4. RESULTAT
4.2.4 Konceptutvärdering
De sex alternativen jämfördes mot varandra i en konceptutvärderingmatris (tabell 4)
Tabell 4. Konceptutvärderingsmatris Konceptutvärderingsmatris Koncept Kriteritum Värde Räfflad utåt Räfflad inåt Rundad ner Fyrkantig Rundad upp och ner Enhetlig Expanderbar i över 3mm diameter 3 0 0 0 0 0 0 Värmehantering 2 + + 0 0 + -
Minsta möjliga bredd 1 - - 0 0 0 +
Minsta möjliga antal detaljer 1 0 0 0 0 0 + Enkel att montera/avmontera
på axel 1 0 0 0 0 0 +
Enkel på och av montering av
hylsa 3 + + + + + +
Lätt att underhålla 1 0 0 0 0 0 +
Inget lossnande material i
gasform 2 0 0 0 0 0 0
Inga lossnande smådelar 2 - - 0 0 - -
Produkten skall vara hållbar för sitt syfte 1
Enkel tillverkning 1 - - 0 - 0 -
Ej skaderisk av produkt vid
hantering 1 + - - - - + E + 6 5 3 3 5 8 E - 4 5 1 2 3 5 E 0 8 8 14 13 10 5 Summering 2 0 2 1 2 3 Ranking 2 3 2 4 2 1
Vidareutveckling? Ja/Nej NEJ NEJ NEJ NEJ NEJ JA
Efter summeringen och rankning av matrisen diskuterades resultaten och det valdes att fokusera på vidareutveckling av koncept 6, “Enhetlig ring”. Detta med tanke på dess simpla design vilket medför en mer sparsam tillverkning och större alternativt utbud av materialval. I denna design skall alltså både slirytan samt friktionsytan bestå av samma material och det är med hjälp av en specifikt designad utsida som ger en högre mothållskraft.
24
4.2.5 Vidareutveckling
Med koncept 6 valt som slutgilitigt koncept vidareutvecklades den i Creo (PTC 2014) så att samtliga mått stämde med vad som eftertraktades. Nedan i figur 23 syns expansionsringens iöverlappande ändar där den går ihop, det är för att ringen skall kunna spännas över axeln och följa med när axeln expanderar. Med hjälp av denna överlappning kan även en simplare montering säkerställas vilket är ett viktigt steg för att minska tillverknings- och driftkostnaden i jämförelse med de metalliska ringarna. Tidigare behövdes axelns sida demonteras av för att trä på och av de metalliska ringarna. Med denna design kan de enkelt spännas på direkt utan någon demontering. Piggarnas syfte är att försäkra att expansionsringen greppar hylsan.
Figur 23. Slutgiltig prototyp "Enhetlig ring"
När CAD designen var gjord beställdes en 3D utskriven detalj. Anledningen till att en prototypframtagning med hjälp av 3D utskrivning används var för att säkerhetsställa att prototypen hade rätt mått och på så vis undviks eventuella dyra ombeställningar av material och framtagningsarbete. När den 3D utskrivna detaljen kunde bekräfta att måtten stämde, var den redo att beställas för att kunna göra de praktiska testerna. Ritningen på detta koncept kan ses i Bilaga 1.
Den nya prototypen påverkar tillverkningskostnaden:
• positivt genom att vara uppgjord av endast en del, vilket eliminerar tillverkningens monteringskostnader.
Den nya prototypen påverkar driftkostnaden:
• positivt genom att kunna spännas direkt ovanpå axeln utan någon typ av demontering • negativt genom att vara tillverkad i plast, vilket ger en minskad nötningsgrad i
jämförelse med metalliska ringarna.
4.3 Analys
Med en designkoncept vald tillkom nya krav på materialet. Då designen inte använde sig av en o-ring som spänns ovanpå ökar kravet på styvhet i materialet. För att kontrollera vilka material som kan anses vara bäst lämpade för det nya konceptet kontaktades materialleverantörerna ytterligare en gång. Med deras hjälp kunde alternativen för expansionsringen fås till tre nya polymera material. PE-UHMV Bemalon 1000 FG NATUR, PET-NATUR och PET.
25
Från datablad (se bilagor 2-4) som erbjöds av materialleverantörer kunde en tabell framställas där materialen ställdes mot varandra (tabell 5).
