EXAMENSARBETE
Utveckling av eldrift för bandklaffar i
Renholmens enstycksmatare
Nils Appelblad
2014
Högskoleingenjörsexamen Maskinteknik
Luleå tekniska universitet
Förord
Detta examensarbete på Renholmen AB i Byske är en avslutning på min treåriga utbildning till högskoleingenjör inom maskinteknik vid Luleå Tekniska Universitet i Skellefteå. Projektet har varit intressant och utvecklande och jag har blivit väl mottagen på Renholmen. Handledningen har fungerat bra och under projektets gång har jag mer och mer insett vilken enorm kunskap och erfarenhet detta företag sitter på.
Jag vill tacka:
• All personal på Renholmen AB.
• Peter Jonsson, Renholmen AB, handledare. • Erik Lundqvist, Renholmen AB, handledare.
• Gunnar Landsell, Luleå Tekniska Universitet, examinator. • Staffan Lundsten, SEW Eurodrive, kontaktperson.
Skellefteå, 2014
____________________________________
Sammanfattning
Rapporten beskriver ett examensarbete utfört på Renholmen AB i Byske som en avslutning på en högskoleingenjörsutbildning med inriktning maskinteknik vid Luleå Tekniska Universitet i Skellefteå. Målet med projektet är att göra om driften av de undre bandklaffarna på en av Renholmens maskiner, enstycksmataren, från den befintliga lösningen med pneumatik till eldrift. Resultatet blev en excenterdrift med en växellåda och motor från SEW Eurodrive som kommer att ersätta den befintliga luftcylindern. Jämsides med detaljkonstruktionen undersöks också hur denna drift ska köras genom att göra tidsanalyser för rörelsen, med andra ord bestämma varvtal, vinkelaccelerationer samt positioner för driften under en driftscykel.
Abstract
This report describes a thesis done at Renholmen AB in Byske as a conclusion to a Bachelor of Education with specialization in Mechanical Engineering at Luleå University of Technology in Skellefteå. The goal of the project is to make the operation of the underlying belt flaps on one of their machines, the single piece feeder, from the existing solution with pneumatics to an electrical drive. The result is a crankshaft with a gearbox and motor from SEW Eurodrive, which will replace the existing air cylinder. Along with the detailed design it is also examined how this operation should be controlled by making time analyses of the drive solution, in other words, determine the speed, angle accelerations and positions for the operation during an operating cycle.
Nomenklatur
Variabel Benämning Enhet
F Kraft N v Hastighet m/s v0 Starthastighet m/s M Vridmoment Nm l Längd m ω Vinkelhastighet rad/s ω0 Startvinkelhastighet rad/s α Vinkelacceleration rad/s2 n Varvtal rpm a Acceleration m/s2 t Tid s G Skjuvmodul N/m2 K Vridtröghetsmoment m4 P Effekt W θ Vinkel rad
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1 1.1 Renholmen AB ... 1 1.2 Bakgrund ... 1 1.2.1 Råsortering ... 1 1.2.2 Justerverk ... 1 1.2.3 Renholmens enstycksmatare ... 1 1.3 Problembeskrivning ... 4 1.3.1 Drift ... 4 1.3.2 Tidsanalys ... 5 1.4 Syfte ... 5 1.5 Mål ... 6 1.6 Avgränsningar ... 6 2 Teori ... 6 3 Metod ... 63.1 Förstudie av befintlig lösning ... 6
3.2 Konceptgenerering ... 7
3.3 Konceptval ”Pugh-‐matris” ... 7
3.4 Tidsanalys ... 7
3.5 Detaljerad konstruktion/design ... 7
4 Förstudie av befintlig lösning ... 8
4.1 Teori ... 8
4.2 Luftcylinderns rörelsemönster ... 10
5 Konceptgenerering ... 11
5.2 Koncept ... 12
5.2.1 Elektrisk cylinder ... 12
5.2.2 Vevaxel ... 14
5.2.3 Motor på axel ... 16
5.3 Utvärdering av koncept ... 17
5.3.1 Elektrisk cylinder ... 17 5.3.2 Vevaxel ... 17 5.3.3 Motor på axel ... 17 6 Konceptval ”Pugh-‐matris” ... 18 7 Tidsanalys ... 20 7.1 Start-‐stopp rörelse ... 21 7.2 Kontinuerlig drift ... 22 8 Detaljerad konstruktion/design ... 22
8.1 Driftens position på axeln ... 22
8.2 Motoreffekt ... 23 8.3 Konstruktion ... 24 8.4 Rörelsemönster ... 29 9 Diskussion/analys/slutsats ... 29 9.1 Fortsatt arbete ... 29
