Ilmalaakerin ilmaraon mittaaminen

Transkriptio

1 Kon Kokeelliset menetelmät Koesuunnitelma Ilmalaakerin ilmaraon mittaaminen Iiro Salminen Ville Teivastenaho Jaakko Vuorio Olli Kokko Karoliina Räsänen

2 Sisällysluettelo Tutkimusongelma ja tutkimuksen tavoite... 3 Teoria... 3 Tutkimusmenetelmät... 5 Mittaukset... 8 Mittauksen valmistelu... 8 Mittausten toteutus... 8 Mittaussuunnitelma... 9 Tulosten käsittely...11 Turvallisuustarkastelu...11 Virhetarkastelu...11 Lähteet

3 Tutkimusongelma ja tutkimuksen tavoite Ilmalaakerit ovat hyvin pienen kitkansa ja olemattoman kulumisensa sekä huoltovapautensa ansiosta erittäin mielenkiintoinen tutkimuskohde ja näistä syistä ilmalaakereita hyödynnetäänkin paljon suurien pyörimisnopeuksien yhteydessä esimerkiksi työstökoneissa ja tarkkuusmittalaitteissa. Lisäksi nestelaakereihin verrattuna ilmalaakereiden väliaine on varsin harmitonta eikä aiheuta ympäristövahinkoja vuotaessaan. Ilma myös jäähdyttää laakeria, joten jäähdytyksestä tarvitsee harvoin huolehtia erikseen. Ilmalaakereiden ongelmia ovat ilmankulutus, väliaineen kokoonpuristuvuudesta aiheutuva joustavuus ja mahdolliset stabiliteettiongelmat. Ilmankulutus vaikuttaa suoraan tarvittavan paineilman määrään ja täten myös paineilman tuottamiseen kuluvan energian määrään. Laakerin joustavuus on otettava huomioon laakeria kuormitettaessa, jotta vältetään pintojen osuminen toisiinsa. Ilmaraon pienuudesta johtuen myös pinnanlaatujen on oltava erinomaiset sekä valmistustoleranssien pienet. Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää tasomaisten, aerostaattisten ilmalaakereiden kuormituksen vaikutus ilmaraon korkeuteen ja ilmankulutukseen. Tutkimuksessa käytetään kahta ilmalaakeria, joiden ilmansyöttöperiaatteet poikkeavat toisistaan. Mittaukset rajataan staattiseen tapaukseen, jossa vastinpinta ei liiku laakerin suhteen. Teoria Ilmalaakerit ovat laakereita, jotka paineistetun ilman avulla muodostavat ohuen ilmakalvon laakeroitavien pintojen väliin. Ohut ilmakalvo erottaa laakeroitavat pinnat toisistaan, jolloin kitka jää erittäin pieneksi eikä pintojen kulumista juurikaan esiinny. Ilmakalvon paineistuminen johtuu väliaineen viskositeetista eli kyvystä vastustaa virtausta. Yleisiä toimintaperiaatteita laakereille on kolme: hydrodynaamiset, hydrostaattiset ja puristuskalvoon perustuvat laakerit (kuva 1). Hydrodynaamisissa laakereissa väliaineen paineen nousu johtuu pintojen kanssa yhdensuuntaisesta liikkeestä, jolloin väliaine pakotetaan pienenevään rakoon ja paine kasvaa. Hydrostaattiset (tai ilmalaakereiden tapauksessa aerostaattiset) laakerit perustuvat ulkoisesti syötettyyn paineilmaan, joka pienen ilmaraon avulla muodostaa painekentän. Puristuskalvolla puolestaan tarkoitetaan rakennetta, jossa väliaine vastustaa pintojen toistensa suhteen kohtisuoraa liikettä. 3

