Razvoj metode za preverjanje tesnjenja zračne vzmeti

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Razvoj metode za preverjanje tesnjenja zračne vzmeti

Patrik Ziško

Ljubljana , september 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo – Razvojno raziskovalni program

(2)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Razvoj metode za preverjanje tesnjenja zračne vzmeti

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo – Razvojno raziskovalni program

Patrik Ziško

(3)

(4)

Zahvala

Najprej se zahvaljujem doc. dr. Simonu Omanu, univ. dipl. inž., in somentorju

prof. dr. Marku Nagodetu, univ. dipl. inž., za strokovnost in vodenje med izdelavo zaključne naloge.

Zahvaljujem se tudi družini, ki mi je omogočila brezskrben študij in me spodbujala. Hvala.

(5)

vi

Izjava

(6)

Izvleček

UDK 620.193.29:62-272.82(043.2) Tek. štev.: UNI/1588

Razvoj metode za preverjanje tesnjenja zračne vzmeti

Patrik Ziško

Ključne besede: preverjanje tesnjenja padec tlaka

helijevo zaznavalo zračna vzmet puščanje

V zaključni nalogi sem obravnaval problematiko zaznavanja zrakotesnosti zračne vzmeti.

Poiskati sem moral metodo za preverjanje tesnjenja v realnem času procesa. Iz izbora znanih metod sem po primerjavi izbral dve metodi, ki sta bile najprimernejši: metoda s helijevim zaznavalom ter metoda s preverjanjem padca tlaka. Za izbrani metodi sem prikazal osnovne karakteristike, prednosti in slabosti obeh metod. Obe metodi sta se izkazali kot optimalni za naš primer, vendar je metoda s helijevim zaznavalom bolj natančna. Cenovno bolj dostopna je metoda s preverjanjem padca tlaka saj potrebujemo le senzor, pri metodi s helijevim zaznavalom pa rabimo komoro, helij ter napravo, ki zaznava količino helija.

(7)

viii

Abstract

UDC 620.193.29:62-272.82(043.2) No.: UNI/1588

Development of a method for testing air leakage of air spring

Patrik Ziško

Keywords: leak test pressure drop helium sensor air spring leakage

In the final thesis, I discussed the problem of detecting the airtightness of the air spring. I had to find a method to check the leak in real-time of the process. From the selection of known methods, I selected two methods that were the most suitable: the helium sensor method and the pressure drop verification method. For the selected methods, I presented the basic characteristics, advantages, and disadvantages of both methods. Both methods have proven to be optimal for our case. However, the helium sensor method is more accurate. The pressure drop verification method is more affordable because it requires only a sensor.

However, the helium sensor method requires helium, the chamber and device which detect the amount of helium.

(8)

Kazalo

Kazalo slik ... xi

Kazalo preglednic ... xii

Seznam uporabljenih simbolov ... xiii

Seznam uporabljenih okrajšav ... xiv

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Teoretične osnove ... 2

2.1 Metoda v trenutni uporabi: preverjanje z mehurčki ... 2

2.1.1 Opis orodja z vzmetjo ... 3

2.2 Uporaba barvnega plina oziroma barvnega praha ... 4

2.3 Uporaba kapljevine ... 4

2.4 Padec tlaka ... 5

2.5 Opazovanje spreminjanja koncentracije plina ... 5

2.6 Zaznavanje s pomočjo mikrofona ... 6

2.7 Uporaba plina, ki ima vonj ... 6

2.8 Uporaba helijevega zaznavala ... 7

2.8.1 Vakuumska metoda ... 7

2.8.2 Metoda pozitivnega tlaka ... 8

2.9 Primerjava metod ... 8

3 Metodologija raziskave ... 10

(9)

x

3.2.1 Postopek testiranja ... 14

3.2.2 Shema preizkusa ... 15

3.2.3 Fizikalno ozadje metode ... 15

3.2.4 Vpliv tlaka v vzmeti na meritev ... 16

3.2.5 Preizkuševališče ... 17

4 Primerjava ... 20

4.1 Čas testiranja ... 20

4.2 Preizkuševališče ... 20

4.3 Natančnost ... 21

4.4 Stroški ... 21

5 Diskusija ... 22

6 Zaključki ... 23

Literatura ... 24

(10)