Bilaga 1 Tidsanalys 1 ”START-‐STOPP” (Borttagen pga. sekretess) Bilaga 2 Tidsanalys 2 ”KONTINUERLIG" (Borttagen pga. sekretess) Bilaga 3 Sammanställningsritning ”ELDRIFT” (Borttagen pga. sekretess) Bilaga 4 Ritning ”LÄNKARM” (Borttagen pga. sekretess)
Bilaga 5 Ritning ”VEVAXEL” (Borttagen pga. sekretess) Bilaga 6 Ritning ”MOTORPLÅT” (Borttagen pga. sekretess)
Bilaga 7 Offert Festo (Borttagen pga. sekretess)
Bilaga 8 Offert 1 SEW Eurodrive (Borttagen pga. sekretess) Bilaga 9 Offert 2 SEW Eurodrive (Borttagen pga sekretess)
Bilaga 10 Beräkningsunderlag för excenterdrift SEW Eurodrive (Borttagen pga. sekretess)
1 Inledning
1.1 Renholmen AB
Renholmen AB är ett företag som ligger i Byske, ett par mil norr om Skellefteå och som är en av Europas ledande leverantörer av virkeshanteringsutrustning för sågverks-‐ och
vidareförädlingsindustrin. Företaget grundades 1952 och har idag cirka 35 anställda inom både konstruktion, marknad, inköp och projekt. Renholmen AB startade som en mekanisk verkstad och har under årens lopp både arbetat med lastmaskiner, traktorredskap och sågverksutrustning. Året 1972 nischade företaget om sig och beslutade att enbart satsa på hanteringsutrustning för sågverksindustrin[1].
1.2 Bakgrund
1.2.1 Råsortering
Råsorteringen är en anläggning i ett sågverk där rått centrum-‐ och brädvirke sorteras. Detta är alltså centrum-‐ respektive sidobitarna som sorteras efter det att timret har sågats. Bitarna går på varsin eller på en gemensam linje förbi ett mätinstrument där de beroende av dimension, längd eller kvalitet sorteras i olika fack för att sedan staplas i paket.
1.2.2 Justerverk
Ett justerverk är en anläggning på ett sågverk där torrt virke justeras till exakta längder beroende av kvalitet och dimension. Ett justerverk består av i första hand en sortering som separerar virket från paket ned till enskild planka/bräda. Sedan passerar virket en station där det bedöms utifrån ett antal kriterier ex. kvist, defekter, för att sedan kapas till rätt längd. Virket sorteras i olika fack beroende på dimension och kvalitet för att sedan staplas i paket och packeteras.
1.2.3 Renholmens enstycksmatare
Renholmens enstycksmatare återfinns i både råsorteringar och justerverk på olika sågverk runt om i världen. I alla applikationer där separering av virkesskikt är efterfrågat så passar Renholmens enstycksmatare utmärkt med sin höga kapacitet, robusta konstruktion och beprövade teknik. Renholmens enstycksmatare Turbo är en sorteringsanläggning där virket kommer samlat i ett virkesskikt för att sedan delas upp och läggas på en efterföljande medbringartransportör, se Figur (1).
Figur 1. Visar Renholmens turbomatare.
Virkesskiktet köar mot en stoppklack i framkant av enstycksmataren. De underliggande bandklaffarna lyfter upp en virkesbit som då kläms mellan de övre och undre bandklaffarna för att matas vidare till efterföljande medbringartransportör. Nästkommande virkesbit stoppas av den undre bandklaffen på dess väg ned till ursprungsläget.
De ingående komponenterna i enstycksmataren hittas i Figur (2). Benämningen på delarna kommer att användas genom hela rapporten.
Tabell 1. Ingående komponenter i enstycksmataren.
Nummer Komponent 1. Luftcylinder 2. Cylinderfäste 3. Hävarm 4. Undre bandklaff 5. Övre bandklaff 6. Axel 7. Stoppklack
1.3 Problembeskrivning
1.3.1 Drift
Idag lyfts de undre bandklaffarna i Renholmens enstycksmatare Turbo med hjälp av en pneumatikcylinder, se Figur (3). Det finns en del nackdelar med pneumatik, dels är det svårt att ställa in olika hastigheter, samt att det ofta uppstår läckage i pneumatiska system efter en viss tids användning. Det finns också en viss begränsning i form av vilken tillgänglig kraft som en luftcylinder kan leverera. Därför vill Renholmen och dess kunder se att man kunde lösa detta problem genom att istället använda sig av eldrift för att styra de undre bandklaffarna.
