3.4 Hydraulkonceptet
Tack vare det begränsade utrymmet i huset behövs en stor vikt för att möta kraven. Figur 3.31 visar en skiss över formen för en vikt som på 75 mm förflyttning kan gå från maximala 60 kN vibrationskraft till noll, exklusive axel och fästanordningar. Denna maximerade form behölls i stora drag och endast tjockleken anpassades till önskad kraft.
Figur 3.31 Form på excentervikt för hydraulkonceptet.
På den befintliga axeln fästs en kolvstång med diameter 40 mm radiellt på mitten. För att få en uppfattning om dimensionerna hos tätningarna i en hydraulkolv studeras en befintlig kolv, se Figur 3.32.
Figur 3.32 Del av exempelkolv för att tydliggöra dimensioner. Nedtill syns den bruna cylindertätningen mellan två svarta stödlager. Här med kolvstång 30 mm till 55 mm cylinder (ej med på bild).
32
Två stödlager och en tätning till kolven med innermått i cylinder 55 mm är
tillsammans ca 30 mm höga. I en dubbelverkande hydraulkolv behövs två sådana, dessa går dock att specialanpassa och göras något mindre. Vill man ha 30 mm slaglängd upptar således hydraulkolven närmare 100 mm totalt. Skillnaden mellan kolvstångens diameter och cylinderns innerdiameter kan sättas efter behag, dock krävs alltid en minsta tillåtna skillnad för att få plats med tätningarna.
Kolvstången fästes på axeln med 4 st m8 skruvar underifrån som tätas med lämpliga tätningar. Denna infästning är inte optimerad, utan behöver utarbetas grundligare. En oljekanal går genom kolvstången och axeln, se Figur 3.33.
Figur 3.33 Hydraulkonceptet. Till vänster med vikten inställd på max vibrationskraft. Till höger är vikten inställd på minsta vibrationskraft och i genomskärning, här syns oljekanalen och två av skruvarna som håller kolvstången. Tätningar och stödlager symboliseras av de kopparfärgade ringarna.
Observera att vikten är utformad för att hela tiden ha stöd från axeln för att förhindra oönskad rotation, se Figur 3.34.
33 3.4.1 Hydraulkolvens dimensioner
Enbart vikten väger 20,3 kg. Viktens tyngdpunkt ligger 53,4 mm från rotationsaxeln vid max kraft och 23,4 mm från rotationsaxeln, när den är inställd på minsta kraft.
Med vikten inställd på maximal kraft
Med vikten i sin yttersta position blir kraften från enbart vikten ca 48 kN enligt Ekvation 2.1:
20,3𝑘𝑔 × 0,0534𝑚 × (2000𝑟𝑝𝑚30𝜋)2 ∼ 48𝑘𝑁.
För att under drift orka trycka tillbaka vikten in mot axeln igen, behöver ytan i hydraulkolven dimensioneras så att maskinens arbetstryck 20 MPa orkar övervinna 48 kN.
Ytan som behövs är således: 48000 N / 20 N/mm2 = 2400 mm2.
Eftersom kolvstången med diameter 40 mm har area 1257 mm2, så måste cylindern ha 1257 + 2400 = 3657 mm2. Detta ger en diameter 2r: 3657 / 𝜋 = r2 → r = 34 mm. Med 70 mm diameter på cylindern, det vill säga en tvärsnittsarea på 2591 mm2, klarar maskinen det vid 20 Mpa.
Med vikten inställd på minsta vibrationskraft
För att trycka tillbaka en enkelverkande kolv, alltså när vikten skall föras ut från rotationscentrum med hjälp av centrifugalkraften, räknar man med att en
grävmaskins hydraulsystem har ett latent tryck på ca 50 bar som måste övervinnas (Wall, A 2017).
Med vikten inställd på minsta vibrationskraft är centrifugalkraften från enbart vikten ca 21 kN enligt Ekvation 2.1:
20,3𝑘𝑔 × 0,0234𝑚 × (2000𝑟𝑝𝑚30𝜋)2 ∼ 21 𝑘𝑁.
21000 N / 2591 mm2 = 8,1 MPa.
34 3.4.2 FEM-undersökning på kolvstången Utifrån motorns maximala vridmoment 123 Nm.
Detta maximala vridmoment räknas om till tangentiell kraft mellan de två stödlagren, 90 mm från rotationscentrum, med Ekvation 2.6
𝑀 = 𝐹𝑟 → 𝐹 = 𝑀𝑟 = 104𝑁𝑚0,090𝑚= 1156𝑁.