Kazalo slik

Slika 2.1: Orodje z vzmetjo ... 3

Slika 2.2: Skica metode barvnega plina ... 4

Slika 2.3: Skica metode uporabe kapljevine ... 4

Slika 2.4: Skica metode padca tlaka ... 5

Slika 2.5: Skica metode koncentracije plina ... 5

Slika 2.6: Skica metode z mikrofonom ... 6

Slika 2.7 : Skica metode plina z vonjem ... 6

Slika 2.8: Skica vakuumske metode ... 7

Slika 2.9 : Skica metode pozitivnega tlaka... 8

Slika 3.1: Shema preizkusa s helijevim zaznavalom ... 12

Slika 3.2: Phoenix L300i ... 12

Slika 3.3: Skica preizkuševališča s helijevim zaznavalom ... 13

Slika 3.4: Zračna vzmet [7] ... 14

Slika 3.5: Shema preizkusa s padcem tlaka ... 15

Slika 3.6: Graf tlaka v odvisnosti časa med testiranjem ... 15

Slika 3.7: graf tlaka v odvisnosti od časa ... 16

Slika 3.8: Naprava 30LD Drum Leak tester[6] ... 17

Slika 3.9: Skica preizkuševališča s padcem tlaka ... 19

(11)

xii

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Primerjava metod ... 9

(12)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

d vzmeti

h vzmeti

mm mm

premer vzmeti višina vzmeti

p bar, mbar tlak

V vzmeti

t l

s volumen vzmeti

čas

qL mbar l s^-1 hitrost puščanja

(13)

xiv

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

PPM Število delcev na milijon

HZ Helijevo zaznavalo

PT Padec tlaka

(14)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

V avtomobilski industriji narašča potreba po pohitritvi procesov. Eden izmed procesov je izdelovanje zračnih vzmeti. Del procesa je preverjanje tesnjenja zračne vzmeti, kar s trenutnim postopkom predstavlja izgubo časa. Zračna vzmet lahko pušča na različnih mestih, kot so pokrovna plošča ob varih, zračnih priključkih, spoj meha z odvajalnim valjem. Najbolj kritično mesto puščanja je na pokrovni plošči, ki je med merjenjem vpeta v orodju in je težko dostopna, kar predstavlja dodaten problem. Metoda bi morala omogočati zaznavanje puščanj na vseh mestih.

1.2 Cilji

Cilj je pospešiti preverjanje v odnosu do sedanje metode ter da bo metoda enako ali bolj učinkovito pokazala, ali zračna vzmet tesni ali ne.

Razvoj metode bi potekal z začetnim pregledom vseh mogočih metod, ki se uporabljajo za preverjanje tesnjenja v industriji. S tem naborom ocenimo, kako uporabna je posamezna metoda. Ko bom prišel do nabora ustreznih metod, bom te med seboj primerjal in tako prišel do najbolj ustrezne metode. Želja je, da se preverjanje tesnjenja izvede neposredno na stroju za krimpanje, ko je vzmet še vpeta v stroj.

(15)

2

2 Teoretične osnove

Da raziščem vse možnosti, moram raziskati več metod – tudi tiste, ki so na prvi pogled mogoče neprimerne. Tesnjenje je pomembno pri raznih proizvodih, zato je znanih veliko raznolikih metod za preverjanje tesnjenja.

Metoda, ki se trenutno uporablja pri testiranju tesnjenja, je preverjanje z mehurčki oziroma

˝Bubble test˝.

Potencialne metode:

- uporaba barvnega plina oziroma barvnega prahu, - uporaba kapljevine (v meh dovesti vodo),

- spremljati padec tlaka,

- uporaba plina in opazovati spreminjanje koncentracije plina okoli meha, - zaznavanje uhajanja plina s pomočjo mikrofonov,

- uporaba plina, ki ima vonj, - uporaba helijevega zaznavala.

2.1 Metoda v trenutni uporabi: preverjanje z mehurčki

Metoda ˝Bubble test˝, ki se trenutno uporablja, je precej preprosta. Napihnjeno vzmet se vzame iz orodja ter se jo potopi v vodo. V vodi se jo drži minuto in pol ter se opazuje morebitne zračne mehurčke, ki prihajajo iz vzmeti. Ta metoda je odvisna od osebe, ki opazuje napihnjen meh. Frekvenca mehurčkov se spreminja s tlakom; večji je tlak, večja je frekvenca mehurčkov. Problem je, da lahko pri prenosu iz orodja, ko je meh napihnjen, tlak pade in s tem se zmanjša frekvenca mehurčkov.

Metoda detektira puščanja do 10⁻³ ^{mbar ∙l}

s [1].

(16)

Teoretične osnove

2.1.1 Opis orodja z vzmetjo

Slika 2.1: Orodje z vzmetjo

(17)

4 Slika 2.3: Skica metode uporabe kapljevine

2.2 Uporaba barvnega plina oziroma barvnega praha

Ideja metode je, da bi meh napolnili s plinom, ki bi bil obarvan. Metoda bi bila odvisna od natančnosti opazovalca. Obstaja možnost, da bi s prahom poškodovali notranjost meha in s tem skrajšali življenjsko dobo vzmeti. Barva bi morala biti svetla, saj je meh črn in tako bi lažje opazili uhajanje plina.