Figur 3. Visar den befintliga driftslösningen med Bosch Rexroth luftcylinder. För benämningar se Tabell (2).
Tabell 2. Ingående komponenter i den befintliga driftslösningen. Nummer Komponent
1. Luftcylinder Bosch Rexroth PRA-‐DA-‐063-‐0100-‐0-‐2-‐2-‐1-‐1-‐1-‐ACC-‐AP6-‐MP6-‐HR Art. nr: 0822123004
Slaglängd = 100 mm
2. Cylinderfäste
För att justera änddämpningen på luftcylindern sitter det två dämpskruvar på cylinderns fram-‐ och bakgavel. Skruvar man på dessa kan man alltså justera änddämpningen på cylindern vid både plus-‐ och minusslag. Detta ställer till problem eftersom både operatörer och mekaniker med lätthet kan justera denna cylinder, vilket inte alltid blir till det bättre. Luftcylindern slits mycket om inte änddämpningen är justerad enligt instruktion. Så om man skulle ersätta luftcylindern med en eldrift plockar man bort momentet med intrimningen av änddämpningen vilket är positivt både för installatörer samt för livslängden på driften. När virket kommer in i enstycksmataren matas det vidare med hjälp av att de undre bandklaffarna lyfter virket över stoppklackarna. För att få ett optimalt rörelsemönster på driften bör klaffen gå med hög acceleration från sitt nedre läge eftersom man eftersträvar att klaffen ska slå isär virkesskiktet före enstycksmataren så att nästkommande bit inte hänger med eller ställer sig på högkant. I dagsläget ser rörelsemönstret inte riktigt ut på detta vis, utan luftcylindern når sin maxhastighet just innan den går i änddämpning. Om man istället kunde nå maxhastighet tidigare under rörelsen skulle man kunna få en mer optimal rörelse på klaffarna.
1.3.2 Tidsanalys
För att kunna styra de undre klaffarna i enstycksmataren med hjälp av eldrift ska också en tidsanalys för rörelsen göras. När man istället för pneumatik använder sig av exempelvis en elmotor måste man bestämma hur länge motorn behöver befinna sig i olika positioner samt accelerationen och hastigheten mellan dessa. På så sätt kan man få eldriften att bete sig på ett visst vis, exempelvis simulera rörelsen av en luftcylinder.
1.4 Syfte
Syftet är att ta fram en bättre, starkare och tillförlitligare styrning av de undre klaffarna i Renholmens enstycksmatare Turbo. I dagsläget styrs de av en luftcylinder som dels är svår att justera samtidigt som den är svår att bibehålla funktionssäkerheten för under en längre period. Både Renholmen och dess kunder söker därför efter en lösning med mindre fel och en konstruktion som är enkel att justera.
1.5 Mål
Målet med projektet är att ta fram en lösning på hur man kan styra de undre klaffarna i Renholmens enstycksmatare Turbo med hjälp av eldrift istället för pneumatik.
1.6 Avgränsningar
• Ingen prototyp kommer att tas fram under projektet.
• Inga omfattande och utredande hållfasthetsberäkningar kommer att göras. • Inga utredande materialval.
• Programmering av eldriften kommer inte att ingå i detta projekt.
2 Teori
Beräkningar som utförs under arbetet är idealfall där man bortser från förluster såsom friktion, läckage etc. Rörelsemängdsmoment samt tröghetsmoment är två andra faktorer som man har bortsett från i dessa beräkningar. Ekvationer i arbetet är hämtade från Karl Björks ”Formler och tabeller för mekanisk konstruktion” [2].
3 Metod
I utvecklingen av den nya konstruktionen för styrningen av de undre bandklaffarna så används en strukturerad produktutvecklingsprocess. Genom att angripa problemet genom en strukturerad produktutvecklingsprocess så hittar man kärnan till problemet och kan på så sätt fokusera på rätt saker i den fortsatta utvecklingen av produkten. Under projektets gång används PTC CREO som CAD (Computer-‐Aided Design) programvara. Detta program används för att konstruera och för att ta fram ritningar på konstruktionen. Renholmen använder sig av detta program i deras arbete och därför känns det naturligt att använda samma program. Det underlättar att använda sig av samma program då man ska öppna äldre modeller och ritningar. Efter projektets slut kan också Renholmen lättare ta del av resultat och ritningar som tagits fram under arbetet.