Tabell 5. Material alternativ
Plastsort Återvinnings- barhetsgrad Maximal temperatur(°C) Sträck- gräns (%) Brott- töjning (%) Formbarhet Dragmodul (MPa) Nötnings-grad
PET 100% 160 4 15 God 3500 God
PET-
NATUR 100% 160 4 5 God 3300 God
PE-UHMV Till stor grad 120 15 50 God 750 God
PE-UHMV avgjordes först inte vara lämpat på grund av sin låga dragmodul. Det ansågs vara för mjukt för att kunna erbjuda den styvhet som behövs för att stabilt spänna konceptet rund axeln.
Mellan PET och PET-NATUR var det svårt att urskilja vilken som skulle vara bäst. Eftersom den ena endast är en modifiering av den andra, har de väldigt lika egenskaper, dessutom var skillnaden på tillverkningskostnaden oansenlig. Det som gjorde differensen var den förbättrade nötningsgraden vilket gjorde att PET-NATUR fick bli det slutgiltiga materialet.
Polyethylene terephthalate (PET) är ett hårt, hållbart, kemiskt och termiskt stabilt material. Det har en låg gaspermeabilitet vilket innebär att det har en realativt bra täthet mot flytande och gasforms kemikalier. Det är även lätt att bearbeta och hantera vilket gör att plasten är bra att använda inom industrier (Webb 2012).
Materialet innehåller inte några farliga kemikalier som utsöndras med tiden vilket eliminerar hälsorisker vid användning. Med tanke på detta anses påverkan av närmiljön begränsad och inom målsättningen.
Detta anses därför besvara och lösa en av de mål och frågeställningar som arbetet utgick från. Används PET-NATUR som prototypens material skulle luftrenligheten ej påverkas.
PET är väldigt resistent mot biologisk nedbrytning och orsakar därmed många och varierande miljösynpunkter i samband med dess ackumulering (Webb 2012). Därför är det viktigt att källsortera PET när den slängs för att inte förorena miljön. Görs dock detta korrekt är PET helt återvinningsbar och miljövänlig.
26
4.3.1 Krafter
Följande figur 24 och figur 25 illustrerar ett snitt på prototypen innan och efter expansion skett och hur kraftfördelningen skiljer sig mellan de två scenarierna. I figur 24 har axeln ännu inte expanderat vilket innebär att inget tryck ligger på hylsan. Därför fås ingen jämn normalkraft runt om hylsans innerdiameter och de krafter som ändå går ut är så små att de försummas. Att hylsan måste ligga löst ovanpå ringen innan start är helt enkelt för att tillåta en smidig och snabb montering. Tanken är aldrig att köra systemet oexpanderat i drift eftersom hylsorna då skulle vara fria att röra sig i längdled på axeln. Designen innebär alltså att tryckluften skall expandera axeln efter monteringen av hylsorna men innan start av upprullning. Men för att illustrera de väsentliga piggarnas syfte, presenteras figur 24 som att axeln spinner tillsammans med ringarna innan expansionen skett.
Figur 24. Sidosnitt av friktionsaxel innan expansion
Som kan synas i figur 24 är axelns varvtal 𝑛𝑎𝑥𝑒𝑙 lika stor som expansionsringens varvtal 𝑛𝑟𝑖𝑛𝑔 på grund av att friktionskraften 𝐹𝑓𝑟𝑎𝑥𝑒𝑙 som drar med sig den friliggande ytan inte ännu har någon spännkraft från materialet.
27
Figur 25. Sidosnitt av friktionsaxel efter expansion
I figur 25 finns en expansion hos axeln vilket direkt är djupet som piggarna grävt in sig i hylsan. Här erhålls därför endast en mothållskraft som piggarna utför vinkelrät mot axeln och på så sätt påverkas friktionskoefficienten geometeriskt till att bli betydligt högre. Eftersom de ligger i direkt mothåll kan inte hylsan slira fritt över ringarna och därför dirigeras all dragkraft som inte tas upp av piggarna ner till närmaste friliggande yta. Detta är därmed slirytan mellan expansionsringen och axeln. Av denna anledningen kommer expansionsringen och hylsan konstant ha samma varvtal.
4.3.2 Temperatur
Följande analys är gjord för att försäkra termisk hållfasthet i den slutgiltiga prototypen. Analysen är gjord med teoretiska värden tagna från pålitliga källor samt några uppskattningar grundade i vetenskaplig undersökning med referenser samt motiveringar i texten.
Axeln har ett kontrollerbart lufttryck som ställs in på 0,3 𝑀𝑃𝑎. Denna tryckluft pressar på innersidans area 𝐴𝑝𝑙𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟 av de 5 stycken plattor som trycker på expansionsringen. Som tidigare nämnt skattas friktionskoefficienten 𝜇 vara 0,2. De dimensionsmått på delar som är inkluderade i följande beräkningar är tagna från den slutgiltiga prototypens ritningar.