4 Kuva 1: Ilmalaakereiden toimintaperiaatteita: (a) hydrodynaaminen, (b) hydrostaattinen ja (c) puristuskalvo. [2] Tässä tutkimuksessa käsiteltävät tasomaiset ilmalaakerit perustuvat aerostaattiseen toimintaperiaatteeseen. Laakeriin tuodaan siten paineilma ulkoisesta lähteestä ja ilma poistuu laakeripinnasta laakerin rakenteen mukaisella tavalla. Tutkittavana on sekä huokoisella pinnalla että yksittäisillä kuristuksilla toteutetut rakenteet. Laakeripintoja havainnollistaa kuva 2. Kuva 2: Useilla yksittäisillä kuristuksilla varustettu ilmalaakeri (vas.) ja huokoinen ilmalaakeri. [1] Huokoisella pinnalla toteutetuissa laakereissa ilma tihkuu koko laakeripinnan läpi, jolloin painejakauma ilmaraossa on tasaisempi kuin yksittäisillä kuristuksilla toteutetuissa laakereissa. Painejakaumia on havainnollistettu kuvassa 3. Kuva 3: Painejakaumat erilaisilla tasomaisilla ilmalaakerirakenteilla. [3] 4

5 Tutkimusmenetelmät Ilmaraon mittaukseen käytetty mittausjärjestelmä on rakennettu vanhan neuvostoaikaisen 1M65-5 sorvin päälle. Sorvin käyttäminen mittausjärjestelmän perustana mahdollistaa ilmalaakerin helpon asemoinnin vastinpintaa vasten, sekä sen kuormittamisen, myös manuaalisesti, sorvin johteiden liikkeillä. Kuvassa 4 on esitelty mittauslaitteiston rakenne. Ilmalaakeria painetaan vastinpintaa vasten pietso-aktuaattorilla ja sen synnyttämä voima mitataan niiden välissä olevalla voima-anturilla. Ilmalaakerin ja vastinpinnan välissä olevaa ilmarakoa mitataan kolmella pyörrevirta-anturilla ja ilmalaakeriin menevää ilman tilavuusvirtaa kahdella erisuuruisella tilavuusvirta-anturilla. Laitteiston kaikki signaalit kulkevat xpc Targetorjatietokoneeseen kytketyn mittakortin kautta ja siitä edelleen tavalliseen tietokoneeseen. Kuva 4: Mittausjärjestelmän rakenne. Työssä käytetty vastinpinta on 400 mm halkaisijaltaan oleva terästaso, joka on kiinnitetty sorvin pakkaan pystysuoraan ja sen aksiaaliheitto on kalibroitu Sylvac S229-mittakellon avulla. [2] Mitattava ilmalaakeri painetaan vastinpintaan vasten 20 mm halkaisijaltaan olevan pallonivelen avulla. Ilmalaakerin ympärille asennetaan myös muovista tehty kelkka, jossa on kiinnitysreiät etäisyyden mittaamiseen käytettäville pyörrevirta-antureille. Muovisen kelkan rakenne ja asennus laakerin ympärille selviää kuvasta 5. 5

6 Kuva 5: Vasemmalta oikealle, kelkan alapuoli, yläpuoli ja kelkka ilmalaakerin kanssa. Mittauksissa pietso-aktuaattoria käytetään muodostamaan laakeriin kohdistuva voima. Pietso on kiinnitetty sorvin teräkelkkaan ja toisesta päästä voima-anturiin. Voima-anturi on kiinnitetty teräkelkkaan kahden ohuen peltilevyn avulla, joilla mahdollistetaan lyhyt kitkaton lineaariliike. Levyt aiheuttavat myös pienen ylimääräisen voiman järjestelmään, joka on syytä ottaa huomioon tuloksia analysoitaessa. Voima-anturin toiselle puolelle on kiinnitetty pallonivel, joka puolestaan asettuu ilmalaakerin keskellä olevaan koloon. Kuvassa 6 esitellään tässä kappaleessa kuvailtua rakennetta. Kuva 6: Kuvassa vasemmalta oikealle on, pietso-aktuaattori, metallilevyjen välissä oleva voimaanturi, pallonivel ja vastinpintana toimiva vastakappale. Paineilma järjestelmään tulee laboratorion paineilmajärjestelmästä ja se on suodatettu ilmalaakereiden vaatimukset täyttäväksi. [2] Syöttöpaine rajoitetaan paineregulaattorilla. Ilmalaakerin läpi virtaavaa tilavuusvirtaa mitataan kahdella tilavuusvirtamittarilla, jotka on 6