2.3 Uporaba kapljevine

Metoda je v bistvu obratna od sedanje. V meh bi dovajali kapljevino, lahko tudi obarvano in tako opazovali, ali na mehu pride do puščanja. Metoda bi spet bila odvisna od

opazovalca. Kot pri prejšnji metodi bi tudi pri tej lahko prišlo do zmanjšanja življenjske dobe vzmeti. Če ne bi zagotovili, da se meh posuši, bi vlaga lahko vplivala na delovanje vzmeti.

Slika 2.2: Skica metode barvnega plina

(18)

2.4 Padec tlaka

Pri postopku pihanja plastike sem zasledil, da po pihanju preverjajo, ali izdelek pušča ali ne.

To testiranje se dogaja zelo hitro v primerjavi z našo obstoječo metodo. Za eno ˝flaško˝ se porabi 0,45-0,5 sekunde; v tem času tlak pade za 1,5 mBar-a (proizvajalec naprave je vrednosti podal za 1 l veliko plastenko za olje).

Prednost te metode je to, da obstajajo že naprave in bi jih lahko aplicirali na naš primer ter velika občutljivost naprave na padec tlaka, kar pomeni detektiranje majhnih luknjic. Več časa bi nastavili za preverjanje manjše luknjice.

Slika 2.4: Skica metode padca tlaka

2.5 Opazovanje spreminjanja koncentracije plina

Ideja te metode je, da bi v meh dovedli plin, ki ima majhno koncentracijo v ozračju; okoli meha bi spremljali spreminjanje koncentracije tega plina. V tem primeru bi okoli orodja morali narediti komoro.

Opazovanje koncentracije plina bi bilo podobno kot pri detekciji ogljikovega monoksida v bivalnih prostorih, le da bi bil naš primer omejen samo na komoro, kar bi pomenilo večjo koncentracijo kot v bivalnem prostoru. Klasični detektorji ogljikovega monoksida imajo spodnjo mejo merilnega območja 10 PPM, kar je za naš primer zelo dobro.

(19)

6 Slika 2.7 : Skica metode plina z vonjem

2.6 Zaznavanje s pomočjo mikrofona

Kolegi na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani so to metodo testirali in prišli do naslednjih zaključkov[2]:

- Za uspešne meritve se mikrofon ne sme dotikati materiala, iz katerega uhaja zrak.

- Šum bo imel velik vpliv na uspešnost v industrijskem okolju.

- Metoda bi bila smiselna pri polnitvah nad 1,5 bara.

- Zagotoviti bi morali tesnjenje pri polnilnem ventilu, saj bi mikrofoni lahko zaznali uhajanje zraka na ventilu.

- Problem je zaznavanje puščanj na priključni plošči oziroma na priključkih, ki so na njej, saj so pod krimpnim orodjem.

Slika 2.6: Skica metode z mikrofonom

2.7 Uporaba plina, ki ima vonj

Metoda bi spet bila odvisna od opazovalca. Morali bi uporabiti plin, ki ne bi vplival na zdravje opazovalca. Metoda se mi zdi preveč odvisna od osebe, ki bi preverjala vzmet.

(20)

2.8 Uporaba helijevega zaznavala

Ta metoda je v bistvu zelo podobna metodi ˝opazovanja spreminjanje koncentracije plina˝.

Preverjanje tesnjenja se izvede z napravo, ki zazna spreminjanje koncentracije helija.

Diametri lukenj, ki jih lahko zaznamo s pomočjo helijevega zaznavala, merijo tudi do 1,0 Angström oziroma 10⁻¹⁰m[1]. Ta metoda lahko deluje po principu pozitivnega tlaka ali vakuma. Uporabljajo se za iskanje lokalnih lukenj ali za tako imenovano integralno iskanje lukenj. Lokalno iskanje lukenj se na tako velikem mehu časovno ne splača, saj bi morali z zaznavalom obhoditi celoten meh, ko je še vpet v orodje, zato bom predstavil le metodi za integralno iskanje, ki nam sicer ne pove točno, kje je luknja, a je pa zato hitrejše.

2.8.1 Vakuumska metoda

Vakuumska metoda, sicer znana tudi kot ˝outside-in leak˝ metoda, je metoda, kjer je smer toka plina v predmet. Tlak v predmetu mora biti manjši od tlaka okolice. V tem primeru bi zaznavalo moralo biti v mehu in helij v okolici oziroma v komori.

