Örebro universitet Örebro University
Institutionen för School of Science and Technology naturvetenskap och teknik SE-701 82 Örebro, Sweden
Maskinteknik C, Examensarbete, 15 högskolepoäng
UPPDATERING AV BORRENHET
Fredrik Hellgren
Maskiningenjörsprogrammet, 180 högskolepoäng Örebro vårterminen 2014
Examinator: Sören Hilmerby UPDATE OF DRILL-UNIT
Sammanfattning
Examensarbetet utfördes på Atlas Copco Rock Drills och det gick ut på att uppdatera en borrenhet med Rig Control System. Det är ett datastyrt hydrauliksystem som möjliggör automatisk borrning. För att få automatisk borrning behöver borrmaskinens position mätas med hög noggrannhet och en lösning kunde presenteras som uppfyller det kravet.
Projektet startade med att ta fram olika förslag i form av koncept som sedan utvärderades med personal från Atlas Copco.
Resultatet blev ett förslag som sedan vidareutvecklades och kompletterades med produktionsritningar och strukturer.
Abstract
The examination work was performed at Atlas Copco Rock Drills. The assignment contained an update of a drill unit with Rig Control System. It is a computer controlled hydraulic system that supports automatic drilling. To get automatic drilling it’s required to measure the position of the rock-drill cradle with high accuracy and a solution could be presented to meet this requirement.
The project started with development of several suggestions in form of concepts that were evaluated by personnel from Atlas Copco.
The result was a concept that was further developed with drawings and structures for production.
Förord
Större delen av arbetet har utförts på URE:s teknikavdelning där det har funnits de bästa tänkbara förutsättningarna för ett lyckat examensarbete. Jag fick dessutom under arbetet besöka Atlas Copcos provningsgruva i Nacka vilket jag är mycket tacksam för. Det har visats ett stort intresse för arbetet och det har varit intressant och lärorikt.
Jag vill ge ett stort tack till min handledare Henrik Höjenberg som har gett mig ett bra stöd genom hela examensarbetet och som alltid har ställt upp på att svara på frågor.
Vill även tacka Bengt Åsberg och Sören Hilmerby på Örebro universitet som har gett bra synpunkter på arbetet.
Innehållsförteckning
1 INLEDNING ... 5 1.1 Företaget ... 5 1.2 Projektet ... 6 1.2.1 Uppgiftsbeskrivning ... 6 1.2.2 Syfte ... 6 1.2.3 Avgränsning ... 6 1.2.4 Metod ... 6 2 BAKGRUND ... 7 2.1 Problemet ... 7 2.1.1 Beskrivning av borrenheten ... 72.1.2 Introduktion till långhålsborrning ... 8
2.1.3 Ideal stånghanteringsprocess ... 9
2.1.4 Automatisk borrning ... 9
2.1.5 Samhällets intresse av uppdateringen ... 10
2.1.6 Tekniska problemställningen ... 10
2.1.7 Projektets utgångspunkt ... 10
2.2 Vad har företaget gjort tidigare ... 11
2.2.1 Simba S7D ... 11
2.2.2 Andra produktionsborrningsmaskiner ... 11
2.3 Vad har andra gjort tidigare ... 12
2.4 Beskrivning av teknikområdet ... 13
2.5 Teori ... 13
3 METOD ... 14
3.1 Metoder för genomförande ... 14
3.1.1 Analys av borrenheter ... 14
3.1.2 Test av Micropulsgivare på 4 fots matare ... 14
3.1.3 Undersökning av alternativ mätpunkt ... 15
3.1.4 Noggrannhet vid mätning av bakre släden ... 17
3.1.5 Krav och viktning av de första fyra förslagen ... 18
3.1.6 Delredovisning med teknikavdelningen ... 19
3.1.7 Delredovisning med teknisk service och marknad ... 20
3.1.8 Vidareutveckling av förslag steg ett ... 20
3.1.9 Vidarutveckling av förslag steg två ... 24
3.2 Verktyg ... 28 4 RESULTAT ... 29 5 DISKUSSION ... 30 5.1 Värdering av resultat ... 30 5.2 Fortsatt arbete ... 30 6 SLUTSATSER ... 31 7 REFERENSER ... 32
Figurförteckning
Figur 1 – Borrenhet Simba S7D ... 7
Figur 2 – Borrstålsskarv, Foto: Atlas Copco ... 8
Figur 3 - Sikten över borrenheten vid horisontell borrning, Foto: Atlas Copco ... 8
Figur 4 - RCS kontrollpanel, Foto: Atlas Copco ... 9
Figur 5 - Bild från MWD log (Measurement While Drilling) ... 10
Figur 6 - Resolvergivare Simba S7D, Foto: Atlas Copco ... 11
Figur 7 - Micropulslägesgivare, skyddsrör och magnet. ... 11
Figur 8 – Pulsgivare som används av SDE ... 12
Figur 9 – Förslag ett ... 15
Figur 10 – Förslag två ... 16
Figur 11 –Förslag tre ... 16
Figur 12 – Förslag fyra ... 17
Figur 13 - Vidarutveckling steg ett ... 21
Figur 14- Modalanalys ett, randvillkor ... 22
Figur 15 – Modalanalys två, Randvillkor ... 23
Figur 16 – Slanghållare ... 24
Figur 17 – FEM-analys slanghållare, randvillkor ... 25
Figur 18 – FEM-analys slanghållare, lokalisering av högsta spänning ... 25
Figur 19 – FEM-analys ett av främre stinger, randvillkor ... 26
Figur 20 – FEM-analys ett av främre stinger, spänningar ... 26
Figur 21 – FEM-analys två av främre stinger, randvillkor ... 27
Figur 22 – FEM-analys två av främre stinger, spänningar ... 27
1 Inledning
1.1 Företaget
Bakom Atlas grundande stod i första hand Eduard Fränckel och André Oscar Wallenberg. Fränckel var maskindirektör vid Statens Järnvägar och väckte förslaget att anlägga en svensk specialverkstad för järnvägsmateriel, och det var också han som blev det nya företagets verkställande direktör 1873. A.O Wallenberg hade 1856 grundat Stockholms Enskilda Bank. Banken hade deltagit i olika järnvägsbyggen och det låg nära till hands för att intressera sig i en svensk verkstad för järnvägsmateriel. Efter ett par år svarade Stockholms Enskilda Bank för hela Atlas kreditgivning.
