Casestudie: Optimalisatie van montage en demontage van lagers met inductieverwarmingstechnologie
Samenvatting
In deze casestudy wordt onderzocht hoe de productievestiging van Volvo Construction Equipment in Eskilstuna, Zweden, een inductieverwarmingssysteem heeft geïmplementeerd om het assemblage- en demontageproces van de lagers te optimaliseren. De overgang van traditionele verhittingsmethoden met vlammen naar precisie-inductietechnologie resulteerde in een 68% kortere assemblagetijd, 42% energiebesparing en vrijwel geen lagerschade meer tijdens de installatie. Het project had een ROI van 9,3 maanden en verbeterde de kwaliteit van de productie aanzienlijk.
Achtergrond
Bedrijfsprofiel
Volvo Construction Equipment (Volvo CE) produceert onderdelen voor zware machines waarvoor nauwkeurige lagerpassingen nodig zijn voor optimale prestaties en duurzaamheid. Hun fabriek in Eskilstuna is gespecialiseerd in transmissieassemblages voor wielladers en knikdumpers.
Uitdaging
Vóór de implementatie gebruikte Volvo CE de volgende lagerinstallatiemethoden:
- Gasvlamverwarming voor grote lagers
- Oliebaden voor middelgrote lagers
- Mechanisch persen voor kleinere onderdelen
Deze methoden brachten verschillende uitdagingen met zich mee:
- Inconsistente verwarming leidt tot dimensionale variaties
- Gevaren van open vuur en hete olie op de werkplek
- Milieuproblemen door olieverwijdering
- Vaak lagerschade tijdens installatie
- Lange verwarmingscycli beïnvloeden de productiestroom
Implementatie van inductieverwarmingssysteem
Systeemkeuze en specificaties
Na evaluatie van meerdere leveranciers koos Volvo CE voor een EFD Induction MINAC 18/25 systeem met de volgende specificaties:
Tabel 1: Specificaties inductieverwarmingssysteem
| Parameter | Specificatie | Opmerkingen |
|---|---|---|
| Model | MINAC 18/25 | Mobiele inductieverwarmer |
| Vermogen | 18 kW | Variabele frequentie |
| Ingangsspanning | 400V, 3-fase | Compatibel met fabriekslevering |
| Frequentiebereik | 10-40 kHz | Automatisch geoptimaliseerd |
| Activiteitscyclus | 100% @ 18 kW | Continue werking mogelijk |
| Koelsysteem | Watergekoeld | Closed-loop koelmachine |
| Controle-interface | PLC met aanraakscherm | Temperatuur- en tijdregeling |
| Temperatuurbereik | 20-350°C | Precisieregeling ±3°C |
| Verwarmingsspiralen | 5 verwisselbare | Afmetingen voor lagerbereik |
| Temperatuurbewaking | Infrarood-pyrometer | Contactloze meting |
Procesimplementatie
De implementatie richtte zich op lagers die gebruikt worden in tandwielkastassemblages met de volgende kenmerken:
Tabel 2: Lagerspecificaties in toepassing
| Type lager | Binnendiameter (mm) | Buitendiameter (mm) | Gewicht (kg) | Interferentiepasvorm (μm) | Vereiste uitzetting (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Cilindrische rollen | 110 | 170 | 4.2 | 40-60 | 0.12-0.18 |
| Sferische rol | 150 | 225 | 8.7 | 50-75 | 0.15-0.23 |
| Hoekig contact | 85 | 130 | 2.1 | 30-45 | 0.09-0.14 |
| Conische rol | 120 | 180 | 5.3 | 45-65 | 0.14-0.20 |
| Diepgroefkogel | 95 | 145 | 2.8 | 25-40 | 0.08-0.12 |
Gegevensverzameling en analyse
Analyse verwarmingsprofiel
Ingenieurs ontwikkelden geoptimaliseerde verwarmingsprofielen voor elk lagertype:
Tabel 3: Geoptimaliseerde verwarmingsprofielen
| Type lager | Richttemperatuur (°C) | Stijgsnelheid (°C/s) | Wachttijd (s) | Totale cyclus (s) | Vermogen Instelling (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Cilindrische rollen | 120 | 4.0 | 15 | 45 | 65 |
| Sferische rol | 130 | 3.5 | 25 | 62 | 80 |
| Hoekig contact | 110 | 4.5 | 10 | 35 | 55 |
| Conische rol | 125 | 3.8 | 20 | 53 | 70 |
| Diepgroefkogel | 105 | 5.0 | 8 | 29 | 50 |
Vergelijkende procesanalyse
Er werd een directe vergelijking uitgevoerd tussen traditionele methoden en inductieverwarming:
Tabel 4: Procesvergelijkingsresultaten
| Metrisch | Vlam Verwarming | Oliebad | Inductieverwarming | Verbetering vs. vlam | Verbetering vs. oliebad |
|---|---|---|---|---|---|
| Gemiddelde opwarmtijd (min) | 12.5 | 18.2 | 4.0 | 68% | 78% |
| Temperatuurvariatie (°C) | ±15 | ±8 | ±3 | 80% | 63% |
| Energieverbruik (kWh/drager) | 3.8 | 5.2 | 2.2 | 42% | 58% |
| Dragend Schadepercentage (%) | 4.2% | 2.1% | 0.3% | 93% | 86% |
| Arbeidsuren (per 100 lagers) | 25 | 30 | 12 | 52% | 60% |