Slika 2.8: Skica vakuumske metode

(21)

8

2.8.2 Metoda pozitivnega tlaka

Metoda, znana tudi kot ˝inside-out leak˝, je metoda, ki ima tok plina iz predmeta v okolico.

To pomeni, da moramo imeti v predmetu nadtlak.

Slika 2.9 : Skica metode pozitivnega tlaka

2.9 Primerjava metod

Vse metode iz prejšnjih podpoglavij imajo svoje prednosti in slabosti. Iz nabora metod moram izločiti metode, ki so prepočasne, imajo premajhno natančnost in so odvisne od osebe, ki bi to metodo uporabljala.

Po izločanju metod, ki niso ustrezale zgornjim kriterijem, sta ostali metodi z uporabo padca tlaka ter z uporabo helijevega zaznavala. Ti dve metodi sta izstopali že zaradi obstoječih naprav, ki se uporabljajo v industriji.

(22)

Metoda Prednosti Slabosti

Barvni plin - Enostavnost izvedbe

meritve

- Cenovna dostopnost

- Prevelika odvisnost od merilca

- Neznana natančnost - Neznani čas meritve

Kapljevina - Enostavnost izvedbe

meritve

- Enaka natančnost kot metodi z mehurčki

- Enak čas meritve kot pri metodi z mehurčki

Padec tlaka - Neodvisnost od

merilca

- Majhni časi meritev - Večja natančnost

kot metoda z mehurčki

- Že obstoječa metoda v industriji

- Metoda se v industriji uporablja pri manjših

volumnih

- Padec tlaka mora biti vsaj 3 bar/sek

Koncentracija plina - Neodvisnost od merilca

- Neznana natančnost - Neznani čas meritve - Potrebna komora

Mikrofon - Neodvisnost od

merilca

- Majhni časi meritev - Večja natančnost

kot metoda z mehurčki

- Okolica vpliva na natančnost meritev - Za večjo natančnost

moramo uporabiti boljše mikrofone in s tem se dvigne cena

Plin z vonjem - Enostavnost izvedbe

meritve

- Neznana natančnost - Neznani čas meritve - Ogroženo zdravje

merilca

Helijevo zaznavalo - Neodvisnost od - Potrebna komora

(23)

10

3 Metodologija raziskave

Obe izbrani metodi moramo bolj podrobno pregledati, da bi prišli do natančne primerjave med njima in tako do pravilnega zaključka, katera metoda bi bila bolj ustrezna.

3.1 Metoda s helijevim zaznavalom

Metoda je vsestranska in se uporablja v industriji ter v laboratorijih. Metoda je bila razvita za stroge zahteve pri razvoju jedrskih naprav. Glavni del naprave za merjenje puščanja je masni spektrometer.

Metoda se lahko izvaja na dva načina: z nadtlakom ter helijem v mehu in s podtlakom v mehu in helijem v komori. Zaznavanje poteka na naslednji način: plin, od koder hočemo izmeriti puščanje, gre skozi masni spektrometer za analizo; vsaka vrednost nad referenčno pomeni, da meh pušča. Pomembno je pravilno nastaviti referenčno mejo, saj tako odstranimo

˝šum˝. Kot sem že napisal v prejšnjem poglavju, sem izbral integralni način detekcije, ki sicer ne pokaže, kje točno je puščanje, vendar je bolj natančen (do 10⁻¹¹mbar ∙ l/s, medtem ko je ˝sniffer˝ metoda natančna do 10⁻⁷mbar ∙ l/s [3]).

Razlogov za uporabo helija je več. Jasno je detektiran z masnim spektrometrom; ni eksploziven; ni škodljiv zdravju; ni reaktiven, je v zraku s koncentracijo okoli 5 ppm in je cenovno dostopen. Helij je lahka in majhna molekula, kar mu omogoča, da steče skozi majhne odprtine.

(24)

Metode raziskave

3.1.1 Aplikacije v industriji

Uporaba helijevega masnega spektrometra je razširjena v različnih vejah industrije, kjer je zahtevano, da izdelek tesni. Uporabljajo ga pri:

- opremi za hlajenje in klimatskih napravah, - avtomobilski industriji,

- plastenkah za gazirane pijače, - pakiranju aerosolov,

- vseh vakuumskih sistemih, - ventilnih zračnicah,

- gasilnih aparatih, - plinskih jeklenkah.

3.1.2 Kalibracija

Za kalibracijo je potrebno nadzorovati več različnih dejavnikov, saj se koncentracija helija v zraku močno spreminja pri različnih tlakih in temperaturah. Kalibracija se mora opravljati v prazni komori.