3.1 Förstudie av befintlig lösning
En omfattande förstudie av den befintliga lösningen ska göras för att skapa en så stor förståelse som möjligt för konstruktionen och dess brister. Beräkningar på luftcylindern ska utföras för att kunna ersätta den befintliga driften med en väl fungerande eldrift. Modeller av den befintliga lösningen kommer att tas del av för att kunna se hur konstruktionen ser ut i dagsläget. Ett par besök på Norra Skogsägarnas sågverk i Kåge och Martinsons såg i Bygdsiljum kommer att göras för att också få se hur denna styrning fungerar ute på sågverken. Alla dessa aspekter kommer att diskuteras tillsammans med konstruktörer och personal på Renholmen när styrningen av de undre bandklaffarna ska utvecklas och konstrueras.
3.2 Konceptgenerering
En kravspecifikation kommer att tas fram tillsammans med handledare och kontaktpersoner på Renholmen där kriterier för styrningen listas. Kraven kan vara baserade på önskemål och krav från operatörer, tillverkningskrav, speciella materialdata etc. Kravspecifikationen delas upp i ett antal delområden. Produktens användningsområden, produktens funktion och kvalitetskrav, produktens utformning är exempel på delområden som finns med i kravspecifikationen. Med utgångspunkt i kravspecifikationen kommer ett antal koncept att utvecklas under projektet. Uppfyller det inte alla krav så kan det inte räknas som ett giltigt koncept.
3.3 Konceptval ”Pugh-‐matris”
För att välja slutgiltigt konstruktionskoncept kommer en Pugh-‐matris att användas. I en sådan matris så bedöms koncepten utifrån ett antal kriterier som har viktats beroende på deras inflytande. Tillsammans med handledare och personal på Renholmen har kriterierna och viktningen av dessa diskuteras med utgångspunkt i kravspecifikationen samt med erfarenheter från tidigare projekt och nykonstruktioner. Med hjälp av denna matris kommer det koncept som bäst uppfyller de satta kraven att bli det vinnande och slutgiltiga konstruktionskonceptet.
3.4 Tidsanalys
För att ta fram en tidsanalys för den nya driften kommer Microsoft Excel att användas för att skapa tabeller över den nya rörelsen. Där kommer diverse indata såsom virkesdimension, bandhastighet, medbringardelning etc. att listas för att kunna beräkna eventuella stilleståndstider i olika positioner samt hastigheter och accelerationer för motorn. Detta underlag kommer sedan att användas för att ta fram ett slutgiltigt motorval samt att efter detta projekt är över även vara ett underlag för att programmera eldriften.
3.5 Detaljerad konstruktion/design
Det slutgiltiga konceptet kommer att fortsätta att utvecklas bland annat med hjälp av tips från projektledare, konstruktörer och driftsättare på Renholmen för att kunna ta fram en robust drift med bra funktion. Konceptet ska tas till det stadium att ett komplett tillverkningsunderlag ska finnas. Det innebär fullständiga tillverknings-‐, montageritningar samt fullständigt komponentval. Ritningarna granskas av konstruktionschef på Renholmen för att godkännas för tillverkning.
4 Förstudie av befintlig lösning
Virket som passerar genom enstycksmataren är av olika dimension och vikt. Därför är det svårt att utföra beräkningar där man utgår ifrån virkets kraft på klaffen eftersom kraften kommer att variera. I denna studie har därför den tidigare tillgängliga kraften från luftcylindern varit dimensionerande.
4.1 Teori
För att beräkna maximala vridmomentet M som luftcylindern utför på axeln vid ett perfekt vinkelrätt slag används följande ekvation
𝑀!"# = 𝐹 ∙ 𝑙!, (1) där l är längden på hävarmen mellan luftcylindern och axeln och F är kraften som
luftcylindern utför vid ett perfekt vinkelrätt slag.
Tabell 3. Luftcylinderns med tillhörande hävarm storheter.
