4 Empiriska verkstadstester
4.1 Konceptutvärdering – Harris Profilen
Med hjälp av resultatet från den empiriska studien kan en korrekt utvärdering av de olika koncepten genomföras, se Figur 10. Harris profilen användes för att strukturera resultaten och ger en kvick visuell återkoppling. De kriterier som utvärderas väljs med hjälp av kravspecifikationen och uppgörs av
Hastighet – Hur lång tid tar det att helt separera kärl, de två hjulen samt hjulaxeln?
Mångsidighet – Hur enkelt/svårt är det att göra konceptet anpassningsbart för flera olika kärlstorlekar samt skadade kärl?
Kärlkvalitet – I vilket skick är kärlet efter att kärl, hjul och hjulaxel har separerats? Skadar konceptet kärlet vid användning?
Säkerhet – Vad är risken för att olycksfall och skador skall uppstå för användaren?
Användarvänlighet – Hur enkelt är konceptet att bemästra för en oinsatt person?
Bullernivå – Vilka ljudnivåer medför konceptet? Hur mycket skadligt buller uppstår? Här betyder + att maskinen medför en låg bullernivå och – att maskinen medför hög bullernivå.
Kostnad – Uppskattningsvis, hur mycket skulle det kosta att tillverka och underhålla en maskin som grundar sig på konceptet? Här indikerar + att konceptet ät billigt att tillverka och – att konceptet är dyrt.
Anpassad för inomhusbruk – Är konceptet lämpat för att användas i en inomhusmiljö?
Figur 10. Harris profilerna för de fem olika koncepten.
Från Harris profilerna ovan blir det snabbt tydligt att en hydraulisk lösning är det mest lämpade konceptet att arbeta vidare med. Konceptet hade mycket goda resultat i kategorierna hastighet, kärlkvalitet, skaderisk, buller samt anpassning för inomhusbruk.
Säkerhet Säkerhet
Säkerhet Säkerhet
5 Slutkoncept
Här nedan presenteras det slutkoncept som togsfram efter utvärderingsfasen.
Tanken med det nya konceptet är att avlasta arbetaren så mycket som möjligt. Arbetarens uppgifter reduceras till att föra in och ut kärl i den s.k. demonteringsprocessen. Kärl redo för demontering placeras på en designerad plats varefter det automatiska systemet tar vid. När demonteringsprocessen är över finns kärlen staplade i varandra och klara för transport. För enkelhetens skull kan slutkonceptet delas in i tre olika moduler, se Figur 11.
Figur 11. Slutkonceptet uppdelat i de tre modulerna.
Modul 1 består av en gripklo som drivs med hjälp av hydraulik och ett gantry1-system som möjliggör translationsrörelse i vertikalt och horisontellt led, se Figur 12. Kärlet placeras så att gripklon kan greppa tag i det och gantry-systemet transportera det in i nästa modul där demonteringen sker. När demonteringen är avklarad staplas kärlet i det föregående kärl bakom modul 2 och 3.
Den vertikala rörelsen drivs med en elmotor som är placerad högst upp på den vertikala strukturen som utgör huvuddelen av modul 1. Motorn driver två kedjor som i ena änden är kopplad till gripklon och i andra änden en motvikt. Motviktens uppgift är att upphäva momentet som uppstår på motoraxeln då systemet är i vila vilket är att föredra då applikationer som är utsätts för en konstant momentkraft är mer krävande [11]. Den horisontella rörelsen kommer från ett s.k. screw jack-system, som är en typ av linjär aktuator (ställdon). Placerad nertill på strukturen får screw jack-systemet plattan som den vertikala strukturen står på att röra sig på skenor i horisontell led. En hydraulisk kolv är upphängd i gripklons mitt och när den drar ihop sig så griper klon tag om kärlet.
1 Ett linjärt transport-system som används inom automatiserad tillverkning [12]
Modul 1
Modul 3 Modul 2
Figur 12. Modul 1 med utmarkerade komponenter.
Modul 2 består av två fixturer, två skenor, en linjär ledare samt en ram varpå dessa delar är monterade, se Figur 13. Fixturerna är utformade på ett sådant sätt att när gantry-systemet för in kärlet så guidas hjulaxeln ner i två urgröpningar. På så vis garanteras att hjulaxeln alltid infinner sig på rätt höjd för demontering oberoende på kärlets storlek. Dock måste fixturens position anpassas i vertikal led för att matcha kärlets bredd innan demonteringsprocessen startar, vilket uppnås genom att fixturerna är placerade på den linjära ledaren. Precis som i modul 1 så kommer ett screw jack-system att vara drivkraften som justerar fixturernas position.