Standardna temperatura, na katero so zaznavala kalibrirana, je 23 °C. Pomembno je, da se temperatura nadzira, saj je razlika v zaznanih puščanj pri razliki 3 °C precej očitna. Pri tej temperaturni razliki lahko pride do 9 % razlik v zaznanih puščanj[4].

Razlika se opazi tudi pri pretoku helija skozi spektrometer pri različnih tlakih.

Potrebno je določiti tudi čas zajemanja podatkov, saj lahko z ustreznim časom zaznamo puščanja tudi do 10⁻¹²mbar l/s, lahko pa tudi samo 10⁻⁵mbar l/s.

3.1.3 Koncentracija helija v vzorcu

Vzorci, ki imajo 100 % koncentracijo oziroma približno 100 % koncentracijo helija, imajo prednost pri občutljivosti metode. Zaradi praktičnih in stroškovnih razlogov se lahko uporabi 70 % koncentracija plina. Na ceno natančnosti meritve, bi lahko znižali koncentracijo na 10% in bi metoda bila še vedno bolj natančna kot dosedanja. [5]

3.1.4 Fizikalno ozadje metode

(25)

12

3.1.5 Shema preizkusa

Slika 3.1: Shema preizkusa s helijevim zaznavalom

3.1.6 Preizkuševališče

Za metodo s helijevim zaznavalom, bomo morali dodatno narediti komoro okoli orodja.

Komora bi bila velikosti 700 x 700 x 1000 mm, da nam ne bi bilo potrebno spreminjati mize orodja. Za metodo sem izbral ˝inside-out˝, saj pri tej metodi ne potrebujemo toliko helija kot pri ˝outside-in ˝ metodi, saj moramo pri ˝inside-out˝ napolniti le vzmet, ki je dimenzije d vzmeti = 250 mm in h vzmeti = 550 mm. Med tankom za helij in vzmetjo bi morali priključiti črpalko, ki bi vzmet polnila ter po preizkusu tudi izpraznila, da helija ne bi izgubljali v okolico. Na komoro bi lahko priklopili vakuumsko črpalko, da bi njo naredili podtlak, saj bi s tem zmanjšali šum in pospešili ugotavljanja puščanja. Za poznejšo primerjavo v ceni sem izbral detektor Phoenix L300i, ki bi ga morali priklopiti na komoro.

Slika 3.2: Phoenix L300i

(26)

Karakteristike detektorja:

- Možnost zaznavanja pri integralnem merjenju do 5 x 10⁻¹²mbar l/s.

- Možnost zaznavanja pri lokalnem merjenju 1 x 10⁻⁷mbar l/s.

- Hitrost črpanja skozi spektrometra: 3.1 l/s.

- Hitrost kalibracije: 38 s.

- Uporaba 180° masnega spektrometra.

- Odzivnost signala zaznavanja < 1 s.

- Teža 40 kg.

- Dimenzije 495 x 456 x 314 mm.

Če ne spreminjamo orodja in naredimo le komore okoli meha, nastane enaka težava, kot so jo ugotovili pri metodi z mikrofonom. Težava nastane s priključki na priključni plošči, saj so ti pod krimpnim orodjem. To težavo odpravimo tako, da s spodnje strani izvedemo testiranje s ˝sniffer metodo˝, saj je tam edina možna lokacija za puščanje znana. V tem primeru bi bilo potrebno zagotoviti, da je helij v vzmet vbrizgan direktno preko zračnega priključka na vzmeti. Ker obstaja veliko različic pokrovnih plošč, kjer se mesto zračnega priključka spreminja, bi bilo potrebno dodatno razviti sistem priključevanja pokrovne plošče na helijev vod, ki bi omogočal priključitev različnih priključkov na različnih pozicijah.

(27)

14

3.2 Metoda s padcem tlaka

Ta metoda je ena najbolj razširjenih metod za zaznavanje puščanj v industriji. Uporablja se za preizkušanje od velikih rezervoarjev do majhnih plastenk. Za rezervoarje poteka testiranje več časa; pri pihanju plastike so metodo razvili tako, da preverijo tudi do 14.500 vzorcev na uro (za velikosti 150 ml) [6]. V našem primeru vzmet meri 27 litrov; za to velikost proizvajalec podaja podatek, da lahko preverimo med 120 in 160 vzorcev na uro; v našem primeru je to vzmet.

Slika 3.4: Zračna vzmet [7]

3.2.1 Postopek testiranja

- Testni vzorec je napolnjen z zrakom ali katerim drugim plinom na želen nadtlak.