Benämning Symbol Storlek Enhet
Kraft vid plusslag (positiv Y-‐riktning)
F+ 1960 [3] N
Kraft vid minusslag (negativ Y-‐riktning)
F-‐ 1765 [3] N
Längd hävarm lh 0,180 m
Maxhastighet vid plusslag v+ 1,6 m/s
Maxhastighet vid minusslag v-‐ 1,4 m/s
Med insatta värden från Tabell (3) i ekvation (1) fås att det maximala vridmomentet som luftcylindern utför på axeln vid plusslag samt minusslag är:
𝑀!"# ! = 352,8 𝑁𝑚
𝑀!"#! = 317,7 𝑁𝑚.
För att beräkna vinkelhastigheten ω samt varvtalet n på axeln används följande två ekvationer,
𝜔 =!!
𝑛 =!"!!!. (3)
L är också i detta fall längden på hävarmen och v är hastigheten på kolvstången. För att
beräkna vinkelhastigheten ω på axeln sätts värden in från Tabell (3) i ekvation (2). Detta ger att:
𝜔! = 8,89 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝜔! = 7,78 𝑟𝑎𝑑/𝑠.
Insatta värden på vinkelhastigheten ω i ekvation (3) ger att varvtalet n på axeln blir: 𝑛! = 84,9 𝑟𝑝𝑚
𝑛! = 74,3 𝑟𝑝𝑚.
4.2 Luftcylinderns rörelsemönster
Vid antagande att luftcylinderns acceleration a är konstant och att änddämpningen inte medför någon studs, ser luftcylinderns hastighet över tidsspannet av en cykel ut enligt Figur (4). Enligt Tabell (3) varierar hastigheten på cylindern beroende på plus-‐ eller minusslag, vilket visas i figuren. Mätvärdena i Figur (4) är baserat på mätningar som Renholmen har utfört på befintliga anläggningar.
Figur 4. Visar Bosch Rexroth cylinderns rörelsemönster med hastighet och tid, för en plus-‐ och minusrörelse.
Detsamma gäller för luftcylinderns slaglängd i förhållande till tid. Vid antagandet att accelerationen a är konstant och att änddämpningen inte medför någon studs så visas luftcylinderns slaglängd kontra tid för en cykel i Figur (5).
Figur 5. Visar Bosch Rexroth cylinderns rörelsemönster med slaglängd och tid, för en plus-‐ och minusrörelse.
0 0,5 1 1,5 2 0 50 100 150 200 250 300 Ha sm gh et (m/ s) Tid (ms)
Bosch Rexroth PRA
Virkesdimension 19x75
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0 50 100 150 200 250 300 Sl ag lä ng d (m) Tid (ms)Bosch Rexroth PRA
Virkesdimension 19x75
Rörelsemönstret varierar för olika virkesdimensioner eftersom stilleståndstider skiljer sig mellan olika bredd på virket. Om man kör exempelvis 19x250 behöver luftcylinder stå still i sitt övre läge längre gentemot om man kör 19x75 eftersom det kommer att ta längre tid för biten att passera över stoppklacken.
5 Konceptgenerering
Information hämtas från ”Förstudie av befintlig lösning” för att utveckla de nya koncepten. I förstudien identifieras många parametrar som också de nya koncepten bör eller måste uppfylla samt problem som den befintliga lösningen har. Alla dessa aspekter tas med i beräkningarna när de tre nya koncepten utvecklas. Kravspecifikationen är också en viktig utgångspunkt när konceptgenereringen äger rum eftersom om konceptet inte uppfyller kraven kan det inte räknas som ett giltigt koncept.
5.1 Kravspecifikation
Följande krav har tagits fram tillsammans med personal på Renholmen för utvecklingen av driften av de undre bandklaffarna:
-‐ Eldrift istället för pneumatik.
-‐ Större tillgänglig kraft än vad som levererades med luftcylinder, d.v.s. 𝐹!"≥ 1960 N, som med den befintliga hävarmen ger att Mel≥ 352,8 Nm, enligt ”4 Förstudie av
befintlig lösning.
-‐ Hastigheten ska gå att justera mellan 1,6 – 2,2 m/s, d.v.s. ω= 8,89 – 12,2 rad/s, med den befintliga hävarmen.
-‐ Bör klara av flödet 220 bitar/min efter enstycksmataren.
-‐ Eventuell elmotor och andra komponenter bör vara av standardtyp. -‐ Metriska skruvförband.
-‐ Driften bör vara enkel att underhålla och utföra service på. -‐ Lämplig ytbeläggning för att motstå slitage och korrosion. -‐ Ska klara av den tuffa miljön som finns inom sågverksindustrin. -‐ Bör hålla en relativt låg tillverkningskostnad.