Figur 13. Modul 2 med utmarkerade komponenter.
Modul 3 uppgörs av en hydraulisk kolv, ett styrningselement, en stång med tillhörande fästen, en linjär ledare samt ram, se Figur 14. Den hydrauliska kolven är kopplad till en platta på vilket stången är fäst. Plattan är i sin tur monterad på den linjära ledaren vilket möjliggör rörelse i vertikal led. Stången är donet vars uppgift är att separera avfallskärlets hjul och hjulaxel. När den hydrauliska kolven drar ihop sig skjuts stången mot hjulnavets mitt. Kolven drar ihop sig med en sådan kraft att stången penetrerar plastnavet och trycker ut hjulaxeln på motstående sida. På så vis sker en odramatisk, ren separation av kärl, axel och hjul i ett och samma moment.
5.1 Dimensionering
De mest vitala komponenterna i konceptet har valts ut för mer noggrann dimensionering. Här ingår elmotorn som skall lyft gripklon, växellådan som ska omvandla motorns varvtal, axeln som ska hålla uppe gripklon och motvikten, lagerkrafterna i de linjära moduler som skall hålla gantry-systemet och storleken på den hydrauliska cylindern som ska förse demonteringsstången med kraft.
Elmotor
När motorn ska dimensioneras så tas endast halva systemet i beaktning, dvs. endast med gripklon som last, se Figur 15. Detta är en form av säkerhetsfaktor då kraftmomenten på motorn blir större när motsatt kraft saknas att upphäva det. Massan på lasten som motorn måste lyft kommer även den överdimensioneras till 600 kg istället för den verkliga lasten på ca 100 kg. Massan överdimensioneras dels på grund av att ytterligare höja säkerhetsfaktorn och dels för att rusta konceptet för eventuella förändringar i framtiden då större lyftkraft kan komma att krävas.
Figur 15. Lasten samt det kedjehjul som motorn måste driva sett i profil.
Den effekt P som motorn måste producera för att lyft en specifik last m är summan av lasteffekten PL och accelerationseffekten Pa [13]. Lasteffekten kan skrivas som
där m är massan på lasten, µ är friktionskoefficienten, v är hastigheten som lasten ska röra sig i, g är gravitationskonstanten och η är verkningsgraden. Accelerationseffekten är förändringen av effekt över tid då systemet går från stillastående till maxfart, denna effekt kan skrivas som
där ta är accelerationstiden. I detta fall så är lasten m 600 kg, gravitationskonstanten g 9,81 och verkningsgraden sätts till 0,9. Det känns rimligt att systemet ska ha en maxhastighet på 1 m/sek då det är önskvärt att gripklon ska kunna gå från lägsta till högsta läge på ett några sekunder. Hastigheten v sätts alltså till 60 m/min. Friktionen som uppstår när systemet är i rörelse kommer
(1)
från stål mot stål-kontakt, vilket är 0,03. En godtagbar accelerationstid bedöms vara 2 sekunder. Om dessa värden sätts in i ovanstående formler så fås att
och
Denna totala effekten som motorn måste klara av blir därför
BEVI AB producerar en elmotor med artikel namn 4A 80 2-4 vilket har en märkeffekt på 0,75 kW vilket är tillräckligt för att klara av lasterna [14], se Figur 16.
Figur 16. Elmotor 4A 80 2-4 från BEVI.
Växellåda
Diametern på kedjehjulet som driver gripklon i vertikalt led sätts till d 0,1 m och avståndet mellan de två ändpunkterna i vilket gripklon kan röra sig i sätts till s 2,5 m. Ifall tiden det tar för gripklon att gå från sin lägsta till sin högsta position önskas vara ungefär t 4 sekunder så måste varvtalet som motorn ger ifrån sig vara
.
Den valda motorn ger ifrån sig ett varvtal på 1400 vilket alltså är för högt. Detta kan lösas genom att introducera ett par kuggväxlar i systemet. Motoraxeln har en diameter på 24 mm så rimligtvis kan det första kugghjulet ha en delningsdiameter på d1 50 mm. Kugghjul som interagerar med varandra måste ha en gemensam periferihastighet vilket kan användas för att härleda delningsdiametern för de övriga kugghjulen, se Figur 17.
(3)
Figur 17. Två samverkande kugghjul som delar periferihastighet.
Sambandet ger att
(
) (
) .