𝐴𝑝𝑙𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟 = 14208 𝑚𝑚2
𝐹𝑓𝑟 = 0,2 × 0,3 × 14208 = 852,48 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 (2.3)(2.4) Slirgraden sätts som 10% vilket är högt men därmed garanteras analysen att inte blir lägre än praktiken. Axelns maximala ythastighet 𝑉𝑚𝑎𝑥 vid hylsans ytterdiameter 𝐷 är dessutom 500 𝑚 𝑚𝑖𝑛⁄ . Hylsans ytterdiameter mättes och plattornas individuella bredd 𝑏 är tagna från tillhörande ritningar.
28 10% = 0,1 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 500 𝑚 𝑚𝑖𝑛⁄ 𝐷 = 90 𝑚𝑚 𝑏 = 15,7265 𝑚𝑚 𝑠 =𝑉𝑚𝑎𝑥 × 0,1 𝐷 × 𝜋 × 5 × 𝑏 ≈ 13,9 𝑚/𝑚𝑖𝑛 (2.7)(2.8)(2.9)(2.10) Eftersom plattorna och axeln inte funnits tillgängliga individuellt och fysiska prototyper av ringarna inte ännu var framställda i väntan på denna analys, så togs istället massan fram genom att nyttja sig av volym och individuell densitet 𝜌.
𝑚 = 𝑉 × 𝜌 (4.1)
Densiteten är bestämd från vilket material delen är uppgjord av och volymen togs från tillhörande ritningar. Plattorna är gjorda av aluminium, ringarna är gjorda av PET, axeln är gjord i stål. Hylsans massa är framtagen med hjälp av en våg och en fysisk hylsa av rätt mått.
𝑉𝑝𝑙𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟 = 76,727 𝑐𝑚3
𝜌𝑝𝑙𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟 = 2,7 𝑔 𝑐𝑚⁄ 3 (Alphonce, Björk, Brolin & Pilström 2011)
𝑚𝑝𝑙𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟 = 76,727 × 2,7 ≈ 0,21 𝑘𝑔 (4.1) 𝑉𝑟𝑖𝑛𝑔𝑎𝑟= 69,82835 𝑐𝑚3 𝜌𝑟𝑖𝑛𝑔𝑎𝑟 = 1,34 𝑔 𝑐𝑚⁄ 3 (Crow 2018) 𝑚𝑟𝑖𝑛𝑔𝑎𝑟 = 69,82835 × 1,34 ≈ 0,094 𝑘𝑔 (4.1) 𝑉𝑎𝑥𝑒𝑙 = 845,454 𝑐𝑚3 𝜌𝑎𝑥𝑒𝑙 = 7,8 𝑔 𝑐𝑚⁄ 3 (Alphonce et al. 2011) 𝑚𝑎𝑥𝑒𝑙 = 845,454 × 7,8 ≈ 6,6 𝑘𝑔 (4.1) 𝑚ℎ𝑦𝑙𝑠𝑎= 0,2 𝑘𝑔
Den specifika värmekapaciteten 𝑐 är materialets kapacitet att ta upp värmeenergi och har därför en enhet av 𝐽 𝑘𝑔 × ℃ ⁄ . 𝑐𝑝𝑙𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟 = 900 𝐽 𝑘𝑔 × ℃ ⁄ (Alphonce et al. 2011) 𝑐𝑟𝑖𝑛𝑔𝑎𝑟 = 219 𝐽 𝑚𝑜𝑙 × ℃⁄ (Crow 2018) 𝑐𝑎𝑥𝑒𝑙 = 460 𝐽 𝑘𝑔 × ℃⁄ (Alphonce et al. 2011) 𝑐ℎ𝑦𝑙𝑠𝑜𝑟 = 1400 𝐽 𝑘𝑔 × ℃⁄ (Hultén 2011)
29
Eftersom den specifika värmekapaciteten hos PET mäts i enheten 𝐽
𝑚𝑜𝑙 × ℃
⁄ var det nödvändigt att beräkna fram hur många 𝑚𝑜𝑙 som ingick i ringarnas totala massa. En mol kallas även ett materials substansmängd och är ett mått på antalet systemelement med enheten 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
𝑚𝑜𝑙𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
⁄ (Alphonce et al. 2011). 𝑚𝑜𝑙 = 𝑚
𝑀 (4.2)
Alltså utnyttjas PETs specifika molmassa 𝑀𝑃𝐸𝑇 vilket är 192,17 𝑔 𝑚𝑜𝑙⁄ (Crow 2018). 𝑚𝑜𝑙𝑟𝑖𝑛𝑔𝑎𝑟 = 94
192,17≈ 0,5 𝑚𝑜𝑙 (4.2)
Efter detta kunde den slutgiltiga temperaturskillnaden per minut beräknas.
