Nosturin sähkökomponenttien luotettavuuden varmentaminen
Frantsi, Jaakko (2023)
Frantsi, Jaakko
2023
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-06-01
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305175859
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305175859
Tiivistelmä
Luotettavuudella on suuri rooli monella teollisuuden alalla, missä laitteen vikaantumisen seuraukset voivat olla hyvin vakavia sekä kustannusten että henkilövahinkojen näkökulmasta. Tämä pätee erityisesti nosturisovelluksiin, joissa nostettavat taakat voivat olla hyvin arvokkaita ja painaa useita kymmeniä tonneja. Nostureiden toiminta pohjautuu vahvasti sähköjärjestelmään, joka koostuu kymmenistä eri komponenteista. Nosturin kokonaisuuden luotettavuus muodostuu erillisten komponenttien luotettavuuksista, joten yksittäisen komponentin luotettavuudella voi olla suuri vaikutus koko nosturin toimintaan.
Tämä diplomityö käsittelee nostureissa käytettävien sähkökomponenttien luotettavuuden varmentamista. Komponenteista keskitytään kontaktorien, aikalohkojen, rajakytkimien ja muuntajien tarkasteluun. Työn tarkoituksena on tutkia kyseisten komponenttien vikaantumista nosturisovelluksessa kenttädataa hyödyntäen, tutkia luotettavuuden varmentamismenetelmiä ja niiden varmuutta sekä pohtia testauksen toteutusta luotettavuuden varmentamisessa. Työ jakaantuu kahteen osaan: kirjallisuusselvitykseen ja pääosin kenttädataa käsittelevään tutkimus-osaan. Kirjallisuusselvityksessä tutustutaan nosturin toimintaperiaatteeseen ja sen sähköjärjestelmään, luotettavuuteen sekä tiettyihin luotettavuuden varmentamismenetelmiin, jotka voidaan jakaa erilaisiin analysointimenetelmiin ja testaukseen. Analysointimenetelmistä hyödynnetään vika- ja vaikutusanalyysia (FMEA) sekä vikapuuanalyysia (FTA). Kirjallisuusselvityksessä käydään myös läpi sähkökomponenttien yleensä kokemia rasitustekijöitä sekä niiden tyypillisiä vikaantumisia.
Työn tutkimusosassa keskitytään pääsääntöisesti käsittelemään kenttädataa, joka koostuu erään nostinmallin huoltotoimenpiteistä noin kymmenen vuoden ajalta. Kenttädataa edelleen suodatetaan sisältämään ainoastaan tapauksia, jotka liittyvät työssä tarkasteltavien komponenttien vikaantumisiin. Kontaktoreita tarkastellaan vielä lisäksi analysointimenetelmistä FMEA:n avulla. Tarkastelun tulosten perusteella arvioidaan menetelmien toimivuutta sekä niiden pohjalta mahdollisesti toteutettavaa testausta ja muita toimenpiteitä. Lopulta työssä tarkastellaan tuloksien luotettavuutta sekä mahdollisia tulevaisuuden jatkotutkimuksia.
Työn tuloksena havaittiin kenttädatassa esiintyvien vikaantumisten vastaavan hyvin kirjallisuutta. Sähkökomponenttien havaittiin vikaantuvan nosturisovelluksissa niin kulumisen kuin laadullisten poikkeamien vuoksi. Huoltotoimenpiteistä löytyi hyvin tietoa erilaisista kentällä esiintyvistä rasitustekijöistä, vikamuodoista sekä niiden jakaumasta. Kunkin komponentin osalta tarkasteltiin lisäksi vikamuotojen vakavuuksia, vikaantumisien ilmaantuvuutta käyttöikään nähden sekä kunnonvalvontalaitteista saatavaa käyttötietoa. Löydösten perusteella komponenteille pohdittiin mahdollisien jatkotoimenpiteiden tarvetta, joihin lukeutuivat muun muassa testaus, rakenteen parantaminen tai muokkaus sekä kunnonvalvonnan lisääminen. Komponenttien tyypillisimmät rasitustekijät nosturisovelluksissa tunnistettiin olevan kuluma, tärinä sekä iskut. Jotta uuden sähkökomponentin luotettavuus voidaan varmentaa nosturisovellukseen sopivaksi, on suositeltavaa keskittyä erityisesti näihin rasitustekijöihin sekä niiden aiheuttamiin vikamuotoihin. Reliability plays a major role in multiple industrial sectors, where the consequence of equipment failure can be very serious, both in terms of cost and personal injury. This is particularly true in crane applications, where lifted loads can weigh several tens of tonnes and be highly valuable. A key part in the operation of a crane is the electrical system, which consists of dozens of different components. As the reliability of a crane as a whole is determined by the combined reliability of its various components, unreliable operation of a single component can have a major impact on the performance of the whole crane.