För att delningsdiametern på ett kugghjul inte ska bli för stort så växlas systemet först ner till n2 400 r/m. Ifall detta värde samt värdet på det begynnande varvtalet n1 och delningsdiametern d1
för det första kugghjulet sätts in i formeln fås
Delningsdiametern på det tredje kugghjulet d3 väljs godtyckligt till 0,05 m och nu kan den sista delningsdiametern erhållas genom
. Kuggantalet z för det första kugghjulet kan fås med formeln
,
där d är delningsdiametern i mm och m standardmodul är ett tabellvärde [15]. Ifall standardmodulen 3 välj och värdena sätts in i formeln så fås
Kuggantalet för de övriga kugghjulen kan sedan fås genom att multiplicera z1 med utväxlingen i på följande sätt På liknande sätt fås att och (5) (6) (7)
Med de värden givna från ekvationerna kan nu en korrekt modell på växellådan skapas i Solid Edge, se Figur 18.
Figur 18. Växellåda modellerad i Solid Edge.
Axel för kedjehjulet
I det här fallet så skapas en kvasistatisk 3d-miljö i CM och en modell av axel och kedjehjul hämtas från Solid Edge. Modellen tillskrivs materialet konstruktionsstål och axelns ändar ges 0 frihetsgrader. Därefter läggs fyra krafter som motsvarar en last på 600 kg på kedjehjulen, se
Figur 19, och modellen konverteras till ett mesh uppbyggd av tetraeder. För att se hur 600 kg
påverkar axlar av olika grovlek så inför en parametric sweep som möjliggör att flera simulation kan genomföras i följd med varierande grovlek på axel.
Figur 19. Krafterna som verkar på kedjehjulet.
Figur 20. Graf över spänningarna som uppstår i axeln.
Lagerkrafter
För att kunna välja rätt typ av linjära modul som ska förse gripklon med fri rörelse i vertikal och horisontell led så måste lagerkrafterna beräknas, se Figur 21. Detta görs genom att ställa upp kraftjämviktsekvationer samt att ställa upp kraftsystemens kraftmoment med avseende på en specifik punkt.
Figur 21. Gripklon och lyftanordningen med lagerkrafterna utritade.
För krafterna i de nedre lagren kan modellen skrivas om så att samtliga krafter samlas på en rät linje mitt emellan de fyra lagren, se Figur 22. L är avståndet från masscentrum till dem främre lagren vilket antas vara hälften av gripklons längd.
S p än n in g (M P a) (v o n M ise s) Axel-grovlek (mm)
Figur 22. Omskrivning av systemet med avseende på de nedre lagren.
För att lösa ut kraften F1 så ställs kraftmomentet upp med avseende på punkten O
.
I detta fall är massan m 600 kg, längden L från masscentrum till främre lager 0,7 m och avståndet
A mellan de främre än bakre lagren 0,410 m vilket ger
= 5029 N.
För att lösa ut kraften F2 så sätts kraftjämviktsekvationen upp för systemet . Med dem kända värdena insatta får i formeln fås
= 7972 N.
Samma teknik används för att beräkna lagerkrafterna i de vertikala ledarna, se Figur 22. Här är
L2 Avståndet från masscentrum till lagerna och A2 är avståndet mellan de övre och undra lagerna. (8)
Figur 23. Omskrivning av systemet med avseende på de övre lagren.
Kraften F3 fås genom att ställa upp kraftmomentet runt punkt O
I det här fallet är avståndet från masscentrum till lagerna L2 0,8 m och avståndet mellan lagerna 0,24 m vilket ger
Winkel producerar en linjär modul med produktnamn 4.054 vars lager klarar av en radiell kraft på 10.3 kN vilket är godtagbart i detta fall [17], se Figur 24.
Figur 24. Linjär modul 4.054 från Winkel.
Hydraulisk kolv
För att ta reda på minsta möjliga storlek på den hydrauliska cylindern som behövs för att penetrera hjulnavet och trycka ut hjulaxeln gjordes ytterligare en simulering i CM. En liknande beräkningsmodell som användes i fallet med axeln sattes upp. Yttersidorna på fälgarna låstes i samtliga frihetsgrader och en kraft, se Figur 25, som med hjälp av parametric sweep varierade från 1000 till 12000 N, las på en cylinder placerad vid ena hjulets nav.
Figur 25. Modell på hjul, hjulaxel och section av demonteringsstång uppbyggd i Comsol Multiphysics. Det blåmarkerade området på fälgarna är låst i samtliga frihetsgrader och det
blåmarkerade området på stavens ände är var kraften är pålagd.