∆𝑇 = 852,48 ∗ 13,9
6,6 × 460 + 0,21 × 900 + 0,5 × 219 + 0,2 × 1400≈ 3,28 ℃ 𝑚𝑖𝑛⁄ (2.5)(2.6) Systemet antas operera i rumstemperatur vilket ger starttemperaturen T1=20℃. Slås sedan detta tillsammans ut på den maximala drifttiden 20min fås en maximal temperatur till:
𝑇𝑚𝑎𝑥 = 20 ℃ + 3,36 ℃ 𝑚𝑖𝑛⁄ × 20 𝑚𝑖𝑛 = 85,6 ℃ (Ahlström 2017) (4.3) Eftersom PET har en maximal temperatur på 160 ℃ (se bilaga 4) kan systemet anses vara användbart om denna temperatur koncentreras här. Dock måste andra maximala temperaturer tas i åtanke när det kommer till det praktiska. Hylsan och upprullningsmaterialet är båda ofta gjorda i papper och vid en för hög temperatur blir då systemet brandfarligt. Dessutom finns gummislangar och annat smältbart material inuti axeln. Det slutgiltiga resultatet hänger alltså på hur väl ringarna samt plattorna isolerar och skyddar annat material.
4.4 Praktiska mätningar
De praktiska mätningarna startade med att ställa in korrekt varvtal 𝑛 på maskinen. I testerna skulle ringarna göra en total slirning, vilket innebar att rullhastigheten var tvungen att matcha den maximala slirningen. Detta har tidigare etablerats som:
500 ∗ 0,1
0,09 × 𝜋 ≈ 177 𝑣𝑎𝑟𝑣/𝑚𝑖𝑛
(2.7)(2.8) Ringarna till testet framtogs med hjälp av vattenbeskärning efter måtten i bilaga 1. De tillverkades i det beslutade materialet PET-NATUR.
Som beskrivet i kapitel 3.3 kommer temperatur mätas vid axelns mittpunkt samt kanter under testets gång.
I det första testet introducerades ett relativt högt lufttryck på 0,6 𝑀𝑃𝑎 i axeln för att uppnå tillräcklig dragkraft och för att få en referens på hur högt tryck som kunde behöva uppnås (tabell 6).
Tabell 6. Praktiskt test 1
T Temp. Vänster Temp. Mitten Temp. Höger Dragkraft
1min 38℃ 23℃ 40℃ 15,7kg
5min 74℃ ~100℃ ~130℃ 22kg
Redan efter 5 minuter märktes en alldeles för hög temperatur av IR termometern så testet avbröts tidigt för säkerhet. Sedan gjordes kontroller på alla delar och det anmärktes en betydande värmeskillnad. Däremot var denna värmeskillnad inte så extrem som termometern antytt då inga delar vara för varma för att säkert kunna vidröras för hand. Dragkraften blev hög
30
vid detta test och dessutom ökar den successivt. Detta beror trorligen på grund av att vid första mätningen hade expansionen fortfarande inte uppnått sitt max. Hylsornas pappmaterial kan vara orsaken till detta eftersom den mjuka materialegenskapen skulle leda till en långsam ökning i expansion istället för ett stumt motstånd. När piggarna sedan trycks djupare in i hylsorna fås en större mothållskraft och som resultat en ökad dragkraft.
Med detta resultat tillhands gjordes ett andra test med ett sänkt lufttryck på 0,39 𝑀𝑃𝑎. Under följande test valdes det att sikta på att hålla ett lufttryck som gav en kraft på 8 𝑘𝑔 (tabell 7).
Tabell 7. Praktiskt test 2
T Temp. Vänster Temp. Mitten Temp. Höger Dragkraft
1min 66℃ 48℃ 74℃ 7,8kg
5min 96℃ 70℃ 76℃ 8,4kg
Detta test startades med högre temperaturer då det var kort inpå det tidigare och återigen fick testet brytas vid 5 minuter på grund av höga temperaturmätningar. Även denna gång var inte några delar för varma för beröring under en längre tid men en betydande temperatur kunde ändå kännas av.