På slutet av 1800-talet rekonstruerades företaget p.g.a. den minskade orderingången av järnvägsmateriel. Efter rekonstruktionen utvecklades företaget gynnsamt och man sökte nya och mer lönsamma produkter. Som ett led i denna strävan tog man vid sekelskiftet upp tillverkning av tryckluftverktyg och kompressorer. Man använde tidigare erfarenheter från tillverkning av ångmaskiner och företaget blev ledande inom kompressorteknik. I början av 1900 – talet tillverkade Atlas även dieselmotorer och gick då under namnet Atlas Diesel. Trots att dieselmotorerna var företagets mest avancerade produkt var det tryckluftsidan som expanderade mest och försäljningen av tryckluftutrustning hade ökat betydligt snabbare än motorförsäljningen. Resultatmässigt svarade tryckluftsprodukterna för hela företagets resultatöverskott.
Vid sekelskiftet började Atlas tillverka bergborrmaskiner men det var inte förrän 1935 som maskinerna slog igenom på världsmarknaden. En av anledningarna till genombrottet var den nya svenska metoden som var baserad på en lätt borrhammare monterad på en knäled, en s.k. knä-matare. Samtidigt fick dieselmotortillverkningen allt svårare att hävda sig ekonomiskt i verksamheten och 1948 togs beslutet att avveckla denna tillverkning.
Framgångarna med bergborrmaskinerna ledde till en väldig ekonomisk expansion av företaget. Bolagets tillverkningssida förstärktes med nya produktbolag. Den största förstärkningen var år 1956 när Atlas köpte den belgiska kompressortillverkaren Arpic.
Tillverkningen av portabla kompressorer flyttade till Arpics anläggningar utanför Antwerpen. I samband med bolagets omställning till ett rent tryckluftföretag bytte bolaget namn till Atlas Copco AB.
År 1968 genomfördes en stor organisationsförändring, en divisionalisering av Atlas Copco. I stora drag innebar det en uppdelning i tre produktbolag: Construction and Mining Technique, Airpower (kompressorer) och Tools (industriutrustningar). Produktbolagen är i sin tur
uppbyggda i olika tillverkande enheter. Dessa kallas för divisioner och de har alla en gemensam försäljningsorganisation. [1,2]
Idag är Atlas Copco AB är en global industrigrupp med huvudkontor i Stockholm. Koncernen har över 40.000 anställda och fabriker i bl.a. Sverige, USA, Indien och Kina. Produkterna säljs och hyrs ut via ett globalt nätverk av sälj- och servicebolag. I Örebro finns
produktutveckling och tillverkning av maskiner för gruv- och bergbrytningsteknik.
1.2 Projektet
1.2.1 Uppgiftsbeskrivning
En av de mindre maskinerna för långhålsborrning, Simba S7D, ska utrustas med RCS styrning, där RCS är en förkortning av ’’Rig Control System’’. Det är ett datastyrt
hydrauliksystem som möjliggör automatisk borrning. Nuvarande systemet är av typen DCS dvs. direkt styrd hydraulik.
För att borra med RCS-styrning behövs en längdgivare som mäter borrmaskinens position med hög noggrannhet. På de större produktionsborrningsmaskinerna används en micropuls baserad sensor, den modellen ska även användas här i uppdateringen av Simba S7D. Micropulslägesgivaren är lika lång som borrenhetens slaglängd vilket gör att allt annat runt denna måste utredas, om befintliga delar ska flyttas eller designas om. Placeringar för givare till andra rörliga delar, som t.ex. magasinsrotation och stånghanteringsarmar behöver också utredas.
1.2.2 Syfte
Arbetet ska leda från utredning till implementering. Det ska resultera i ett förslag med en komplett lösning för en matare utrustad med RCS styrning. Det ska finnas ritningar och strukturer klara att användas av produktion.
1.2.3 Avgränsning
Flera av Atlas Copcos borriggar använder balkprofilen BMH 6000 till borrenheten, men anpassning för vald längdgivare begränsas till Simba S7D. I utredningen kommer inte andra givarmodeller än micropulslägesgivare att behandlas. Styrsystemets metod för att bestämma borrmaskinens position kommer inte att utvärderas.
1.2.4 Metod
Arbetet kommer bestå av att:
1. Ta fram förslag på nya placeringar av befintliga detaljer och konstruktion av nya detaljer i den mån det är nödvändigt på borrenheten.
2. Utvärdera förslag och välja dito. Görs i samarbete med personal från Atlas Copco. 3. Genomföra valt förslag enligt följande prioriteringsordning:
a. Ta fram underlag i form av detalj- och sammanställningsritningar. Vid behov även genomföra hållfasthetsberäkningar.
b. Skapa underlag i MPS-systemet TPX/Demo i form av att skapa nya artikelnummer samt bygga kompletta strukturer (BOM).
För att utvärdera förslagen kommer det att hållas möten och presentationer med berörda avdelningar. Under utvärderingen kommer förslagen att viktas mot varandra. Kraven samt kravens vikt ska utvärderas kontinuerligt tillsammans med personal från Atlas Copco. I arbetet kommer leverantörskontakt behövas för att få en så bra lösning som möjligt.
2 Bakgrund
2.1 Problemet
Produktionsborrningsmaskinen Simba S7D behöver en ny uppdaterad borrenhet för RCS. Uppdateringen med nya detaljer får inte bidra till att borrenheten blir tyngre, främst för att undvika en större belastning på infästningen. Borrenheten används bara till Simba S7D men antalet varianter av denna är stort. Det finns olika längder på matarbalkarna eftersom
borrstålen som används är 4, 5 eller 6 fot långa. Dessutom finns borrmaskinen med eller utan uppslagare, vilket också påverkar längden av borrenheten. Totalt finns det sex varianter av borrenheter som alla behöver samma RCS styrning.
