Mechanische sterkte van een machineframe

De eis uit de Machineverordening (EU) 2023/1230 dat machines zodanig ontworpen moeten worden dat defecten door moeheid of slijtage worden voorkomen, wordt in de praktijk vertaald naar een reeks concrete engineering- en ontwerpprocessen. Het is een fundamenteel onderdeel van de risicobeoordeling en het ontwerpproces van de fabrikant.

1. Risicobeoordeling en analyse van belasting

Alles begint met een grondige analyse van het gebruik van de machine.

• Identificatie van belastingen: De fabrikant analyseert welke onderdelen van de machine aan herhaalde (cyclische) belastingen of constante wrijving worden blootgesteld. Dit zijn de onderdelen die gevoelig zijn voor vermoeiing en slijtage. Voorbeelden zijn assen, lagers, tandwielen, kettingen, kabels, en hydraulische cilinders.

• Analyse van gebruiksprofielen: Er wordt gekeken naar het “beoogde gebruik”. Hoeveel uur per dag draait de machine? Hoeveel cycli (bewegingen) maakt een specifiek onderdeel per minuut? Wat zijn de maximale krachten en snelheden?

• Voorzienbaar verkeerd gebruik: De fabrikant moet ook rekening houden met redelijkerwijs voorzienbaar verkeerd gebruik. Wat gebeurt er als een operator de machine constant op maximale capaciteit laat draaien, of als er incidentele overbelasting plaatsvindt? Deze scenario’s worden meegenomen in de berekeningen.

2. Ontwerpfase: berekening en simulatie

Op basis van de analyse worden technische keuzes gemaakt en berekeningen uitgevoerd.

• Levensduurberekeningen (Fatigue Life Analysis): Voor kritieke onderdelen die onderhevig zijn aan vermoeiing, worden specifieke levensduurberekeningen gemaakt. Ingenieurs gebruiken hiervoor gestandaardiseerde methoden (zoals Wöhlercurves/S-N-diagrammen) die de relatie tussen de spanning op een materiaal en het aantal cycli tot breuk beschrijven. Hiermee wordt de theoretische levensduur van een onderdeel berekend.

• Finite Element Method (FEM) / Eindige-Elementenmethode (EEM): Met geavanceerde computersoftware worden digitale 3D-modellen van de machine en haar onderdelen gemaakt. Deze software kan de krachten, spanningen en vervormingen in de constructie simuleren. Ingenieurs kunnen zo zwakke plekken identificeren en het ontwerp optimaliseren nog voordat er een fysiek prototype bestaat.

• FMEA (Failure Mode and Effect Analysis): Dit is een gestructureerde methode om systematisch te analyseren wat er kan misgaan (faalwijzen), wat de gevolgen daarvan zijn en hoe groot de kans daarop is. Vermoeiing en slijtage zijn typische faalwijzen die in een FMEA worden meegenomen. Op basis van de FMEA worden preventieve maatregelen in het ontwerp opgenomen.

3. Materiaal- en componentkeuze

De keuze van de juiste materialen en onderdelen is cruciaal.

• Materiaalkeuze: Op basis van de berekende spanningen en omgevingsfactoren (temperatuur, corrosie) worden materialen gekozen die de vereiste sterkte en slijtvastheid hebben. Voor een zwaar belaste as kan bijvoorbeeld gekozen worden voor een gehard en getemperd staal.

• Selectie van inkoopdelen: Voor standaardcomponenten zoals lagers, motoren of kettingen vertrouwt de fabrikant op de specificaties en levensduurberekeningen van de toeleverancier. Een lager wordt bijvoorbeeld geselecteerd op basis van het vereiste aantal draaiuren onder een bepaalde belasting.

4. Fysieke beproeving en testen

Nadat de ontwerp- en berekeningsfase is afgerond, volgt vaak een testfase.

• Duurtesten: Prototypes of de eerste productiemodellen worden onderworpen aan versnelde levensduurtesten. Hierbij wordt de machine gedurende een bepaalde periode continu en vaak onder verzwaarde omstandigheden belast om het gebruik over meerdere jaren in korte tijd te simuleren.

• Destructief onderzoek: Soms worden onderdelen na een duurtest bewust tot het uiterste belast om te zien waar en wanneer ze precies falen. Dit levert waardevolle data op om de theoretische berekeningen te valideren.

5. Instructies voor onderhoud en inspectie

Omdat geen enkel onderdeel een oneindige levensduur heeft, is de laatste stap het informeren van de gebruiker.

• Gebruiksaanwijzing: In de gebruiksaanwijzing wordt exact voorgeschreven welk onderhoud en welke inspecties de gebruiker moet uitvoeren om slijtage en vermoeiing te beheersen.

• Vervangingsintervallen: De handleiding specificeert de berekende levensduur van kritieke slijtageonderdelen (bijvoorbeeld in bedrijfsuren of productiecycli) en geeft aan wanneer deze preventief vervangen moeten worden, voordat ze kunnen falen. Dit betreft bijvoorbeeld het vervangen van een hijskabel na een bepaald aantal draaiuren of het vervangen van lagers.

• Samengevat is de eis uit de machineverordening een directe opdracht aan fabrikanten om een diepgaand, op berekeningen en testen gebaseerd ontwerpproces te volgen. Het resultaat is een robuuste machine waarbij de risico’s op falen door materiaalmoeheid en slijtage gedurende de voorgeschreven levensduur zijn geminimaliseerd en beheersbaar gemaakt door duidelijke onderhoudsinstructies.