Tyngdpunkten ligger i verkligheten närmare rotationsaxeln, 90 mm är mitt i ytan som stöder vikten vid full kraft, detta simulerar en förenkling av ett extremfall.
1156 N applicerad 90 mm från ett förankrat tvärsnitt på en stång 40 mm diameter i en FEM-simulation, visar att här finns god marginal för vad en vanlig stång av stål med sträckgräns 620 MPa håller för, se Figur 3.35.
Figur 3.35 FEM-undersökning 1156 N på en 40 mm kolvstång.
Högsta uppmätta spänning är knappt 33 MPa (von Mises).
3.4.3 Sviveln
Hydraultrycket överförs till den roterande axeln med en så kallad hydraulisk svivel, från till exempel Rotary Systems (Rotarysystems 2017). En svivel består i huvudsak av två delar som är tätade gentemot varandra och tillåts rotera. De finns anpassade för olika ändamål, med eller utan kullager. Ena delen skruvas fast i axeln och roterar med den, och till den andra delen som står stilla ansluts hydraulledningen.
I CAD-modellen används en dummy med rätt dimensioner för att illustrera denna. Viktigt är en svivel som klarar grävmaskinens hydraultryck på 20 MPa och 2000 rpm enligt kravspecifikationen.
35 3.4.4 Montering
Vid montering blir det väldigt trångt mellan vikten och axeln. Detta kräver att delarna monteras ihop i viss ordning. I Figur 3.36 presenteras två alternativ till montering. Till vänster monteras hydraulkolven på traditionellt vis och sedan skruvas hela paketet med vikt (motsvarande cylinder) och kolvstång fast i axeln med fyra skruvar. Till höger monteras kolvstången först, sedan vikten och sist
cylindertätningen ovanifrån.
36
4 Resultat
Konceptutvecklingen resulterade i två koncept som här presenteras var för sig.
4.1 Stiftkonceptet
I Figur 4.1 presenteras stiftkonceptet monterat i det ursprungliga huset. Till höger visas huset i genomskärning och axeln med vikterna syns. Den variabla vikten är genomskinlig för att visa spiralspåret, vikten är här inställd för maximal
vibrationskraft. Vinkelkontaktlagret för linjärstyrningen sitter med en låsring på vardera sida, anslutningarna för hydraulledningarna bör båda sättas på ovansidan för bättre skydd än nuvarande design.
Figur 4.1 Stiftkonceptet monterat i huset.
37
4.2 Hydraulkonceptet
I Figur 4.2 presenteras hydraulkonceptet monterat i det ursprungliga huset. Till höger visas huset i genomskärning och axeln med vikten som är genomskinlig för att visa hudraulkolven. Vikten är här inställd för maximal vibrationskraft. Till höger syns sviveln till vilken hydraulledningen ansluts.
Figur 4.2 Hydraulkonceptet monterat i huset.
Svivelns ytterhölje roterar visserligen inte men bör ändå tillåtas viss rörelse och inte vara fast monterad i sidan. Här behöver en tätning konstrueras för att förhindra att smuts tränger in mellan sidan och sviveln.
38
5 Analys
Båda koncepten uppfyller kravspecifikationen i fråga om funktionalitet, storlek och vikt.
För vibrationskraften finns, speciellt i stiftkonceptet, utrymme att med små ändringar gå utanför kraven både uppåt och nedåt, vilket visar att konstruktionslösningarna också är direkt applicerbara på andra storlekar av markvibratorer.
Vad gäller storlek är det enda negativa att stiftkonceptet växer onödigt långt åt sidan/axiellt, även om om det ryms inom specifikationen. Linjärstyrningen är stor och onödigt skrymmande, vilket tas upp i diskussionen nedan. Hydraulkonceptet skiljer sig storleksmässigt inte från ursprungsutförandet, den enda synliga skillnaden är hydraulanslutningen på ena sidan huset. Båda koncepten bygger på omarbetningar av de befintliga delarna och passar i ursprungshuset, vilket är en fördel. Detta tas upp i diskussionen ytterligare angående ursprungshuset.
Viktkravet på den roterande delen uppfylls av båda koncepten. Detta beror främst på att den nya designen på vikterna medför en effektivare viktfördelning och bättre utnyttjande av utrymmet. Här finns även möjlighet att omfördela vikt på båda sidor rotationsaxeln vid behov utan att påverka vibrationskraften.