2.1.1 Beskrivning av borrenheten
Figur 1 – Borrenhet Simba S7D
Borrmatningen drivs av en hydraulcylinder som är monterad i matarbalken. Den är
dubbelverkande och har in och utlopp vid kolvsidan, returröret går genom kolvstången. Bakre och främre släden sitter fast med bultförband på cylindern och när hydraultryck appliceras på kolvsidan rör sig slädarna framåt. Borrmaskinssläden drivs med vajrar som är kopplade via brythjul i bakre och främre släden. Vajrarna fäster sedan i slanghållare samt matarens bakstycke. Utväxlingen mellan borrmaskin och cylinder är 2:1. I övrigt består av mataren av ett borrstöd längst fram samt ett borrstålsmagasin för tio borrstål. Magasinet och
stånghanteringen (RHS) är liknade det som används på maskinerna för ovanjordsborrning, RHS är en förkortning av ’’Rod Handling System’’. Bakre och främre stingercylinder används för att stabilisera borrenheten under borrning.
2.1.2 Introduktion till långhålsborrning
Vid långhålsborrning behöver operatören skarva med borrstänger för att borra längre in i berget. För att inte behöva skarva manuellt, vilket är tidskrävande och mycket riskfyllt, finns det ett stångmagasin med hydrauliska armar som flyttar stången från borrstålsmagasinet till borrcentrum.
Figur 2 – Borrstålsskarv, Foto: Atlas Copco
Hur effektiv borriggen är mäts ofta i antal borrmeter under en månad[4]. En bidragande faktor till antal borrade meter per månad och maskinens effektivitet är stånghanteringstiden, den tid som går till att skarva med nya stänger samt återföra dem till magasinet. Simba S7D använder inte automatiska stopp för stånghantering, det gör processen mer tidskrävande för operatören. I nuläget löses problemet genom att operatören målar tydliga markeringar på matarbalken för att hitta rätt position, antigen för att gänga i eller ur borrstålsskarven. Enligt serviceingenjör Anders Andersson på Atlas Copco är det även då svårt att hitta rätt position då sikten kan vara skymd för ur- eller i-gängning av skarvhylsan. Bilden nedan illustrerar hur stångmagasinet skymmer skikten för skarvhylsan.
2.1.3 Ideal stånghanteringsprocess
Borraggregatet använder sig av tre justerbara matningshastigheter: borrmatning, gängmatning och snabbmatning. Borrmatning används vid borrning och de övriga för stånghantering. I en optimal stånghanteringsprocess går snabbmatningen med full fart till sitt läge för att sedan direkt övergå till gängmatning. Att utföra denna process utan automatiska stopp kräver en stor skicklighet och vana från operatören.
2.1.4 Automatisk borrning
Automatisk borrning med Rig Control System (RCS) gör det möjligt att styra alla funktioner med individuella datamoduler och systemet kan anpassa borrparametrarna efter berget. I princip behöver operatören bara positionera borrenheten för att sedan starta borrningen och allt annat sköts automatiskt tills hålet är klart.
Några av de parametrar som systemet förlitar sig på är borrkronans friktion mot berget samt matningshastigheten. Ökar matningshastigheten hastigt indikerar detta på att borrkronan hamnar i en spricka dvs. berget är inte längre homogent. Vid ett sådant tillfälle kan resultatet bli en avvikelse från borrplanens centrum för att borrstålet böjer sig. Undersökningar visar att RCS systemet håller avvikelsen under 1,5 % med användning av bl.a. längdgivaren som en av de många styrande parametrarna. När borrparametrarna anpassas kontinuerligt till berget ökas livslängden av borrstålet vilket reducerar kostnaden per borrad meter.[5]
Under stånghanteringsprocessen behöver borrmaskinen stanna på angivna positioner med hög noggrannhet. Uppfylls inte det finns en risk för att stången inte går att lägga in i magasinet och då måste processen övergå till manuell styrning.
2.1.5 Samhällets intresse av uppdateringen
Myndigheter i en del länder kan kräva en logg från borrningen för att kontrollera om operatören följer borrplanen. Det kan gälla ett tunnelarbete där en myndighet går in och kontrollerar säkerheten. En förutsättning för att det ska vara möjligt är att maskinen är utrustad med RCS och mäter hålets djup.[5]
Figur 5 - Bild från MWD log (Measurement While Drilling)
2.1.6 Tekniska problemställningen
En mer exakt sensor behövs för att mäta borrmaskinens position. Den nya lösningen behöver uppfylla en mätteknisk noggrannhet på 5 mm. En micropulsbaserad sensor ska användas för att uppnå den noggrannheten.
2.1.7 Projektets utgångspunkt
Examensarbetet är en del av hela produktens uppdatering. Mjukvaran till systemet är påbörjad och testas i ett labb hos Atlas Copco i Örebro. Projektet ska börja med en utredning om det är möjligt att använda samma givare som på de större produktionsborrningsmaskinerna. Där finns det två längder att välja mellan som är specifika för Atlas Copco, 2710 mm och 2250 mm. De borrenheterna använder en mycket grövre balkprofil vilket gör att det finns mer plats för den här givarmodellen.
Projektet är i konceptfasen och ambitionen är att det ska avslutas med färdiga ritningar och underlag för produktion.
2.2 Vad har företaget gjort tidigare
2.2.1 Simba S7D
Befintliga lösningen för djupmätning består av en resolvergivare där vajern är infäst på borrmaskinssläden. Sensorn är placerad bakom en kraftig skyddsplåt. Det behövs för att borrhålen är ofta när en bergvägg och utrymmet brukar vara begränsat då maskinen används främst i låga tunnlar.
På grund av en stående våg i vajern under borrning blir signalen från givaren varierande. För att lösa detta används ett filter, det gör att signalen inte blir tillräckligt noggrann för att använda till automatiska mjukvarustopp. Den används mer som en riktlinje för var borrmaskinen befinner sig på matarbalken.