The purpose of this master’s thesis is to study various methods of verifying the reliability of electrical components in hoisting applications. The specific components covered in this study are contactors, time delay blocks, limit switches and transformers. The aim is to consider failures, failure modes and mechanisms for each component, which are then further analysed by using field data and certain reliability evaluation methods. The thesis is divided into two separate sections: a literature review and research. The literature review begins with the introduction of the operating principle of a crane and its electrical system. The concept of reliability and certain reliability evaluation methods, which can be divided into analysis methods and testing, are also presented. The considered failure methods are failure mode and effects analysis (FMEA) and fault tree analysis (FTA). The literature review also discusses stress factors that commonly affect electrical components and the failure modes that they may induce.
The research part of the thesis mainly focuses on analysing field data, which consists of maintenance procedures performed on a certain model of hoist over the period of approximately ten years. The field data is further filtered to include only cases, which are related to the studied components. In addition, an FMEA is conducted for one of the components, contactors. The results are examined to assess the applicability of each method and the necessity of any follow-up actions. Finally, the reliability of the results and possibility of future research are discussed.
As a result of the thesis, different failures in the field data were found to correspond well with the literature research. Electrical components used in crane applications experienced failures due to both wear and deviations in quality. The maintenance procedures provided valid information on different stress factors, which failure modes occur on the field and how they are distributed. In addition, the severity of failure modes, the frequency of failures in relation to service life and operating data from condition monitoring equipment were examined. Lastly, based on the findings, the need for possible further actions was considered. The actions consisted of testing, structural improvements or other modifications and increased condition monitoring. The most typical stress factors for electrical components in crane applications were identified as wear, shock and vibration. To verify the reliability of new electrical components for crane applications, special attention should be given to the aforementioned stress factors and the possible failure modes they cause.
Tämä diplomityö käsittelee nostureissa käytettävien sähkökomponenttien luotettavuuden varmentamista. Komponenteista keskitytään kontaktorien, aikalohkojen, rajakytkimien ja muuntajien tarkasteluun. Työn tarkoituksena on tutkia kyseisten komponenttien vikaantumista nosturisovelluksessa kenttädataa hyödyntäen, tutkia luotettavuuden varmentamismenetelmiä ja niiden varmuutta sekä pohtia testauksen toteutusta luotettavuuden varmentamisessa. Työ jakaantuu kahteen osaan: kirjallisuusselvitykseen ja pääosin kenttädataa käsittelevään tutkimus-osaan. Kirjallisuusselvityksessä tutustutaan nosturin toimintaperiaatteeseen ja sen sähköjärjestelmään, luotettavuuteen sekä tiettyihin luotettavuuden varmentamismenetelmiin, jotka voidaan jakaa erilaisiin analysointimenetelmiin ja testaukseen. Analysointimenetelmistä hyödynnetään vika- ja vaikutusanalyysia (FMEA) sekä vikapuuanalyysia (FTA). Kirjallisuusselvityksessä käydään myös läpi sähkökomponenttien yleensä kokemia rasitustekijöitä sekä niiden tyypillisiä vikaantumisia.