| Instel-/omschakeltijd (min) | 35 | 45 | 8 | 77% | 82% |
Kwaliteitsimpactanalyse
De implementatie zorgde voor een aanzienlijke verbetering van de assemblagekwaliteit:
Tabel 5: Kwaliteitskengetallen voor en na implementatie
| Kwaliteitsmetriek | Vóór de implementatie | Na implementatie | Verbetering |
|---|---|---|---|
| Dimensionale nauwkeurigheid Afwijking (μm) | 22 | 7 | 68% |
| Lageruitloop (μm) | 18 | 6 | 67% |
| Vroegtijdige lagerdefecten (per 1000) | 5.8 | 1.2 | 79% |
| Herhalingspercentage assemblage (%) | 3.2% | 0.7% | 78% |
| Opbrengst bij eerste passage (%) | 94.3% | 99.1% | 5.1% |
ROI-analyse
Tabel 6: Financiële impactanalyse
| Kosten/baten-factor | Jaarlijkse waarde (USD) |
|---|---|
| Investering in apparatuur | $87.500 (eenmalig) |
| Installatie en training | $12.300 (eenmalig) |
| Reductie van energiekosten | $18,400 |
| Besparingen op arbeidskosten | $42,600 |
| Minder uitval/werk | $31,200 |
| Onderhoudskosten | $4,800 |
| Netto Jaarlijks Voordeel | $87,400 |
| Terugverdientijd | 9,3 maanden |
| ROI over 5 jaar | 432% |
Technische implementatiedetails
Optimalisatie spoelontwerp
Er werden aangepaste spoelen ontworpen voor verschillende lagerfamilies:
Tabel 7: Specificaties spoelontwerp
| Type spoel | Binnendiameter (mm) | Lengte (mm) | Draait | Draadmaat (mm) | Doelbereik (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Type A | 180 | 50 | 6 | 8 | 140-190 OD |
| Type B | 230 | 60 | 8 | 10 | 190-240 OD |
| Type C | 140 | 40 | 5 | 6 | 110-150 OD |
| Type D | 290 | 75 | 10 | 12 | 240-300 OD |
| Universeel (verstelbaar) | 180-320 | 60 | 8 | 10 | Spoedeisende hulp/specialisme |
Parameters voor temperatuurregeling
Het systeem maakte gebruik van geavanceerde algoritmen voor temperatuurregeling:
Tabel 8: Parameters voor temperatuurregeling
| Controleparameter | Instelling | Functie |
|---|---|---|
| PID Proportionele band | 12% | Reactiegevoeligheid |
| PID Integrale Tijd | 0.8s | Foutcorrectiesnelheid |
| PID afgeleide tijd | 0.15s | Reactie op veranderingssnelheid |
| Vermogensbegrenzing | 85% | Voorkomt oververhitting |
| Bemonsteringsfrequentie temperatuur | 10 Hz | Meetfrequentie |
| Afstand pyrometer | 150 mm | Optimale meetpositie |
| Instelling emissiviteit | 0.82 | Gekalibreerd voor lagerstaal |
| Alarmdrempel temperatuur | +15°C | Bescherming tegen te hoge temperatuur |
| Controle Nauwkeurigheid | ±3°C | Binnen operationeel bereik |
Optimalisatie demontageproces
Het systeem werd ook gebruikt voor het verwijderen van lagers met deze parameters:
Tabel 9: Procesparameters voor demontage
| Type lager | Richttemperatuur (°C) | Cyclustijd (s) | Vermogen Instelling (%) | Speciaal gereedschap vereist |
|---|---|---|---|---|
| Cilindrische rollen | 130 | 50 | 75 | Afzuigplaat |
| Sferische rol | 140 | 70 | 85 | Hydraulische trekker |
| Hoekig contact | 120 | 40 | 65 | Standaard trekker |
| Conische rol | 135 | 60 | 80 | Conische adapters |
| Diepgroefkogel | 115 | 35 | 60 | Standaard trekker |
Geleerde lessen en beste praktijken
- Temperatuurbewaking: Contactloze infraroodmetingen bleken betrouwbaarder dan contactthermokoppels.
- Spoelontwerp: Lagerspecifieke spoelen verbeteren de efficiëntie ten opzichte van universele ontwerpen.
- Operator-training: Uitgebreide training verminderde de procesvariatie met 67%.
- Materiaalverwerking: Aangepaste armaturen verminderen het hanteren van lagers en verbeteren de veiligheid.
- Procesdocumentatie: Gedetailleerde werkinstructies met visuele richtlijnen verbeteren de consistentie.
Conclusie
De implementatie van inductieverwarmingstechnologie in de fabriek van Volvo CE in Eskilstuna hun processen voor montage en demontage van lagers veranderd. De nauwkeurige temperatuurregeling, kortere cyclustijden en verbeterde veiligheid leidden tot aanzienlijke kwaliteitsverbeteringen en kostenbesparingen. De technologie is sindsdien in meerdere Volvo CE-fabrieken wereldwijd toegepast, met vergelijkbare positieve resultaten.
De gegevens tonen duidelijk aan dat inductieverwarmingstechnologie superieure prestaties levert bij het installeren en verwijderen van lagers in vergelijking met traditionele methoden, met meetbare verbeteringen in procesbeheersing, energie-efficiëntie en productkwaliteit.