Figur 6 - Resolvergivare Simba S7D, Foto: Atlas Copco
2.2.2 Andra produktionsborrningsmaskiner
De större produktionsborrmaskinerna har använt sig av micropulslägesgivare sedan 2009 för borrmaskinens position. I arbetet ska det utredas om den även kan användas här i
uppdateringen. De längder som finns då är specifika för Atlas Copco d.v.s. inga
standardlängder. Eftersom den utsätts för vibrationer, vatten och borrkax är givaren monterad i ett skyddande rör och omsluts av dämpande o-ringar. Lägessignalen får givaren av en magnet som är monterad på borrmaskinssläden. Eftersom den läser av är magnetens position måste röret var omagnetiskt, i det här fallet är röret tillverkat av austenitiskt rostfritt stål. Givaren matas med 24V och ger en utsignal på 4-20 mA, signalen ger en noggrannhet på ±0,5 mm av magnetens position. RCS programmet till Simba S7D är förberett med den insignalen vilket gör att rent hårdvarumässigt passar den till en eventuell CAN-buss version av
borriggen.[7]
2.3 Vad har andra gjort tidigare
Atlas Copco Surface Drilling Equipment (SDE) använder ett liknade stånghanteringssystem och matarbalk. Metoden för djupmätning på deras borrenhet består av en pulsgivare monterad på mitten av balken samt två induktiva kalibreringsgivare vid ändlägena. För att givarhjulet ska läsa av positionen lindas en vajer runt hjulet och fäster mellan den bakre och främre släden. Det finns en risk för att vajern kan slira mot hjulet, därför använder systemet två induktiva givare som kalibrerar mot borrmaskinssläden. Pulsgivaren är inte absolut till skillnad från micropulsgivaren. Vid uppstart måste därför borrmaskinen passera en av kalibreringsgivarna för att djupmätningen ska starta.
Vid kontakt med SDE menar de att lösningen inte fungerat helt problemfritt och planerar att införa en micropulsbaserad givare, anledingen är att det behövs en sensor med högre
noggrannhet.
Mätmetoden med pulsgivare och kalibreringspunkter är anpassad för ovanjordsborrning och är inte lämplig att införa på Simba S7D, maskinen används i första hand för uppåtriktad borrning[4]. Borrenheten blir då mer utsatt för nedfallande sten jämfört med traditionell pallborrning.
2.4 Beskrivning av teknikområdet
Projektet är inriktat mot maskiningenjörsprogrammet och kräver teoretisk kunskap inom produktutveckling, tillverkningsteknik, mekanik, hållfasthetslära samt ritningsprogrammet Pro Engineer.
Eftersom det kvävs en djupare undersökning av produkternas struktur är det nödvändigt att förstå hur Atlas Copcos maskiner för underjordsborrning är uppbyggda. En modell kan vara utrustad på olika sätt beroende på var den ska användas. Samma detalj kan även användas på flera produkter. Vid ändring av en ritning måste det kontrolleras i ritningsarkivet i vilka satser detaljen ingår. För att det ska vara möjligt krävs en utbildning i företagets PLM-system Teamcenter. Vid ändringar av ritningar och strukturer behövs även utbildning i programmet TPX/Demo för att ta ut nya artikelnummer och bygga strukturer. TPX/Demo är ett program som använd för material- och produktionsstyrning. Nya och modifierade stålkonstruktioner ska följa Atlas Copcos standarder.
2.5 Teori
För att få grundläggande teoretiska kunskaper om produktionsborrning påbörjas arbetet med litteraturstudie samt studiebesök på flera avdelningar inom Atlas Copco. Den teorin ska sedan tillämpas vid placering och omkonstruktion av detaljer på borrenheten.[5]
Processen för hur företaget arbetar produktutveckling liknar den modell som beskrivs i boken
the mechanical design process (2009) av David G Ullman. Atlas Copco använder sig av bl.a.
Design Review vid utveckling av produkter. Nya tekniska lösningar presenteras och utvärderas tillsammans med alla berörda avdelningar innan de tillämpas. Boken the
mechanical design process beskriver, i kapitlen Concept Generation och Concept Evaluation,
vägen från koncept till vidareutveckling. Grundregeln är att ta fram koncept i form av enkla lösningsförslag, de ska sedan presenteras och utvärderas. Val av förslag att vidareutveckla sker med hjälp en en beslutsmatris eller den s.k. Pugh’s method.[6]
Konstruktion av nya detaljer ska följa Atlas Copcos standarder. Företaget har egna standarder för bl.a. svetsning, bearbetning och bultförband. Teorin som finns i dokumenten för Atlas Copcos standarder ska tillämpas på ett praktiskt sätt i nya konstruktioner och även anges på produktionsritningar.
På grund av en del detaljers komplexa geometri kommer hållfasthetsberäkningar att utföras med finita element metoden (FEM). I det här projektet används beräkningsprogrammet Ansys för sådana beräkningar.[10]
3 Metod
3.1 Metoder för genomförande
Projekt kommer inledas med att ta fram olika konstruktionsförslag som sedan ska utvärderas tillsammans med personal från Atlas Copco. Eftersom första förslagen ska utgöras av koncept kommer det inte att finnas färdiga produktionsritningar för dem.
Det koncept som får bäst utvärdering ska utvecklas och kompletteras med ritningar, strukturer och hållfasthetsberäkningar.
3.1.1 Analys av borrenheter
Borrenheterna delas enklast in i två grupper, 4 fot med eller utan uppslagare och 5-6 fot med eller utan uppslagare. Det som skiljer dem åt är bakre stingercylindern. Cylinderns längd för 4 fots enheter är 1000 mm och för 5-6 fots har cylinderlängden 1338 mm. De har alla samma cylinderfästen. Tidigare var cylindern ett tillval men nu är den mer eller mindre standard och kommer troligen bli det i samband med uppdateringen.
Om borrmaskinen utrustas med uppslagare blir den 205 mm längre[9]. Det gör att
matarbalken måste vara längre för att upprätthålla rätt slaglängd till borrstålet. Infästningen skiljer också dem åt, d.v.s. olika borrmaskinssläde beroende om det är uppslagare eller inte. I övrigt är det bara längden på matarbalken som ändras beroende på val av borrenhet. Maximal slaglängd varierar mellan 1676 – 2291 mm. Vid nedåtriktad borrning förlängs det mekaniska stoppet genom att stoppklackar monteras på den främre släden, det förkortar slaglängden med 50 mm.
Under borrning spolar maskinen ur borrhålet med högt vattentryck. Det gör att givaren definitivt kommer utsättas för vatten och borrkax. Det kommer också stora vibrationer från det hydrauliska slagverket i borrmaskinen.