7 kytketty sarjaan laakerin syöttöpainekanavaan. Toinen mittareista on suurille tilavuusvirroille l/min ja toinen pienemmille 0,2-10 l/min. Mittausjärjestelmän kaikkien antureiden ja toimilaitteiden ohjaus/lukeminen tapahtuu xpc Target -orjakoneeseen kytketyn mittakortin avulla. xpc Target -orjakone on puolestaan kytketty tavalliseen tietokoneeseen, jolta ajetaan järjestelmää ohjaavaa ohjelmaa MATLABkäyttöliittymän avulla. Järjestelmässä olevat anturit on kytketty signaalinvahvistimiin ja siitä edelleen aiemmin mainittuun mittakorttiin. Pietso-toimilaitteeseen tuleva ohjaussignaali tulee vahvistimen kautta mittakortilta. Kaikkia mittalaitteita luetaan differentiaalikytkennöillä. 7

8 Mittaukset Kokeessa mitataan ilmalaakerin ilmaraon suuruutta suhteessa laakeriin kohdistuvaan voimaan. Mittaukset suoritetaan kahdella laakerilla: Nelson Air Corp., FP-C-040 ja New Way air bearings, S Mittaukset suoritetaan kummallakin laakerilla mahdollisimman yhdenmukaisesti kahdella syöttöpaineella: 4 ja 6 bar. Mittauksen valmistelu Etäisyysmittareina käytettävät pyörrevirta-anturit ovat herkkiä vastinpinnan ominaisuuksille, kuten pinnanlaadulle ja materiaalille. Tämän vuoksi anturit on kalibroitava ja nollattava vastinpintaa vasten siinä kohdassa, jossa mittaus suoritetaan. Nollakohta haetaan painamalla laakeria tasaisella 100 N voimalla vasten vastinpintaa, ilman että laakeriin tuodaan ilmavirtaa. Nollaus on suoritettava ennen jokaista mittausta, mikäli laakeria on vaihdettu tai laakeri on muuten jouduttu irrottamaan mittalaitteesta. Voima-anturi nollataan selvittämällä voima-anturin antama lukema ilman kuormitusta, jolloin tämä saatu arvo voidaan vähentää mitatusta datasta. Lisäksi voima-anturi kalibroidaan mittaamalla sillä jonkin tunnetun kappaleen massa. Mittausdataa talletetaan 50 näytettä viiden näytteen välein ja näistä kerätyistä näytteistä lasketaan keskiarvo. Mittausten toteutus Alkutilanteessa laakeri tuodaan lähelle tasoa ja ruuvista säädetään alkukuormaksi noin 100 N.Tämän jälkeen kuormitusta kasvatetaan pietson avulla askeleittain. Askeleen suuruudeksi on tässä mittauksessa valittu 25 N. Laakerin tulee antaa asettua tasapainotilaan voima-askeleen jälkeen, jotta mittausdata on käyttökelpoista. Tämä on toteutettu MATLAB-ohjelmassa siten, että mittausdataa otetaan talteen vasta, kun laakeri on ollut tasapainossa 2 sekuntia. Tasapainoa seurataan vertaamalla mitattua voimaa asetettuun voimaan. Mittaukset suoritetaan välillä N, joten mittapisteitä tulee 76 kappaletta. Mittauksen ohjaus toteutetaan säätämällä pietson sekä syöttöpaineen ohjausjännitettä. Ohjaus tapahtuu MATLAB-käyttöliittymän avulla, jonka avulla ohjataan xpc Target - reaaliaikakäyttöjärjestelmää. Mittauksen aikana otetaan talteen mittadataa voima-anturilta, pyörrevirta-anturilta, virtausmittarilta sekä painemittarilta. Kuten jo todettu aikaisemmin, mittadataa tallennetaan ainoastaan laakerin ollessa tasapainotilassa, koska mittauksissa keskitytään ainoastaan staattisen kuormituksen mittaamiseen, eikä olla kiinnostuneita laakerissa tapahtuvissa muutoksista kuormituksen muuttuessa. 8