- Izolacijski ventil uporabimo, da zadržimo želeni nadtlak v vzorcu.

- Tlak v vzorcu se nadzira s senzorjem za tlak in ko vzorec pušča, tlak pada.

- Puščanje se nato izračuna z razliko tlakov in s časom, v katerem je tlak padel.

(28)

3.2.2 Shema preizkusa

Slika 3.5: Shema preizkusa s padcem tlaka

3.2.3 Fizikalno ozadje metode

Puščanje oziroma leak rate je odvisno od spremembe tlaka v odvisnosti od časovnega intervala, v katerem se sprememba tlaka zgodi. Z enačbo ga opišemo:

𝑞_𝐿 = 𝑉(∆𝑝

∆𝑡)

(3.1)

Da bi lažje razumeli ozadje metode, pogledamo graf tlaka v odvisnosti časa med testiranjem [8]:

(29)

16 Kot vidimo na grafu, je test sestavljen iz štirih stopenj:

1. Fill phase oziroma faza polnjenja. V tej fazi vzorec polnimo in s tem višamo tlak, kar prikazuje krivulja, ki se strmo dvigne v kratkem času. Če pride v tej fazi do padca tlaka, pomeni, da je v vzorcu večja luknja, kar pomeni večje puščanje.

2. Settle phase oziroma faza umirjanja. Faza se začne takoj, ko zapremo ventil za polnjenje. V tej fazi se vzorec umirja. Ta faza je pomembna, saj moramo vzorec meriti v ravnovesju. Kot vidimo na grafu, se tlak obnaša nenavadno; tlak lahko pada ali se tudi dvigne, čeprav smo ventil zaprli, saj se lahko vzorec razširi ali skrči. Zato je faza umirjanja pomembna, da med testiranjem dobimo pravilne rezultate.

3. Test phase oziroma faza testiranja. V tej fazi preverjamo vzorec, če so manjša puščanja. Ta faza je lahko poljubno dolga. V tej fazi se odloča, ali je vzorec opravil test ali ne. Vidimo, da se krivulja rahlo spušča. To se dogaja pri vseh vzorcih, saj nič ne tesni perfektno; tu je pomembno, da smo pravilno določili referenčno mejo.

4. Vent phase oziroma faza odzračevanja. V fazi odzračevanja odpremo ventil in tako sprostimo tlak. Test je končan in vzorec lahko odstranimo iz preizkuševališča. Tudi v tej fazi moramo paziti na krivuljo. Če vidimo, da se je krivulja prestrmo spustila, lahko pomeni, da smo vzorec poškodovali.

3.2.4 Vpliv tlaka v vzmeti na meritev

Vsi sistemi težijo k vzpostavitvi ravnovesja. Tudi vzmet, ki je v nadtlaku, teži k ravnovesju tlakov Za lažje razumevanje moramo pogledati enačbo 3.1, ki opisuje hitrost puščanja. Za tlačno razliko vzamemo začetni in končni tlak, končni tlak je tlak okolice. Ta razlika se konstantno zmanjšuje in tako se zmanjšuje hitrost puščanja.

Slika 3.7: graf tlaka v odvisnosti od časa

Iz grafa je razvidno, da imamo največji padec tlaka pri višjih tlakih. To pomeni, da je za testiranje puščanja primernejši višji tlak. Na hitrost padca tlaka vpliva tudi karakteristika materiala vzmeti: bolj tog je material, hitreje bo tlak padel.

(30)

3.2.5 Preizkuševališče

Ena izmed možnosti je naprava ¨30 LD Drum Leak tester˝; naprava ima tekoči trak, tako da je postopek avtomatiziran. Slaba stran naprave je, da je samostojna enota in ni priklopljena na orodje za krimpanje, kar pomeni, da preizkuševališče ni na orodju. Tekoči trak je širok 300 mm in dolg 1200 mm, vendar lahko dolžino povečamo. Naprava ni izdelana za testiranje zračnih mehov, zato ne moremo pričakovati, da bi pravilno opravljala meritve. Problem pri napravi nastane pri spreminjanju oblik naših vzmeti, saj vse nimajo priključkov na enakih mestih.

Slika 3.8: Naprava 30LD Drum Leak tester[6]

(31)

18 V našem primeru bi razvili preizkuševališča ki bodo kljub spreminjanju položajev

priključkov lahko opravljala meritev. To storimo tako, da med senzor in zračni priključek vstavimo gibko cev, ki jo bo merilec priklapljal na priključke. Za razvoj preizkuševališča se ozremo na postopek iz poglavja 3.2.1. Pomembno je, da izberemo ustrezen senzor. Za izračun potrebne natančnosti moramo uporabiti enačbo 3.1. Zaznati moramo enak padec tlaka, kot je pri metodi bubble test ali pa še manjši.