3.1.2 Test av Micropulsgivare på 4 fots matare
För att enklare konstruera om eller flytta befintliga delar på mataren gjordes en helt ny sammanställning i CAD programmet. Arbetet med att hitta en placering inleds med att undersöka hur maskinen används vid drift. Även kartlägga borrenhetens servicepunkter och vilka de vanligaste justeringspunkterna är. I samråd med handledare på Atlas Copco
formulerades några grundprinciper för arbetet med placeringen. För att hitta en bra placering bör hänsyn tas till följande:
• Bör placeras skyddat från stånghantering
• Det ska finnas utrymme till att justera slädarnas glidstycken • Få ändringar på befintliga delar
I förslaget nedan är givaren placerad mitt på matarbalken. Magneten är inte utplacerad men tanken är att den ska monteras vid det bakre glidstycket på borrmaskinssläden. Det gör att givarröret kan sluta bakom främre stingercylindern. Längden kunde då vara maximalt 2100 mm vilket gör att givaren blir specifik för varje borrstålslängd, d.v.s. totalt tre olika längder för hela matarserien. De flesta skruvar på mataren är av dimensionen M12 och så även
kommer givaren att fästas mot balken. Det underlättar för montering i produktionen och det är mer servicevänligt om alla skruvar håller samma dimension.
Ändringar på befintliga delar:
• Slanghållare och stingerfäste nedflyttat 12 mm, hamnar i nivå med infästning för RHS.
• Bakre stingercylinder utflyttad 15 mm • Ny design av bakre plåt
Figur 9 – Förslag ett
3.1.3 Undersökning av alternativ mätpunkt
Det är fullt möjligt att placera magneten på bakre eller främre släden. Det som behöver ändras är skalan på insignalen då de går med halva farten mot borrmaskinens släde. För montage av magneten på den främre släden hamnar givaren oskyddat från stånghantering. Därför kommer följande koncept att testas med mätning på den bakre släden. Undersökningen resulterade i tre olika förslag på placering. Eftersom projektet fortfarande är i konceptfasen konstrueras inget fäste till magneten i förslag ett t.o.m. fyra utan det första steget är att hitta en bra placering.
I förslag två är givaren monterad på en 4 fots matare utan uppslagare. För att genomföra det här förslaget behöver stingerfästet flyttas ned 10 mm. Givaren kommer inte att passa på matare med den långa stingercylindern, det behövs två olika givare. Cylindern behöver inte flyttas så förslaget går att genomföra med matarens ordinarie bakstycke.
Figur 10 – Förslag två
Förslag tre har inga ändringar på befintliga delar. Givaren är placerad på andra sidan av matarbalken. Givaren sitter oskyddat här och en eventuell skyddsplåt kan behövas. Det behövs minst två olika längder på givare i det här förslaget.
I förslag fyra är bakre stinger utflyttad 15 mm och nedflyttad 12 mm. Här går det att använda samma givare för alla varianter av matare. Infästningen för givaren hamnar på olika sidor om stingerfästet beroende på cylinderlängd.
Figur 12 – Förslag fyra
3.1.4 Noggrannhet vid mätning av bakre släden
Kopplingen mellan borrmaskinen och den bakre släden utgörs av en vajer. Den är justerbar för att upprätthålla en förspänning då vajerns slits. Kopplingen mellan borrmaskinen och främre släden är också justerbar, således kan avstånden mellan slädarna ändras.
Fabriksinställningen mellan bakre släden och borrmaskin vid bakre mekaniskt stopp är 12 mm. Spelet mellan slädarna vid främre mekaniskt stopp blir då ca: 45 mm.
Kalibreras inte givaren vid en vajerjustering finns risk för ett fel på ca: 40 mm. Därför kan det krävas en extra kalibrering utöver den som görs i fabriken, t.ex. vid byte av matarvajrar i fält.
3.1.5 Krav och viktning av de första fyra förslagen
Kraven har formulerats i samarbete med personal från Atlas Copco. I första steget har vikterna tagits fram tillsammans med handledare. Kraven ställs först mot varandra för att sedan viktas i en matris, en s.k. beslutsmatris.[6] Förslagen förbrukar ungefär samma mängd material, har samma tillvekningsmetod och likvärdig miljöbelastning vid användning. Därför användes inget miljökriterie vid viktningen av förslagen. När kraven formulerades lades det stor tyngd på servicevänlighet, driftsäkerhet och en modulär lösning som ger upphov till få articklar.
Följande fem krav ställs på den nya lösningen: 1. Få ändringar på mataren
2. Servicevänlighet med avseende på reparation och underhåll av borrenheten 3. Modularitet 4’- 6’ matare
4. Skyddad placering
5. Servicevänlighet med avseende på kalibrering av givaren
Krav 1 Förslag 1 Förslag 2 Förslag 3 Förslag 4
Förslag 1 + + +
Förslag 2 - + -
Förslag 3 - - -
Förslag 4 - + +
Totalt 0 2 3 1
Krav 2 Förslag 1 Förslag 2 Förslag 3 Förslag 4
Förslag 1 - - -
Förslag 2 + + /
Förslag 3 + - -
Förslag 4 + / +
Totalt 3 0,5 2 0,5
Krav 3 Förslag 1 Förslag 2 Förslag 3 Förslag 4
Förslag 1 + / +
Förslag 2 - / +
Förslag 3 / / +
Förslag 4 - - -
Krav 4 Förslag 1 Förslag 2 Förslag 3 Förslag 4 Förslag 1 + - + Förslag 2 - - + Förslag 3 + + + Förslag 4 - - - Totalt 1 2 0 3
Krav 5 Förslag 1 Förslag 2 Förslag 3 Förslag 4
Förslag 1 - - - Förslag 2 + / / Förslag 3 + / / Förslag 4 + / / Totalt 3 1 1 1 Vikt, ∑=100 % Förslag 1 2 3 4 Krav 1 10 0 0 2 20 3 30 1 10 Krav 2 20 3 60 0,5 10 2 40 0,5 10 Krav 3 20 0,5 10 1,5 30 1 20 3 60 Krav 4 35 1 35 2 70 0 0 3 105 Krav 5 25 3 75 1 25 1 25 1 25 T o t a l p o ä n g 180 155 115 210
3.1.6 Delredovisning med teknikavdelningen
Efter genomgången av förslagen fattades beslut om att vikterna skulle omfördelas, den nya fördelningen och resultatet syns i tabellen nedan.