Työn tutkimusosassa keskitytään pääsääntöisesti käsittelemään kenttädataa, joka koostuu erään nostinmallin huoltotoimenpiteistä noin kymmenen vuoden ajalta. Kenttädataa edelleen suodatetaan sisältämään ainoastaan tapauksia, jotka liittyvät työssä tarkasteltavien komponenttien vikaantumisiin. Kontaktoreita tarkastellaan vielä lisäksi analysointimenetelmistä FMEA:n avulla. Tarkastelun tulosten perusteella arvioidaan menetelmien toimivuutta sekä niiden pohjalta mahdollisesti toteutettavaa testausta ja muita toimenpiteitä. Lopulta työssä tarkastellaan tuloksien luotettavuutta sekä mahdollisia tulevaisuuden jatkotutkimuksia.
Työn tuloksena havaittiin kenttädatassa esiintyvien vikaantumisten vastaavan hyvin kirjallisuutta. Sähkökomponenttien havaittiin vikaantuvan nosturisovelluksissa niin kulumisen kuin laadullisten poikkeamien vuoksi. Huoltotoimenpiteistä löytyi hyvin tietoa erilaisista kentällä esiintyvistä rasitustekijöistä, vikamuodoista sekä niiden jakaumasta. Kunkin komponentin osalta tarkasteltiin lisäksi vikamuotojen vakavuuksia, vikaantumisien ilmaantuvuutta käyttöikään nähden sekä kunnonvalvontalaitteista saatavaa käyttötietoa. Löydösten perusteella komponenteille pohdittiin mahdollisien jatkotoimenpiteiden tarvetta, joihin lukeutuivat muun muassa testaus, rakenteen parantaminen tai muokkaus sekä kunnonvalvonnan lisääminen. Komponenttien tyypillisimmät rasitustekijät nosturisovelluksissa tunnistettiin olevan kuluma, tärinä sekä iskut. Jotta uuden sähkökomponentin luotettavuus voidaan varmentaa nosturisovellukseen sopivaksi, on suositeltavaa keskittyä erityisesti näihin rasitustekijöihin sekä niiden aiheuttamiin vikamuotoihin.
The purpose of this master’s thesis is to study various methods of verifying the reliability of electrical components in hoisting applications. The specific components covered in this study are contactors, time delay blocks, limit switches and transformers. The aim is to consider failures, failure modes and mechanisms for each component, which are then further analysed by using field data and certain reliability evaluation methods. The thesis is divided into two separate sections: a literature review and research. The literature review begins with the introduction of the operating principle of a crane and its electrical system. The concept of reliability and certain reliability evaluation methods, which can be divided into analysis methods and testing, are also presented. The considered failure methods are failure mode and effects analysis (FMEA) and fault tree analysis (FTA). The literature review also discusses stress factors that commonly affect electrical components and the failure modes that they may induce.
The research part of the thesis mainly focuses on analysing field data, which consists of maintenance procedures performed on a certain model of hoist over the period of approximately ten years. The field data is further filtered to include only cases, which are related to the studied components. In addition, an FMEA is conducted for one of the components, contactors. The results are examined to assess the applicability of each method and the necessity of any follow-up actions. Finally, the reliability of the results and possibility of future research are discussed.
As a result of the thesis, different failures in the field data were found to correspond well with the literature research. Electrical components used in crane applications experienced failures due to both wear and deviations in quality. The maintenance procedures provided valid information on different stress factors, which failure modes occur on the field and how they are distributed. In addition, the severity of failure modes, the frequency of failures in relation to service life and operating data from condition monitoring equipment were examined. Lastly, based on the findings, the need for possible further actions was considered. The actions consisted of testing, structural improvements or other modifications and increased condition monitoring. The most typical stress factors for electrical components in crane applications were identified as wear, shock and vibration. To verify the reliability of new electrical components for crane applications, special attention should be given to the aforementioned stress factors and the possible failure modes they cause.