Za izračun padca tlaka moramo le obrniti enačbo 3.1:

∆𝑝 = 𝑞_𝐿∙ ∆𝑡

𝑉 _(3.2)

𝑉𝑟𝑒𝑑𝑛𝑜𝑠𝑡𝑖 𝑣 𝑒𝑛𝑎č𝑏𝑖:

𝑞_𝐿 = 10⁻³ mbar ∙ l

s … 𝑣𝑟𝑒𝑑𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑝𝑢šč𝑎𝑛𝑗𝑎 𝑝𝑟𝑖 𝑏𝑢𝑏𝑏𝑙𝑒 𝑚𝑒𝑡𝑜𝑑𝑒 𝑉 = 26 l … 𝑣𝑒𝑙𝑖𝑘𝑜𝑠𝑡 𝑚𝑒ℎ𝑎

∆𝑡 = 30 s … ž𝑒𝑙𝑒𝑛𝑖 č𝑎𝑠 𝑡𝑒𝑠𝑡𝑖𝑟𝑎𝑛𝑗𝑎

Ko vstavimo vrednosti v enačbo, dobimo rezultat 0,001 mbar. To pomeni, da bi naš senzor moral zaznavati spremembe tlaka, ki so manjše ali enake 0,001 mbara.

Meritev bi se v tem primeru lahko opravljala na orodju, kar bi pospešilo postopek testiranja in kvaliteta bi ostala nespremenjena.

Za razliko od helijeve metode ter metode z uporabo mikrofona se tu težava z zaznavanjem puščanj pri priključkih na plošči ne pojavi, saj bomo tudi ta puščanja zaznali.

Senzor ˝9000 Ultra High-Precision Pressure sensor˝ je primeren za našo nalogo.

Karakteristike senzorja:

- ločljivost 1 x 10⁻⁸ bar, - območje delovanja 0-13,8 bar, - natančnost 0,01 %,

- priključek RS-232.

(32)

Senzor moramo postaviti za regulacijski ventil, vendar moramo paziti, da med senzorjem in vzmetjo ni velike razdalje, saj tako povečamo testirani volumen.

Slika 3.9: Skica preizkuševališča s padcem tlaka

(33)

20

4 Primerjava

Za pravilno odločitev, katera metoda je bolj ustrezna, ju moramo primerjati, katera je bolj časovno in cenovno ugodnejša.

4.1 Čas testiranja

Obe metodi sta hitrejši od dosedanje metode.

Metoda s HZ je praktično takojšnja; čas izgubimo med vpenjanjem posamezne vzmeti v orodje za krimpanje in s tem, ko vzmet napolnimo in spraznimo ter spet zamenjamo z novo vzmetjo.

Metoda s PT traja 30 sekund. Preostali čas je enak kot pri metodi s helijevim zaznavalom.

4.2 Preizkuševališče

Za HZ se naredi okoli orodja komora. Namesto zraka bi vzmet polnili s helijem, ki bi ga morali črpali v in iz vzmeti s črpalko. Zaznavalo bi bilo priklopljeno na komoro. S spodnje strani bi imeli zaznavalo, ki bi ga merilec približal priključkom in tako zaznal puščanja.

Za metodo s PT orodja ne bi spreminjali. Med varovalni ventil in vzmet bi vstavili senzor.

Od ventila naprej imamo gibko cev, ki bi jo merilec priklopil na vzmet in tako pomeril spremembo tlaka.

(34)

Primerjava

4.3 Natančnost

Metoda s HZ je zelo natančna, saj metoda omogoča zaznavanje puščanja 10⁻¹¹mbar ∙ l/s.

Metoda s PT je enako natančna kot trenutna metoda, saj zazna puščanja do 10⁻³mbar ∙ l/s.

4.4 Stroški

Metoda s HZ zahteva komoro, helij ter črpalko. Ker ima helij pri 15°C in pri 98 kPa gostoto 0,164 ^𝑘𝑔

𝑚³, je 1 kg helija približno 8 litrov, zato bi rabili vsaj 4 kg helija za testiranje ene vzmeti. Cena tehničnega plina za 1,5 kg je 350 € [9] , tako da je strošek za 30 kg helija 7000

€. Za izračun sem upošteval 30 kg, da lahko v mehu naredimo nadtlak in ga imamo še v rezervi. Komoro bi lahko izdelali sami, da bi jo zmanjšali, zato imamo stroške le za material.