Vikt, ∑=100 % Förslag 1 2 3 4 Krav 1 10 0 0 2 20 3 30 1 10 Krav 2 5 3 15 0,5 2,5 2 10 0,5 2,5 Krav 3 20 0,5 10 1,5 30 1 20 3 60 Krav 4 25 1 25 2 50 0 0 3 75 Krav 5 40 3 120 1 40 1 40 1 40 T o t a l p o ä n g 170 142,5 100 187,5
3.1.7 Delredovisning med teknisk service och marknad
Här påpekades att förslag fyra ger en bra skyddad placering. Dock kommer lösningen att kräva en extra kalibrerings givare då alla servicemekaniker inte har tillgång till en
givarkalibrering i systemet. Den automatiska kalibreringsmetoden med extra givare beskrivs i kapitel 2.5 och är inte lämplig att använda i uppdateringen av Simba S7D. Ny fördelning av vikter och resultatet syns i tabellen nedan.
Vikt, ∑=100 % Förslag 1 2 3 4 Krav 1 5 0 0 2 10 3 15 1 5 Krav 2 10 3 30 0,5 5 2 20 0,5 5 Krav 3 15 0,5 7,5 1,5 22,5 1 15 3 45 Krav 4 25 1 25 2 50 0 0 3 75 Krav 5 45 3 135 1 45 1 45 1 45 T o t a l p o ä n g 197,5 132,5 95 175
3.1.8 Vidareutveckling av förslag steg ett
Förslag ett kommer att vidareutvecklas då det fick bäst utvärdering under beslutsprocessen. En av anledningarna är att det kommer ge den bästa förutsättningen till en hållbar
produktivitet för operatören, vilket det lades stor vikt på under utvärderingen. Vid mätning direkt på borrmaskinssläden blir givaren absolut och behöver ingen ny kalibrering vid byte eller justering av matarvajrar.
Det är även nödvändigt att ta fram en lösning som gör det möjligt att använda samma givarhållare för alla Simba S7D:s borrenheter, trots att det kan medföra fler ändringar av befintliga delar.
Som ett första steg i vidarutvecklingen av förslag ett konstruerades en lösning där samma givarhållare kan appliceras på alla sex olika varianter av borrenheter, se figur 13.
Infästningen av hållaren består av tre fästpunkter och liknar den från de större produktionsborrningsmaskinerna.
Mellersta infästningen för hållaren krockar med övriga detaljer om givaren placeras på samma avstånd från borrmatarens bakstycke. Det löstes med att magneten antingen monteras vid främre eller bakre glidstycket på borrmaskinssläden med hänsyn till vilken borrenhet givarhållaren monteras på.
I figur 13 är givarhållaren det blå röret som är monterat längs matarbalken. Magneten har inte fått någon given placering i det första steget av vidarutvecklingen och det är möjligt att placera den vid bakre eller främre glidstycket på borrmaskinens släde. För att öka
servicevänligheten har det införts ett hål i matarens nya bakstycke som gör det möjligt att byta givaren utan att demontera hållaren. Hålet har diametern 57 mm och syns på bilaga I. En sammanställningsritning av hela matarens nya bakstycke finns i bilaga G. I och med att den bakre stingercylindern flyttas har cylinderfästet modifierats, sammanställningsritning av fästet finns i bilaga L.
Placering av befintliga detaljer behålls men de konstrueras om för att ge plats till givaren. Det gör att inga hålbilder ändras och samma artikelnummer på matarbalken kan behållas. Vid nedflyttning av t.ex. slanghållarens skruvhål i matarbalken skulle det resultera i sex nya artikelnummer/matarbalkar och en sådan lösning bör undvikas.
Figur 13 - Vidarutveckling steg ett
Förslaget ’’vidarutveckling steg ett’’ utvärderades av handledare på Atlas Copco. Det påpekades att det är en betydande fördel om infästning för magnet får samma placering på alla borrenheter. Det underlättar i monteringen samt att det håller nere antalet artiklar. För att uppfylla det kravet krävs en ny lösning av hållarens infästning, eventuellt behöver den mellersta infästningen tas bort.
Enligt matarkonstruktör Mats Holmberg har det varit problem med att givaren går sönder p.g.a. de vibrationer som råder i borrenheten under borrning. Det var ett vanligt problem vid införandet av givaren 2009, sedan dess har den fungerat problemfritt. Att ta bort en
infästningspunkt kräver en djupare undersökning för att undvika att hållaren hanar i en egensvängning.[8]
För att undersöka om det finns risk för egensvängning kontrollerades hållarens
egenfrekvenser med en modalanalys. Det gjordes med hjälp av beräkningsprogrammet Ansys. Den största yttre pådrivande kraft som påverkar hållaren kommer från det hydrauliska
slagverket i bergborrmaskinen. Borrmaskinsmodellerna som används till Simba S7D är från COP 1800-serien. Gemensamt för dessa är slagfrekvensen 50 Hz och det är den frekvens som kommer att anses som kritisk i den här modalanalysen.[9]
Figur 14 är hämtad från beräkningsprogrammet Ansys och visar randvillkoret
”Fixed-Support”. Det betyder att givarhållaren är fastinspänd i de blåmarkerade fälten.[10]
Figur 14- Modalanalys ett, randvillkor
Följande parametrar användes i modalanalysen:
• Frekvensområde 0 – 110 Hz • Material: Rostfritt stål
Analysen visar att hållaren har sex egenfrekvenser i det testade området. Resultatet från Ansys visas i tabellen ovan.
Två av egenfrekvenserna ligger nära borrmaskinens slagfrekvens, 40,8 Hz och 47,3 Hz. Det gör att det finns en risk för självsvängning i röret som ska omsluta givaren.
Självsvängningsmod Frekvens [Hz] 1 16,7 2 18,2 3 40,8 4 47,3 5 91,3 6 99,9
Det som påverkar egenfrekvensen är konstruktionens geometri och massa[8]. Den testade konstruktionen i figur 14 har rördimensionerna 20 mm i ytterdiameter och 16 mm i
innerdiameter. Rörets innerdimeter är tilltagen för att passa givaren med tillhörande o-ringar och den bör inte ändras, se monteringsritning i bilaga B.