Då den exakta plastkompositen var okänd så användes istället en plastkomposit i CM material bibliotek med en av dem högre sträckgränserna, runt 100 MPa. Spänningarna i materialet ökade proportionellt i förhållande till den pålagda kraften och runt 9000 N började materialet ge vika, se Figur 26. För att garantera att stången ska penetrera materialet så väljs därför att en något större kraft på 10000 N måste uppnås.
Figur 26. Graf över spänningarna i hjulnavet då kraft appliceras.
För att räkna ut hur stor area cylindern måste ha för att komma upp i sådana krafter så används formeln
√
Där F är kraften, P är trycket som pumpen förser och r är radien på cylindern. Ifall en relativt kraftig industripump användes som kan förse den hydrauliska cylindern med ett tryck på 10 bar fås
√
.
Cylinder måste alltså ha en diameter på ungefär 0,1 m ifall pumpen kan förse systemet med 10 bar. S pä nning (MPa) (von Mis es) Pålagd kraft (N) (10)
6 RESULTAT
I nedanstående kapital presenteras den CAD-modell som togs fram i projektet. Modellen är framtagen baserad på den information och kunskap som sedan tidigare införskaffats och anses vara ett komplett underlag för tillverkning. För att få tillgång till ritningsunderlag se Bilaga D.
6.1 Tillägg
Rent konceptuellt så avviker den färdiga modellen mycket lite från de skisser som togs fram i slutkoncept-fasen. Tre större tillägg har dock gjorts som ansågs vara nödvändiga för att kunna motivera tillverkningen av maskinen, se Figur 27. Ett s.k. cable carrier(cc)-system har lagts till, vilket består av ett flertal plastmodeller vars uppgift är att guida de kablar som är kopplade till rörliga delar. Fördelen med att ha ett cc-system är att det kraftigt minskar slitage på kablarna, förhindrar trassel samt ökar säkerheten för maskinen.
Nedtill på den vertikala lyftanordningen har en stålram lagts till vars syfte är att hålla en plastbox. Ramen är placerad på ett sådant sätt att när kärlen demonteras så samlas hjulaxlarna i plastboxen. När boxen är full kan lyftanordningen köras till sitt högra ändläge (sett framifrån) varpå boxen säkert kan tömmas. Ett liknande tillskott har skett bakom modul 1 och 2 där det nu finns en vagn som vilar på två hjul och två expansionsbeslag. Vagnen kan hålla två boxar som fångar upp hjulen efter demontering. När så önskas kan vagnen dras åt sidan och boxarna kan tömmas på ett säkert sätt.
Tillägg 1
Tillägg 2
6.2 Konstruktion
På grund av det stora antal komponenter som maskinen är uppbyggd av så kommer alla inte förklaras i en detaljerad utläggning. Istället kommer tre av komponenter/moduler att väljas ut som anses kunna representera dem flesta övriga komponenter. För en mer detaljerad inblick i övriga komponenter se Bilaga C.
Den vertikala lyftanordningen samt gripklon kommer behöva konstrueras för hand, se Figur 28. Det vill säga delkomponenter med rätt mått kapas med vinkelslip som därefter svetsas ihop manuellt. Metoden är mest lämplig då dessa delarna måste vara skräddarsydda för ändamålet vilket gör att standardkomponenter inte funkar, och att tillverka de med automatiska industrimetoder skulle vara allt för kostsamt.
Figur 28. Utformning på lyftanordningen och ena halvan av gripklon.
Stålplåt som kan vattenskärras och bockas är material och tillverkningsmetod som varit i åtanke vid utformningen av de flest fästen och beslag till maskinen, ett exempel kan ses i Figur 29. Vattenskärning anses var en lämplig tillverkningsmetod då maskinen kommer vara unik och endast ett begränsat parti komponenter är nödvändiga.
Figur 29. Sprängskiss på fästet för den Hydauliska cylinderna bakdel.
Vissas beslag kommer behöva efterarbete i form av borrning om de ska vattenskärras. Det kan var lämpligt att fräsa dessa istället. Kullagren kommer till exempel att monteras med geometriskt utformade beslag och hållas på plats med hjälp av någon typ av gänglåsningsprodukt [19], se
Figur 30. Framförallt dessa komponenter är kandidater för fräsning.
6.3 Demontering
Hela demonteringsprocessen för demonteringen kan delas upp i sex steg.
1. Ett kärl placeras manuellt av operatören på en utmarkerad plats där gripklon får tillgång till det.
2. Gripklon tar tag i kärlet och transporter det in i modul 2 där själva demonteringen utförs. Utformningen på fixturerna guidar kärlet till rätt position.