Dessa mätningar ansågs nu ge tydliga tecken på att termometer utrustningen inte var korrekt kalibrerad och beslutet togs att göra ett eget omdöme om värmen utöver vad termometern anvisade i ett ytterligare test. Denna gång ställdes lufttrycket initialt på 0,32 𝑀𝑃𝑎 med möjligheten att justeras för att ligga på en kraft mellan 8 − 8,5 𝑘𝑔 på den elektroniska vågen (tabell 8). I test 3 kommer alltså temperaturerna och lufttrycket vara variablar och dragkraften ses som testets konstant. Dragkraften exkluderas därför i tabellen nedan då den alltid ligger mellan 8 − 8,5 𝑘𝑔.
Tabell 8. Praktiskt test 3
T Temp. Vänster Temp. Mitten Temp. Höger Lufttryck
0min 36℃ 34℃ 38℃ 0 1min 45℃ 50℃ 59℃ 0,32MPa 5min 60℃ 85℃ 85℃ 0,32MPa 10min 67℃ 99℃ 83℃ 0,32MPa 20min 75℃ 78℃ 73℃ 0,31MPa 30min 78 ℃ 82℃ 88℃ 0,31MPa
Det som tydligt visade sig här var att trots att termometern visade höga temperaturer tidigt, ökade de inte efter ett tag. De snarare sjönk och stannade kvar vilket skulle kunna anses bero på kyleffekten från omgivningen. Men eftersom det var stora variationer av temperatur i mitten mellan 10 minuter och 20 minuter anvisade detta med säkerhet att termometern inte gav trovärdiga resultat. Därför har det slutgiltiga beslutet angående duglighet inte tagit dessa värden till hänsyn.
31
Dock ansågs att den elektroniska vågen återgav pålitliga värden. Målet med prototypen var att kunna hålla en jämn dragkraft på minst 100 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛. Detta mål anses ha uppnåtts då första testet nådde en dragkraft på 22 𝑘𝑔 vilket är cirka 220 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛. Under de senare testerna sänktes lufttrycket och en stabil dragkraft kunde hållas där den aldrig skiftade med mer än 6 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛. Den nya prototypen anses alltså kunna hålla en jämn banspänning.
Efter de tre testen hade gjorts togs samtliga ringar av och analyserades. Axeln var märkbart varm vilket inte ansågs konstigt med tanke på de tätt på varandra följande tester, men återigen var den inte för varm för att kunna beröra. En koncentration av värme anmärktes dock vid änden där tryckluften introducerades. Expansionsringarna svalkades snabbt av efter avmonteringen och denna process gick som förväntat väldigt smidigt och fort. De hade dock synliga brännskador invändigt (figur 26). Anledningen till just denna brännskada bedömdes vara det första testet då lufttrycket visade sig vara alldeles för högt som resulterade i en dragkraft på 22 𝑘𝑔. Det spekulerades även att de imperfekta jobb som utförts vid vattenbeskärningen av expansionsringarna kunde spela en större faktor. Som figur 26 anvisar var den rundade slirytan långt ifrån perfekt med en väldigt låg upplösning.
Brännskadorna visar tydligt att beskärningen gjorts med en viss lutning eftersom endast en sida av ytan är påverkad, vilket hade gett en högre påfrestning.
Figur 26. Märken på prototyp efter tester
Hylsorna visade tydligt slitage från piggarna vilket var förväntat och ansågs ej vara en betydande faktor. Ingen utvändig slirning mellan expansionsringarna och hylsorna har observerats under testerna. Därmed kan piggarnas funktionalitet att garantera invändig slirning säkerställas. De märken som visas i figur 27 kommer endast som konsekvens av den deformation och kraft som piggarna påfrestar under drift.
32
När en expansionsring som använts under testerna jämfördes med en obrukad blev resultatet tydligare. Ringen hade under påverkan av höga krafter och ökad temperatur formändrats och därmed tappat en del av sin styvhet som bidrar till en stabil fastspänning över axeln (figur 28).
Figur 28. Formändring av prototyp efter tester, vänster oanvänd, höger använd
På grund av detta beslutades att denna lösning för en ny typ av friktionsring inte var användningsbar. Vidareutveckling behövs i det fallet i form av ett härdigare material eller en översikt av design. Projektgruppen anser att en perfekt framtagen prototyp hade gett godare resultat under testerna men på grund av den betydande formändringen under endast kort användning kan inte den acceptabla livslängden garanteras. Därför krävs vidareutveckling och tester för att göra produkten lämplig.
33