Även totalviktskravet klarar båda koncepten väl. Stiftkonceptets totalvikt är 175 kg vilket är väl inom kravet på 169 kg ± 10 %. Här finns även förutsättningar hos stiftkonceptet att slimma utförandet vidare för att spara vikt om man skulle önska. Hydraulkonceptets totalvikt blev lika som ursprungsutförandets. Detta lämnar gott om marginal för eventuella framtida ändringar.
39
6 Diskussion
Resultatet visar att en variabel excentervikt kan konstrueras på flera sätt. Båda koncepten som presenteras kan tillverkas med bearbetningsmetoder liknande de som redan utförs på Steelwrist. Konstruktionen har hunnit till konceptnivå och båda koncepten skulle behöva förfinas innan underlag för prototyptillverkning kan tas fram.
För stiftkonceptet konstaderades att stiftet behövde dimensioneras upp från 6 till 8 mm diameter för att erhålla acceptabel säkerhetsfaktor mot brott. Ett ännu grövre stift skulle vara gynnsamt men spiralspåret kan komma att behöva designas om vad gäller stigningen på spiralspåret. Stigningen kan också göras mer gynnsam med smalare fasta vikter, eller genom att göra stiftspåret i axeln något spiralformat i motsatt riktning. Det senare kräver dock mer avancerad och därmed fördyrande bearbetning av axeln.
Uppställningen av krafterna i rapporten utgår från motorns maximala teoretiska vridmoment. I verkligheten kanske man inte ska ha ett stift som är starkare än motorn, utan nyttja stiftet som sprängstift för att rädda mer vitala komponenter så som motor och lager från överbelastning. Själva spiralspåret i vikten utsätts också för stor påfrestning. Vid behov skulle man kunna tillverka en härdad hylsa med
spiralspåret i som fästs inuti vikten. Infästningen av de fasta vikterna behöver utarbetats, men skulle antagligen innefatta kilförband och fästbrickor i stil med ursprungsutförandet.
Hydraulkonceptet fungerar konceptuellt, men den begränsade projekttiden medförde att konstruktionen inte kunde genomarbetas fullt ut. Kolvstången bör fästas på bättre sätt och utformas så att tätningen blir så enkel och stark som möjligt. I
hydraulkonceptet behöver inte vikten föras på axeln från sidan, vilket ger det möjlighet att fräsa ned axeln på den sidan där kolvstången sitter. Detta skulle ge större utrymme till stödlager och tätningar då just dessa kan antas vara en kritisk del i konceptet. Vidare måste hydrauliken dimensioneras för bättre marginal till
grävmaskinens maxtryck på 200 bar, för att undvika onödig belastning på hydraulsystemet.
Tack vare att de nya vikterna har en större diameter än ursprungsvikten kan inte vikt och axel monteras ihop utanför huset, utan vikterna måste monteras på axeln inuti huset. Detta är inte omöjligt men ändå besvärligt. En ny design av ett öppningsbart hus skulle kringgå detta.
Det var svårt att följa den angivna metoden i projektplanen och en riktig Pughmatris presenterades aldrig. SCAMPER underlättade vid konceptgenereringen, men inte så mycket som först antytts. Femstegsmetoden användes snarare från början till slut genom hela arbetet och inte bara vid konceptgenereringen, då det mera kan efterliknas en fortgående process. Det är dock svårt att redovisa exakt för hur
metoderna använts då båda, speciellt den sistnämnda, står för en naturlig och intuitiv arbetsgång. Det framgick att dessa metoder kan behöva användas regelbundet för att bättre utnyttja dess potential.
Att frångå projektplanen och konstruera inte bara ett utan två koncept var ett beslut som fattades gemensamt under en kontinuerlig dialog med handledaren, och även ämnesgranskaren gav sitt godkännande till detta. Detta medförde ändringar i
40
prioriteringen för att ge båda koncepten tillräcklig tid. Hydraulkolven till
linjärstyrningen blev till exempel alldeles för grovhuggen och stor, här finns dock goda möjligheter att slimma utförandet vilket nämns i analysen.
41
7 Slutsats
Resultaten visar att målet för examensarbetet är uppfyllt. Två koncept har presenterats, som förutom att de uppfyller kravspecifikationen, båda besitter god utvecklingspotential.
Båda framtagna koncept kan variera vibrationskraften steglöst mellan 49 kN och 25 kN under drift. De håller sig inom kraven vad gäller storlek och vikt med goda marginaler och möjligheter till att med små ändringar gå utanför kraven för att möta nya krav från andra storlekar på markvibratorer.
Författaren skulle främst vilja framhålla hydraulkonceptet med sin enkelhet och få rörliga delar. Här finns potential att få fram en robust och kostnadseffektiv lösning.