hlavní, čepy, které jsou vůči této ose vyoseny, se nazývají ojniční. Monobloková kliková hřídel používaná ve čtyřtaktních rychloběžných motorech je vyrobena z jednoho kusu materiálu odléváním nebo zápustkovým kováním s následným třískovým obráběním čepů. Takové řešení se používá pro menší, rychloběžné pístové stroje. Pro větší pístové stroje, pomaluběžné, se používá montovaná hřídel z jednotlivých samostatně vyrobených čepů a ramen. Při sestavě hřídele z jednotlivých částí dochází ke vzájemnému přesazení os klikových čepů. Odchylky os jednotlivých čepů se musejí eliminovat třískovým obráběním, které se provádí při průběžném měření polohy osy rotace prostřednictvím tzv. dýchání sousedních ramen klikové hřídele, které se měří úchylkoměry na každé dvojici ramen. Posouvání čepů hřídele do požadované osy rotace se provádí pohybem pinol lunet v závislosti na měřené hodnotě dýchání ramen. Současný postup obrábění klikových čepů je značně nebezpečný, komplikovaný a pracný a závisí na praxi a kvalifikaci obsluhy obráběcího stroje. Nelze předem určit jasně jednoznačný technologický postup a tím i časovou náročnost celé operace.

Při obrábění klikové hřídele je hřídel podepřena na všech hlavních čepech, aby byl omezen průhyb hřídele. Obrábění probíhá při malých otáčkách (cca tři otáčky za minutu, jedna otáčka za minutu při stahování). Přes podepření dochází k malým průhybům ať už celé hřídele, tak jejích částí. Zdvihy hřídele „dýchají“ – čela zdvihů se oddalují a přibližují – v závislosti na natočení hřídele. Tento jev je nutné omezit na přijatelnou míru.

Klikové hřídele jsou velmi drahé komponenty lodních motorů. Cena je dána jejich velikostí i náročností na technologický proces a instalované technologie. Cílem instalace navrhovaného systému je odstranit v naprosté většině možnost vzniku rozměrových odchylek, ztrátu kapacit, snížit materiálovou a energetickou spotřebu, snížit nároky na obsluhu stroje a podstatně zvýšit bezpečnost práce při operaci opracování hlavních čepů. Mimo snížení materiálové náročnosti dojde samozřejmě i ke snížení potřebného technologického času na opracování, protože stroj není třeba neustále seřizovat a hřídele vyvažovat. Posunutí tolerance dýchání do oblasti max. 5 µm (a to při prototypových zkouškách) zvyšuje přesnost opracování do úrovně zatím nedosažené.

Do současné doby byly zkušenosti a kvalifikace pracovníků obsluhy obráběcích center nenahraditelným aktivem. Obsluha při obrábění klikových hřídelí postupuje zčásti intuitivně, protože každá kliková hřídel při opracování vykazuje jiné chování. Aktivní využití automatizace vyvažování hřídele při obrábění umožní zaměstnat i pracovníky s nižší praxí a snižuje rizika vyplývající z neznalosti věci.

Cílem navržené metody je automatizovat proces ustavování hřídele. Poněvadž je však zřejmé, že jednorázové automatické ustavení není z nejrůznějších důvodů možné, je úloha ustavování formulována tak, že může řešit libovolné dílčí úlohy ustavování podle specifických požadavků soustružníka. Jeho dřívější zkušenosti z manuálního ustavování tak mohou být využity v iterativním postupu, ve kterém se střídají fáze ustavovaní a obrábění klikových čepů.

Hlavní přednost vyvinuté metody spočívá v experimentální identifikaci lineárního statického modelu ustavování. K výpočtu optimálního ustavení se nepoužívají žádné apriorní informace o závislosti mezi polohou bočních podpěrných válců lunet a jednotlivými dýcháními s výjimkou předpokladu o diferencovatelnosti příslušného zobrazení. Všechna potřebná data pro výpočet optimálního ustavení se získávají experimentálně v procesu samotné identifikace modelu ustavování. Metoda bude tedy fungovat stejně dobře pro libovolný typ vyráběné hřídele.