3. Kolven drar ihop sig vilket tvingar en stång att penetrera hjulnavet och trycka ut hjulaxeln på motstående sida. Den blå plastboxen som alltid följer med
4. När stången återgår till sin ordinarie position trillar de båda hjulen ner och guidas av två lutade spår (svarta på bilden) ner i de två boxarna bakom kärlet.
5. Lyftanordningen transporterar de avskalade kälet vidare och staplar det i föregående demonterade kärl. Gripklon återgår sedan till sin begynnande position och hämtar nästa kärl som operatören har matat in.
6. När boxarna behöver tömmas och de staplade kärlen ska fraktas bort kan maskinen ställas i ett underhållsläge som låser maskineriet och ger operatören tillgång till boxarna.
6.4 Kostnadsanalys
En fullständig offert har tagits fram för komponenter och material som behövs för att tillverka maskinen. Detaljerna kan ses i Tabell 5, priserna gäller exklusive moms.
Tabell 5. Kostnadsredogörelse för respektive komponent.
Komponent Antal (st) Styckpris (kr) Totalt pris (kr) Återförsäljare Hydraulisk cylinder HK-AM6340400, slaglängd 400 mm [20] 1 2291 2291 Swedol Hydraulisk cylinder 32-610, slaglängd 1000 [21] 1 3990 3990 Hammars Verkstad AB Riktningsventil K V-54071, 4 slidor [22] 1 3372 3372 Swedol Spårkullager, 12 mm [25] 2 59 118 Swedol Spårkullager, 17 mm [23] 4 75 300 Swedol Spårkullager, 25 mm [23] 1 113 113 Swedol Länkhjul, 50 mm [24] 2 66 132 Swedol 4.054+AP0, rulle med platta, se Bilaga C 8 990 7920 EIE Maskin Std 0Nbv profil, skena 2500 mm, se Bilaga C 2 1590 3180 EIE Maskin Std 0Nbv profil, skena 2250 mm, se Bilaga C 2 1450 2900 EIE Maskin Screw jack, Z-5-R-KGT (16x10), slag 2000 mm, se Bilaga C 1 6557 6557 EIE Maskin Screw jack, Z-5-R-KGT, slag 500 mm, se Bilaga C 1 4465 4465 EIE Maskin
Z-5-GLP, ändinfästning, se Bilaga C 2 430 860 EIE Maskin Kuggstång, 2000 mm, se Bilaga C 1 1740 1740 EIE Maskin Kuggstång, 500 mm, se Bilaga C 1 595 595 EIE Maskin Expansionsbeslag 2st, 1 m [25] 1 100 100 Biltema Elmotor 4A 80 2-4 [26] 1 3665 3665 BEVI AB Snäckväxel BSV 063 [27] 1 2215 2215 BEVI AB Kedjehjul 22 tänder 08B-1, [28] 2 200 400 Mekaniska Produkter
& Tjänster Sverige Kedja, RS08B-1
simplex 12,7 mm, 5 m [28]
2 1100 2200 Mekaniska Produkter
& Tjänster Sverige Konisk
klämbussing 1610 30 mm [28]
2 132 264 Mekaniska Produkter
& Tjänster Sverige Uppstödd härdad axel 16 mm, 500 mm [29] 2 150 300 BJB CNC Linear Components Uppstödd härdad axel 16 mm, 1000 mm [29] 2 300 600 BJB CNC Linear Components Öppen kulbussning med hus 16 mm [29] 8 100 800 BJB CNC Linear Components Fästen golv2 18 1,7 (kg) x 303 (kr/kg) 918 Bengtssons smide AB
Ram2 1 86,5 x 30 2595 Bengtssons smide AB
Lyftanordning2 1 176,5 x 30 5295 Bengtssons smide AB
Grip fäste2 1 22 x 30 660 Bengtssons smide AB
Gripklo2 1 11,5 x 30 345 Bengtssons smide AB
Motvikt2 1 48 x 30 1440 Bengtssons smide AB
Plåtkomponenter2 - 126,5 x 30 3795 Bengtssons smide AB
Totalt 69625
2 Priset avser endast materialkostnaden, tillverkningskostnaden för komponenten är ej inräknad.
3
Det ungefärliga kilopriset 30 kr på stål är taget på rekommendationer från Eddie Ideen som är mekanisker på Hagby Återvinningsanläggen och har en god kontakt med Bengtssons smide.