9 Mittaussuunnitelma Seuraavaksi on esitetty suunnitelma mittausten toteuttamiseksi vaihe vaiheelta: 1. Ilmalaakeri ja pyörrevirta-anturit kiinnitetään testikelkkaan. 2. Kalibroidaan ja nollataan pyörrevirta-anturit painamalla kelkkaa vastinpintaa vasten 100 N voimalla, ilman että laakerille johdetaan paineilmaa. 3. Aloitetaan testiohjelma: 3.1 Alkukuorma 100 N 3.2 Kerätään tarvittava määrä mittapisteitä, kun laakeri on hakeutunut tasapainotilaan 3.3 Lasketaan kerätyistä mittapisteistä keskiarvo ja kirjataan keskiarvo ylös 3.3 Lisätään kuormitusta 25 N suuruisin askelein 3.4 toistetaan kohdat kunnes työntövoima on 2 kn 4. Toistetaan vaihe 3 toisella painetasolla 5. Toistetaan vaiheet 1-4 toisella mitattavalla ilmalaakerilla Mittauksissa kohdan kolme vaiheet on toteutettu osana järjestelmää ohjaavaa Simulink mittausmallia. Kuvassa 7 on esitetty koodi, joka suorittaa mittauksen asetetulla voimalla ja palauttaa mittaussignaalista lasketun keskiarvon. 9

10 Kuva 7: Yhden mittauksen suorittava koodi. [2] 10

11 Tulosten käsittely Mittauksista saatujen tulosten pohjalta luodaan molemmista mitatuista laakereista kuvaajat ilmaraon suuruudesta suhteessa laakeriin kohdistuvaan voimaan. Lisäksi laaditaan kuvaajat tarvittavan ilmavirran määrästä suhteessa ilmaraon suuruuteen. Turvallisuustarkastelu Ilmalaakeria puristettaessa voimat nousevat kohtuullisen suuriksi, suurimmillaan noin 2000 N, lisäksi Ilmalaakerille syötetään paineilmaa. Näistä johtuen mittauksia suoritettaessa on toimittava huolellisesti ja tarkkaavaisesti. Kuitenkaan mittauksen suorittamisesta ei voida katsoa aiheutuvan merkittävää vaaraa terveydelle. Mittausjärjestelmässä käytetään herkkiä ja arvokkaita komponentteja, kuten pyörrevirta-anturit, joita on käsiteltävä erityisen varovasti. Järjestelmää valmisteltaessa on oltava tarkkana, etteivät anturit tai niiden johdot jää puristuksiin sorvin liikkuvien osien väliin. Virhetarkastelu Tämän tutkimuksen keskeisenä osana on myös tehdä kattava virhetarkastelu mittausjärjestelmästä. Aikaisemmissa samalla koejärjestelmällä tehdyissä mittauksissa, on suurimmiksi virhettä aiheuttaviksi tekijöiksi todettu mittausinstrumentit sekä paineilman tuotto. Vaikka painetta ja ilmavirtaa mitataan kokeen aikana, ovat ne todennäköisesti suurin yksittäinen virhettä aiheuttava tekijä. Testilaitteen joustoista aiheutuvat virheet on eliminoitu sijoittamalla ilmalaakerin ilmaväliä mittaavat etäisyysanturit kiinteästi ilmalaakerin kiinnityskelkaan. Näin ollen ilmavälin mittaus tapahtuu aina laakerista käsin eivätkä järjestelmässä tapahtuvat joustot vaikuta mittaustulokseen. 11

12 Lähteet [1] Calonius, Olof, Kiviluoma, Panu, and Kuosmanen, Petri. Large-scale test rig for assessment of characteristics of flat air bearings running against a rotating counter-face. Number September, pages th International Scientific Colloquium, Ilmenau University of Technology, September [2] Riku Kivelä. Tiivistereunallisen aerostaattisen laakerin suunnittelu. Diplomityö, Espoo, [3] New Way Air Bearings. Air Bearing Application and Design Guide. Revision E, January Saatavissa: 12