V rámci ověřování a testování byly dále vyvinuty programové a komunikační prostředky pro konečnou implementaci algoritmu ustavování na reálném díle. Systém je bezdrátový s vysokou energetickou životností elektrických zdrojů . Daný systém zahrnuje rozvaděč, panel operátora, ZigBee routery, digitální úchylkoměry a synchronizační vysílače umístěné na každé lunetě, jež umožňují vyrovnávat osu rotace klikového hřídele v závislosti na měření hodnoty dýchání ramen ojničních čepů klikové hřídele během otáčení. Celý proces lze kontrolovat z panelu suportu stroje z možností volby variant ustavování.

Systém automatického řízení lunet je unikátním řešením na světovém trhu. V současnosti neexistuje analogické řešení, které by nabízelo alternativní řešení automatizace procesu vyvažování klikových hřídelí při obrábění.

Problémy současné technologie výroby klikových hřídelí platí pro všechny světové výrobce. Nejpokrokovější řešení v současnosti nabízí německá firma Waldrich Siegen GmbH, která podporuje bezdrátovou komunikaci s mikrometrickými senzory dýchání ramen hřídele. Výstup přenosu naměřených dat však slouží pouze k odečtu hodnot a následné manuální korekci nastavení podpěrných lunet. Proces vyvažování tedy není automatizován. Vítkovický projekt zabezpečuje využití tržní mezery ve zvoleném segmentu trhu.

Upotřebitelnost na trhu a velikost trhu opracování byla stanovena na základě zkušeností s dodávkami pro tuto oblast. Počet firem zabývající se výrobou motorů využívající daný typ klikových hřídelí v této oblasti je stabilní z několika důvodů. Mezi nimi jsou nejdůležitější vysoké investiční náklady na vstup do odvětví a velmi těžce přístupné (získatelné) know-how nutné pro výrobu, které se navíc váže k dlouholetým zkušenostem jednotlivých pracovníků v dané oblasti opracování klikových hřídelí.

Firmy v dané oblasti jsou známé. V Evropě jde o společnosti Selza (Polsko), Vítkovice Heavy Machinery (ČR), Sidenor (Španělsko), japonskou Kobe Steel, Sazeno a Mitsubishi, korejskou Hyundai, Doosan Heavy Machinery a STX, čínské Wuhan Heavy Machinery, Shanghai Marine Crankshaft Co., Dalian Huarui Crankshaft Co., DHI.DCW Group Co. a Qingdao Haixi Heavy Industry Co.

Celková kapacita trhu v Evropě a Asii je v současné době odhadována na cca 250 až 300 mil. Kč při odhadované ceně kompletní dodávky systému do 15 mil. Kč. Do této hodnoty však není započítána část trhu amerického kontinentu, kde zatím společnost Vítkovice nemá navázány obchodní kontakty. Uvedená studie trhu tedy vychází z instalovaných kapacit strojů pro tento typ obrábění u známých výrobců v Evropě a Asii.

Mimo výše uvedené tradiční výrobce klikových hřídelí probíhají další investice do lodního průmyslu, zejména v oblasti stavby lodí v Číně. Nové výrobní kapacity vznikají například v Guangzhou, které je největší výrobní základnou lodních motorů v Číně. Tento segment trhu představuje minimálně stejnou výši poptávky jako v současné době instalované funkční technologie.

Další částí trhu, která není brána v úvahu, jsou výrobci obráběcích center na světovém trhu pro opracování monoblokových klikových hřídelí používaných v čtyřtaktních rychloběžných motorech, se kterými bude jednáno o formě využití výsledků projektu. Jednání byla zahájena na strojírenském veletrhu AMB ve Stuttgartu s firmami BOST a  Niles-Simmons.

V současné době žádný výrobce obráběcích center ani organizace dodávající tzv. suport nebo automatizaci nenabízí obdobu navrhovaného řešení.

Systém byl poprvé představen na letošním MSV v Brně, kde mj. obdržel Čestné uznání komise při soutěži o Zlatou medaili veletrhu v kategorii nejlepší inovační exponát vzniklý ve spolupráci firem s tuzemskými výzkumnými organizacemi v rámci vývojových projektů dotovaných státem. Následně proběhlo několik jednání jak na veletrhu samotném, tak i další týden na stuttgartském AMB.

Ing. Roman Dvořák, Ing. Josef Kraus, Ing. Stanislav Dubina, prof. Ing. Miloš Schlegel, CSc., doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D.

Vítkovice Mechanika, ZČU Plzeň, VŠB-TU Ostrava, Kopretina

roman.dvorak@mmspektrum.com