Ett tjockare rör har valts för den nya lösningen, se bilaga E. Infästningen av röret har också gjorts om till en konstruktion med ett större tröghetsmoment, se bilaga D.
I modalanalys av den nya givarhållaren används samma parametrar som i tidigare försök, randvillkor visas i figur 15.
Figur 15 – Modalanalys två, Randvillkor
Tabellen ovan visar resultatet från Ansys, fyra självsvängningsmoder i området 0 – 110 Hz. Antalet självsvängningsmoder har reducerats från sex till två i mätningsområdet.
Den egenfrekvens som ligger närmast den yttre påverkande frekvensen, 50 Hz, har storleken 36 Hz. Därmed har risken för självsvängning minskat i den modifierade konstruktionen, intervallerna mellan egenfrekvenserna har ökat runt det kritiska området 50Hz.
Självsvängningsmod Frekvens [Hz]
1 32,6
2 37,3
3 84,6
3.1.9 Vidarutveckling av förslag steg två
Antalet fästpunkter för givarhållaren har nu ändras till två stycken. Det möjliggör att magneten kan behålla samma placering till alla sex borrenheter. Magneten placeras vid den bakre änden av borrmaskinssläden. Sammanställningsritning för det nya magnetfästet finns i bilaga D.
Placering av givaren är nu fastställd, se monteringsritning i bilaga C, men följande punkter är kvar för att genomföra förslaget:
• Modifiering av slanghållare/vajerfäste • Modifiering av konsol för främre stinger
Slanghållaren är en gjuten detalj men den är modifierad för att passa på Simba S7D.
Efterbearbetningen går till som så att den kapas och sedan svetsas distanser som gör att den hamnar 50 mm längre ut än originalutförande. Slanghållaren behöver göras om för att ge plats till givaren, det krävs ett urtag på 5 mm för att givarröret ska gå fritt. Om den bearbetningen utförs på nuvarande konstruktion hamnar urtaget för givarhållaren i HAZ området, det område där materialet har försvagats p.g.a. svetsfogen[8]. HAZ är en förkortning av ’’heat-affected zone’’. HAZ området och där
urtaget för givaren behövs är markerat med en röd rektangel på slanghållaren i figur 16. Utflyttningen av slanghållaren går att lösa med en distans som monteras i
skruvförbandet mot matarbalken istället för den svetsade konstruktionen. Ritning på distansen finns i bilaga K. Med den
lösningen hamnar inte urtaget i en försvagad zon, i det här fallet p.g.a. svetsning.
Hållfasthetsberäkningar blir nu mer tillförlitliga då materialets egenskaper inte har ändrats[8].
Urtaget för givaren ska fräsas med mjuka övergångar för att undvika en
spänningskoncentration i det bearbetade området[8]. På grund av hållarens komplexa geometri kommer hållfasthetsberäkningarna att utföras i beräkningsprogrammet Ansys.
Borrmaskinens returvajer fäster i slanghållaren, beskrivs i kapitel 2.1.1. För att utföra hållfasthetsberäkningar på fästet måste denna dragkraft bestämmas med
hydraulikberäkningar[11]. I borriggens hydraul schema anges trycket för matarcylinderns kolvstångssida till 210 bar. Från det hydrauliska trycket beräknas dragkraften som verkar på slanghållaren till 20 kN, se bilaga A. Figur 17 visar vilka randvillkor som har angetts i Ansys.
Figur 17 – FEM-analys slanghållare, randvillkor
Effektivspänningen bestämdes med von Mises´ hypotes[10] och högsta spänningen
påträffades inte i urtaget för givaren. Den maximala spänningens placering är markerad i figur 18. En förstärkning som kompenserar för det avverkade materialet i urtaget behöver inte införas. Den största spänningen verkar inte inom det bearbetade området utan finns längre in mot detaljens fästpunkt. Ritning för urtaget finns i bilaga J.
Konsollen för främre stinger modifierades för att ge plats till givarhållaren på 4’ – 5’ matarna. Då antalet artiklar ska minimeras kommer den konsollen att införas till alla varianter av matare. Då konsollen flyttas ut 15 mm ökar böjmomentet i fästet, dessutom blir det bakre fästet samlare vilket ger ett lägre tröghetsmoment i konstruktionen. För att kontrollera fästets hållfasthet testades konstruktionen i Ansys. Kraften som verkar på konsollen är 25140 N från stingerns hydraulcylinder, för beräkning se bilaga A. Det bakre fästet byttes till ett samlare VKR-rör av dimensionerna 90x35x3 mm.
Figur 19 visar randvillkor för beräkningen och figur 20 spänningar i konstruktionen. Den beräknade maximala spänningen är 156 MPa. Materialet i konsollen är 0011 2134 04 och har sträckgränsen 350 MPa. Figur 20 visar att den största spänningen påvisades där konsollens rör är sammanfogade.
Figur 19 – FEM-analys ett av främre stinger, randvillkor
En ny simulering gjordes, med samma randvillkor, se figur 21, där det bakre fästet byttes ut mot ett plattjärn av dimensionen 90x20 mm. Största spänningen verkar nu inte på samma ställe och den reducerades till 135 MPa, se figur 22. Godstjockleken är större där och en eventuell lokal plastisering får en lägre inverkan av konsolens hållfasthet. Därför kommer denna modell att användas i vidareutvecklingen av förslaget, se bilaga M för
sammanställningsritning av stingerfästet.
Figur 21 – FEM-analys två av främre stinger, randvillkor
3.2 Verktyg
För att hantera konstruktionsdata på Atlas Copco används dataprogrammen: • Pro Engineer Wildfire 4, CAD-program.
• Intralink 3.4, hantering av CAD-filer. • Teamcenter, ritningsarkiv.
• TPX/DEMO, material- och produktionsstyrning. • Lotus notes, teknisk dokumentation.
Under arbetet behövdes det tillgång till företagets CAD-filer och dessa är lagrade i Intralink 3.4. För att arbeta med filerna och utföra ändringar användes programmet Pro Engineer Wildfire 4 där även nya CAD-modeller skapas. Produktionsritningar är lagrade i PLM-systemet Teamcenter och tillhörande strukturlistor (BOM-listor) finns att hämta i TPX/DEMO. För att göra underlag till produktion används TPX/DEMO där nya artikelnummer hämtas ut och struktureras i en strukturlista.