Komora bi bila iz pleksi stekla z debelino 4 mm; tako dobimo znesek 372 € [10] za naše dimenzije komore. Zaznavalo, ki ima poleg črpalko, stane med 19.000 € in 25.000 € [11] . Metoda s padcem tlaka zahteva le napravo za zaznavanje padca tlaka. Ne potrebujemo komore, posebnega plina ali dodatne črpalke. Za referenco sem vzel senzor ˝9000 Ultra High-Precision Pressure sensor˝; cena se giblje okoli 2500 € – odvisno od dobavitelja.

Če seštejemo končne stroške za vsako metodo vidimo, da pridemo za metodo s helijevim zaznavalom v najboljšem primeru do cene 26.372 €. Za metodo s padcem tlaka imamo stroške le s senzorjem, ki stane nekaj tisoč evrov.

(35)

22

5 Diskusija

Po primerjavi vidimo, da je časovno hitrejša metoda s helijevim zaznavalom, saj rezultate dobimo takoj. Pri natančnosti sta obe metodi boljši kot trenutna, vendar moramo paziti, da je vse izvedeno tesno, saj bi se lahko zaznala puščanja pri ventilih, ki niso del vzmeti. Metoda s helijevim zaznavalom je veliko bolj natančna. Kar se tiče preizkuševališča, bi za helijevo metodo morali narediti komoro, kar bi morda otežilo dostop do vzmeti, ko je ta vpeta v orodje. Pri metodi s padcem tlaka bi bil postopek vpenjanja vzmeti enak, kot je bil do sedaj.

Stroškovno je metoda s padcem tlaka veliko ugodnejša.

(36)

6 Zaključki

Po analizi zbranih metod in po primerjavi najbolj primernih metod lahko zaključimo:

1) Obe predstavljeni metodi sta optimalni za predstavljen problem.

2) Obe metodi temeljita na metodi, kjer se uporablja nadtlak in tako preverjamo tesnjenje pri delovnih pogojih vzmeti.

3) Za uspešne meritve s helijevim zaznavalom moramo pravilno nastaviti mejo natančnosti, da se izognemo šumom iz okolice.

4) Obe metodi se izogneta težavi, na katero naletimo pri metodi z mikrofonom.

Opombe:

1) Polnjenje vzmeti mora biti izvedeno na tesen način, da nimamo motenj pri obeh metodah.

2) Pri metodi s padcem tlaka moramo pravilno nastaviti čas testiranja, da zagotovimo pravilno natančnost. Upoštevati moramo tudi fazo umirjanja.

3) Za metodo s helijevim zaznavalom moramo spremeniti orodje.

Predlogi za nadaljnje delo:

1) Testiranje metode s helijevim zaznavalom na vzmeti.

(37)

24

Literatura

[1] H. Rottländer, W. Umrath, G. Voss: Fundamentals of leak detection, Cologne, 2016.

[2] M. Kuzman: Zasnova avtomatiziranega preverjana zrakotesnosti, Ljubljana, julij 2021.

[3] Four ways of finding vacuum leaks using helium, Dosegljivo na URL:

https://www.vacuumscienceworld.com/blog/finding-vacuum-leaks-using-helium, Uporabljeno dne: 21. 6. 2021.

[4] H. Magielko: Measurment od gas flow rate from helium standard leaks, Varšava, November 2011

[5] J. Kossinna, A. Meyer: Helium leak testing of packages of oral drug products, Basel, December 2009

[6] Single head model summary, Dosegljivo na URL:

https://www.profauto.com.au/leak-testers, Uporabljeno dne 5. 7. 2021.

[7] Air Spring Replacement < Commercial Vehicles < Suspension, Dosesgljivo na URL:

https://www.continental-industry.com/en/solutions/suspension-anti-

vibration/commercial-vehicles/air-spring-replacement, Uporabljeno dne: 28. 7. 2021.

[8] Anatomy of Pressure Decay, Vacuun Decay and Force Decay Curve, Dosegljivo na URL: https://www.sanatron.com/articles/leak-testing-methods/anatomy-of-the- pressure-decay-vacuum-decay-and-force-decay-curve.php, Uporabljeno dne 16.8.2021

[9] Cena helija, Dosegljivo na URL: http://www.varesi.si/trgovina/tehni%C4%8Dni- plini/helij/helij-46-tehni%C4%8Dni-plin-15kg, Uporabljeno 15. 8. 2021.

[10] Cena pleksi stekla, Dosegljivo na URL: https://www.merkur.si/pleksi-1000x1000x4- mm/.

[11] Leybold Leak Detector Flyer 2017, Uporabljeno dne: 16. 8. 2021.