5.2 Koncept
Beräkningarna under ”5.2 Koncept” är utförda utan att ta hänsyn till exempelvis inbromsning, acceleration och förluster. Vid beräkningar av motormoment samt varvtal betraktas systemet ha konstant hastighet under hela rörelsen till stopp. I verkligheten ser det annorlunda ut, för mer utförliga beräkningar hänvisas till ”7 Tidsanalys”.
5.2.1 Elektrisk cylinder
Detta är en lösning där luftcylindern ersätts med en elektrisk cylinder, se Figur (6). En elektrisk cylinder är en komponent som överför en roterande rörelse från en servomotor till en linjär rörelse via en kulskruv inuti cylindern. Rörelsemönstret blir samma som för den tidigare driften med luftcylindern.
Figur 6. En lösning med elektrisk cylinder.
Med denna lösning kan man utan större ombyggnationer applicera en eldrift på enstycksmataren. Det befintliga cylinderfästet får förlängas för att rymma den elektriska cylindern och den befintliga hävarmen kan antingen förlängas eller kortas av.
Problemet med många av dessa elektriska cylindrar är den låga maxhastigheten och för just denna applikation är maxhastigheten mycket viktig för att få en bra funktion på enstycksmataren. Festo är ett företag som är stora inom just linjärmekanik och detta företag har en elektrisk cylinder som passar mycket bra i just denna konstruktion, se Tabell (4).
Tabell 4. Visar specifikationer för Festo ESBF 63 elektrisk cylinder, se även Bilaga 7.
Benämning Diameter (mm) Slaglängd (mm) Pitch (Stigning) Vmax (m/s) Fmax (N)
Festo ESBF 63 100 25P 1,35 6000
För att applicera denna elektriska cylinder i den befintliga enstycksmataren och uppfylla kravspecifikationen måste hävarmen mellan cylinder och axel kortas för att få krävd vinkelhastighet ω på axeln. Med insatta värden från Tabell (4) och maxvinkelhastigheten ω från ”5.1 Kravspecifikation” i ekvation (2) ges att hävarmens längd l blir:
𝑙! = 1,35 𝑚/𝑠
12,2 𝑟𝑎𝑑/𝑠 = 110 𝑚𝑚
Momentet som den elektriska cylindern utför på axeln vid ett perfekt slag ges av ekvation (1) med insatta värden från Tabell (4) och längden l på hävarmen:
𝑀 = 6000 𝑁 ∙ 0,110 𝑚 = 660 𝑁𝑚
För uppskattat pris på konstruktion baserat bl.a. på offert från tillverkare, se Bilaga 7.
5.2.2 Vevaxel
I följande koncept så ersätts luftcylinder och cylinderfäste med en elmotor med tillhörande växel, som genom en vevaxel överför den roterande rörelsen på den utgående axeln till en linjär rörelse, se Figur (7).
Växellådan sitter monterad på en motorplåt som motverkar att driften vrider sig vid momentpåslag. Denna lösning kräver lite större ombyggnationer men kan fortfarande betraktas som enkel.
Figur 7. En lösning med motor, växellåda, vevaxel och en länkarm.
Den befintliga cylindern och cylinderfästet får avlägsnas, men hävarmen som sitter monterad på axeln kan användas utan några som helst modifieringar.
Momentet som denna drift måste leverera ska vara större än eller lika med kraften som luftcylindern levererade, se ”5.1 Kravspecifikation”. Förskjutningen mellan axeltappen på växeln och vevaxelns tapp har satts till 50 mm för att på så vis ersätta slaglängden på luftcylindern som är 100 mm, se Tabell (2). Eftersom vevaxeln roterar 360 ̊ger det att slaglängden för hela rörelsen blir 100 mm. Med insatta värden från Tabell (3) och längden l på hävarmen i ekvation (1) ger detta att det utgående momentet är:
𝑀 ≥ 1960 𝑁
0,05 𝑚 = 98 𝑁𝑚 .
För att beräkna utgående varvtal på växellådan för att uppfylla kraven sätts längden l på hävarmen in samt maxhastigheten v från ”5.1 Kravspecifikation” in i ekvation (2) och (3). Utgående varvtal n blir:
𝑛 ≥ 60 ∙ 2,2 𝑚/𝑠
0,05 𝑚 ∙ 2𝜋 = 420 𝑟𝑝𝑚.
