Designing next generation car washing machines with rotary brushes

Tese de Doutoramento - Leaders for Technical Industries (LTI) - MIT Portugal
Este projeto de doutoramento foi realizado em cooperação com a empresa Petrotec, uma das cinco maiores fabricantes mundiais de equipamentos para as áreas de distribuição e retalho da indústria petrolífera. O trabalho realizado contribuiu para o desenvolvimento de uma nova máquina de lavagem automóvel, que foi baseada num modelo existente, designado AquaStar, com os seguintes objetivos: reduzir a complexidade de fabrico, reduzir o tamanho e peso, aumentar a resistência à corrosão, e melhorar a eficiência de secagem, sem afetar significativamente o custo final. Ao longo deste trabalho, um novo conceito foi desenvolvido com base em restrições e objetivos identificados e, em seguida, uma nova estrutura e um sistema de secagem foram concebidos com o apoio de ferramentas numéricas. O comportamento mecânico da nova estrutura foi estudado, em condições normais de serviço e em situações de risco comuns, para definir suas características detalhadas e avaliar o seu desempenho. Adicionalmente, o novo sistema de secagem foi estudado e concebido, de modo a avaliar a sua eficácia no processo de secagem veículos representativos da gama coberta pelo equipamento. Finalmente, foi efetuada uma análise de custos para selecionar o tratamento superficial para a utilizar na nova estrutura, e o processo de fabrico mais adequado para os seus componentes mais relevantes. Com base nos resultados obtidos, foi possível reduzir tanto a dimensão como o peso da nova estrutura e o número de elementos estruturais utilizados, obtendo-se também uma modularidade melhorada, quando comparada com a do modelo anterior. Os resultados obtidos nos estudos numéricos permitiram concluir que a nova estrutura é capaz de suportar as condições de serviço e de risco mais comuns. Para além disso, foi possível confirmar que o desempenho global do novo sistema de secagem é satisfatório. Com base na análise de custos efetuada, a quinagem e chapa e a galvanização por imersão a quente mostraram ser as alternativas mais económicas para a produção e revestimento superficial da nova estrutura. O protótipo construído permitiu confirmar todos os resultados numéricos obtidos. Espera-se que este trabalho contribua, em geral, para o conhecimento global do projeto de equipamento e, especificamente, para a conceção de máquinas de lavagem automóvel, dado que o estudo realizado incorpora um problema complexo de engenharia de sistemas.
This PhD work was done in cooperation with Petrotec, one of the five largest manufacturers of the world concerning the equipment for the oil industry’s distribution and retail. The work done contributed to the development of a new rollover carwashing machine based on an existing model, named AquaStar, with the following objectives: reducing manufacturing complexity, size/weight reduction, enhancing corrosion resistance, and improving the drying efficiency while keeping costs minimized. Throughout this work, a new concept was developed based on the identified constraints and objectives and then a new structure and a drying system were designed with the support of numerical tools. The mechanical behavior of the new structure during normal working operations and a possible hazard was modeled to define its detailed characteristics and to evaluate its performance. Additionally, the new drying system was studied, in order to model its drying efficiency on actual vehicle models. Finally the most cost effective surface finish treatment for the new structure, the most appropriate manufacturing process selection, and a number cost studies are presented. Based on the results, the new structure is considerably lower in terms of weight, dimension, and the number of structural elements used, while has an enhanced modularity as compared to the previous model. The results obtained in the numerical studies allowed concluding that the new structure is very well capable of withstanding the service conditions. Moreover, the overall drying performance of the new drying system is satisfactory. Based on the cost studies, sheet metal forming and hot dip galvanization were shown to be the most cost-effective alternatives for surface finish treatment and processing technologies for external components. The experimental prototype of the machine confirm machine behavior the results achieved by the numerical tools. This work is expected to contribute to the overall knowledge of machine design in general and carwashing machine in specific since it comprises the study of a complex systems engineering problem.