Materialdatabaser och standarder är lagrade i Lotus notes, teknisk dokumentation för maskinerna hämtas från Atlas Copcos intranät.
För att simulera hur nykonstruerade detaljer reagerar på grund av yttre pådrivande krafter användes beräkningsprogrammet Ansys 14.0. Det är en simulering och där finns en
felmarginal mot spänningar som kan uppkomma i ett verkligt belastningsfall. Simuleringar som gjordes för främre stinger och slanghållare var den maximala spänningen betydligt lägre än materialets sträckgräns. Hållfasthetens resultat på grund av simuleringens felmarginal har en liten inverkan på det verkliga belastningsfallet, dessutom är krafterna är statiska krafter från hydraulikcylindrar. I simulering av givarhållarens förmåga att hamna i självsvängning bestämdes inte den yttre pådrivande kraften från den hydrauliska borrmaskinens slagverk, utan givarhållarens egenfrekvenser kontrollerades med en modalanalys.
4 Resultat
Figur 23 – BMHP 6000 matare med Micropulslägesgivare
Figur 23 visar en CAD-modell av en uppdaterad matarserie till Simba S7D. Från ovan 6’- matare med uppslagare t.o.m. 4’- matare utan uppslagare med samma längdgivare och magnetfäste.
Ändringar för att uppnå resultatet:
• Ny design av bakre plåt till matarens bakstycke, bilaga H och I. • Modifierat fäste för bakre stinger cylinder, bilaga L.
• Modifierad konsol för främre stingercylinder, bilaga M. • Slanghållaren/fäste för returvajer bearbetat, bilaga J. • Nytt fäste för magnet, bilaga F.
5 Diskussion
5.1 Värdering av resultat
Resultatet betyder att borrenheten kan utrustas med en micropulslägesgivare som är tillräckligt noggrann för helautomatisk borrning. Det framtagna konceptet kompletterades med underlag för produktion vilket var målet med projektet.
5.2 Fortsatt arbete
För att verifiera att lösningen har en god funktion är det lämpligt att göra ett fältprov på den uppdaterade borrenheten. Eftersom projektet är en del av hela produktens uppdatering är det först möjligt när den första CAN-buss versionen av borriggen har tillverkats.
6 Slutsatser
Eftersom uppdateringen gör det möjligt att använda samma givarsats och magnethållare till alla varianter av matare minimeras antalet artiklar. Den mättekniska noggrannheten ger ett bra resultat med avseende på att mätningen sker direkt på borrmaskinssläden, givaren blir därmed absolut.
Fästet för givarhållaren är dimensionerat för att klara de hårda förhållanden som råder i en gruva, den ska även tåla vibrationerna från den hydrauliska borrmaskinen. I och med att samma givarmodell används för hela matarserien underlättar det för eftermarknad vid
beställning av givaren som ny reservdel. Att använda samma komponenter för hela serien och enbart variera länden av matarbalken underlättar även i produktionen då moteringssekvenser och inköpsstrukturer kan utformas mer standardiserat.
7 Referenser
[1] Göthberg, Lisa & Meurling, Kate, Atlas Copco 140 years. 1 uppl. Boyero & Lindström great communication HB, 2013 - ISBN-10: 9853815301
Hämtad 2014-05-07
URL: http://viewer.atlascopco.com/Atlas_Copco_Achievment_book_in_Swedish/ [2] Atlas Copco History, Building the company
Hämtad 2014-05-07
URL: http://www.atlascopco.com/history/evolution/buildingthecompany/ [3] Atlas Copco Sverige, Fakta i korthet 2013/2014
Hämtad 2014-05-07
URL: www.atlascopco.se/sesv/atlascopcogroup/acinsummary/factsandfigures/index.aspx [4] Smith, Mike m.fl., Mining Methods, 3 uppl. Örebro: Atlas Copco Rock Drills AB, 2008,
s. 113 – 118
[5] Greenwood, Julian m.fl., Underground Mining, 1 uppl. Örebro: Atlas Copco Rock Drills AB, 2014
[6] Ullman David G, The Mechanical Design Process, 4 uppl. New York: McGraw-Hill,
2009 – ISBN-13: 9780071267960
[7] Balluff Sensors, Micropulslägesgivare första hands valet vid mätning i tuffa miljöer, Hämtad 2014-04-30
URL: http://www.balluff.com/balluff/MSE/sv/products/overview-micropulse-transducers.jsp
[8] Bonde-Wiiburg Eva m.fl., Karlebo Handbok, 15 uppl. Nacka: Liber, 2000 –
ISBN-13: 9789147015580
[9] Atlas Copco Service, COP 1840+/COP 1840 EX Hämtad 2014-05-15
URL: http://www.atlascopco.se/images/9851331801_tcm836-3545778.pdf
[10] Sunnersjö Staffan, FEM i praktiken, 2 uppl. Industrilitteratur/Teknikföretagen, 1999 – ISBN-13: 9789175485416
[11] Haugnes Steinar, Hydraulik 1, 1 uppl. Stockholm: Liber, 1995 – ISBN-13: 9789147006175
Bilaga A
Bilaga A: Beräkningar av krafter på slanghållare och främre konsol
Följande värden används för beräkning av returvajerns dragkraft: § Hydrauliskt tryck: P = 210 [bar]
§ Diameter för hydraulkolv: d1 = 70 [mm]
§ Diameter för kolvstång: d2 = 50 [mm]
§ Reducering av dragkraft p.g.a. vajerspel: F/2 [N]
Beräkning av dragkraft: 𝐹 =0,1∗𝑃∗𝐴
2 =
!,!∗!"#∗!∗(!"!!!"!)
!∗! = 19793 N, avrundas till 20 kN
Beräkning av kraft på främre konsol: § Hydrauliskt tryck: P = 200 [bar]
§ Diameter för hydraulkolv: d = 40 [mm]
𝐹 = 0,1 ∗ 𝑃 ∗ 𝐴 = 0,1 ∗ 200 ∗ !∗!"!
Bilaga B