Med utgångspunkt i ovanstående beräkningar och med handledning från SEW Eurodrive kan följande två driftslösningar tas fram som båda uppfyller kravspecifikationen, se Tabell (5).
Tabell 5. Visar två driftslösningar med motor och växellåda från SEW EURODRIVE, se även Bilaga 8. Benämning Utgående varvtal (rpm) Max vridmoment (Nm) Motortyp
RF57/R CMP71M 468 425 Synkron servomotor
R57/R CMP71M 468 425 Synkron servomotor
För uppskattat pris på konstruktion baserat bl.a. på offert från tillverkare, se Bilaga 8.
5.2.3 Motor på axel
Det tredje och sista konceptet är en konstruktionslösning där man väljer att plocka bort luftcylinder, cylinderfäste samt hävarm och ersätta hela denna rörelse med en motor och växellåda, se Figur (8).
Figur 8. En lösning med motor och växellåda monterad direkt på axel.
Växellåda och motor monteras direkt på axeln med ett krympförband och man monterar också en momentarm med tillhörande gummibussningar för att motverka otillåten vridning av växeln. Denna drift får ett lite annorlunda rörelsemönster då den måste gå från en position till en annan för att sedan vända och gå tillbaka tills ursprungspositionen. Med detta rörelsemönster på motorn får man en axel som vrider sig en viss vinkel och sedan går tillbaka samma vinkel.
Momentet som denna drift måste leverera för att uppfylla kravspecifikation är större än eller lika med momentet som luftcylindern utförde, se ”5.1 Kravspecifikation”:
𝑀!"# ≥ 352,8 𝑁𝑚
Samma gäller för maxvarvtalet på utgående axel enligt ekvation (3), se maxvinkelhastighet ω i ”5.1 Kravspecifikation”. Max utgående varvtal på växeln blir då:
𝑛!"# ≥
60 ∙ 12,2 𝑟𝑎𝑑/𝑠
2𝜋 = 116,5 𝑟𝑝𝑚
Med utgångspunkt i dessa beräkningar och med handledning från SEW Eurodrive kan följande två driftlösningar tas fram som uppfyller kraven, se Tabell (6).
Tabell 6. Visar två driftslösningar med motor och växellåda från SEW EURODRIVE, se även Bilaga 8.
Benämning Utgående varvtal (rpm) Max vridmoment (Nm) Motortyp
K57/R CMP71M 125 665 Synkron servomotor
F57/R/G CMP71M 120 645 Synkron servomotor
För uppskattat pris på konstruktion baserat bl.a. på offert från tillverkare, se Bilaga 8.
5.3 Utvärdering av koncept
Tillsammans med projektgruppen på Renholmen utvärderas de olika koncepten med utgångspunkt i kravspecifikationen samt med erfarenhet från tidigare konstruktioner.
5.3.1 Elektrisk cylinder
En enkel lösning med få komponenter vilket är positivt. Uppfyller kravspecifikation om man förlänger cylinderfästet samt kortar av hävarmen. Klarar av att leverera hög kraft, men klarar inte av så många cykler. Osäkerheten i detta koncept ligger i om den elektriska cylindern tål påfrestningen och antalet cykler per min. Elektriska cylindrar av denna typ är också känsliga för damm, med andra ord är det inte optimal miljö på ett sågverk.
5.3.2 Vevaxel
Denna konstruktion är en robust drift där många av problemen med luftcylindern har eliminerats. Driften kräver nya fästen, så en viss ombyggnation krävs, men den är fortfarande fullt applicerbar på enstycksmataren. Hastigheten kommer vara enkel att justera, och man slipper justeringar av exempelvis änddämpning. Även den tillgängliga kraften från driften kommer att vara hög och rörelsen som vevaxeln utför är också mycket lämplig just för denna applikation.
5.3.3 Motor på axel
Om man väljer att dela axeln och montera motor och växellåda direkt på axeln så får man en väldigt enkel drift med få ingående komponenter. Eftersom driften sitter monterad direkt på axeln försvinner också problem med länkhuvuden som blir glappa efter en viss tids användning. Problemet som finns med detta alternativ är hållfastheten på växellådan eftersom motorn kommer att gå i två riktningar. Vid byte av riktning blir det stora påfrestningar på speciellt växellådan. Med 220 byten av riktning per minut är det svårt att förutsäga hur växellådan kommer att hålla.
6 Konceptval ”Pugh-‐matris”
För att bestämma vilket av koncepten som ska fortsätta utvecklas används en konceptvalsprocess. De tre koncepten jämförs i en Pugh-‐matris där de bedöms utifrån speciella kriterier som Renholmen använder sig av vid nykonstruktion. Den befintliga driftslösningen används som referens för att på så sätt kunna jämföra koncepten mot varandra, se Tabell (8). Det koncept som efter betygsättning i Tabell (8) har högst antal poäng blir det koncept som fortsätter att utvecklas.
Tabell 7. Betygens betydelse i Pugh-‐matrisen.
Betyg Betydelse 1 Mycket sämre 2 Sämre 3 Lika bra 4 Bättre 5 Mycket bättre
Här nedan följer en förklaring av de olika bedömningskriterierna i konceptvalsmatrisen: Funktionssäkerhet: förmågan hos en enhet att utföra krävd funktion under givna
förhållanden under ett givet tidsintervall [5].
Underhållsmässighet: förmågan hos en enhet att återställas i ett sådant skick att den kan
utföra krävd funktion [5].
Hållfasthet: motståndskraft mot deformation.
Kostnad: pris, kostnad av komponenter, tillverkningskostnad.
Tabell 8. Pugh-‐matris för urval av koncept.
Referens: ”Luftcylinder” (Dagens konstruktion) Elektrisk cylinder
Vevaxel Motor på axel
Bedömningskriterium Vikt Betyg Poäng Betyg Poäng Betyg Poäng Betyg Poäng
Funktionssäkerhet 40 % 3 1,2 4 1,6 4 1,6 4 1,6 Underhållsmässighet 20 % 3 0,6 3 0,6 2 0,4 2 0,4 Hållfasthet 20 % 3 0,6 2 0,4 5 1 2 0,4 Kostnad 20 % 3 0,6 1 0,2 1 0,2 1 0,2 Totalt 3 2,8 3,2 2,6 Ranking 2 3 1 4
Efter betygsättning i Tabell (8) visar det sig att konceptet ”Vevaxel” är det koncept som kommer fortsätta att utvecklas vidare.
7 Tidsanalys
För att bestämma hur driften ska uppföra sig görs tidsanalyser där diverse indata såsom: • Virkesdimension
• Medbringardelning (delning på efterföljande kedja) • Bandklaffens lyfthöjd
• Medbringarhastighet (hastighet på efterföljande kedja) • Bandklaffens utväxling
• Cykeltid (tiden för en plus-‐ och minusrörelse)
listas för att genom Microsoft Excel kunna beräkna diverse parametrar. Det man bestämmer med tidsanalysen är huvudsakligen hur länge motorn behöver lyfta klaffen, hur länge den behöver vara uppe för att virkesbiten ska komma över stoppklacken, samt hur lång tid det ska ta för klaffen att gå tillbaka till sitt ursprungsläge, se Figur (9) för förklaring av de olika positionerna.
Figur 9. Visar klaffens positioner för en hel cykel.
7.1 Start-‐stopp rörelse
För att underlätta styrningsmässigt antogs först att driften skulle köras start-‐stopp, d.v.s. att motorn roterar 180⁰ för att sedan stanna, sedan fortsätta rotera de sista 180⁰ tills motorn har roterat ett varv. Då har en cykel genomförts och klaffen stannar i sitt övre och sitt nedre läge och man simulerar egentligen den tidigare lösningen med luftcylindern, fast med en elmotor.
Det man också undersöker med hjälp av tidsanalysen är motorns varvtal n och klaffens acceleration a mellan de olika positionerna. Vid beräkning av hastigheten v och accelerationen a antas att halva sträckan är till för acceleration och halva sträckan för inbromsning, samt att virkesbiten träffar bandet utan glidning. Motorns varvtal och klaffens acceleration är konstant för plus-‐ och minusrörelse, oberoende av dimension. Med andra ord kommer tiden för plus-‐ och minusrörelse alltid vara lika, se Bilaga 1. Beräkningarna som utförs i tidsanalysen har sin grund i enkla matematiska samband såsom ekvation (2) och (3) samt att hastigheten v:
𝑣 =!! (4)
och att accelerationen a:
𝑎 = !(!!!!!)
!! . (5)
För fullständig tidsanalys med start och stopp se Bilaga 1.
Detta rörelsemönster med en motor som roterar 180⁰ för att sedan stanna och starta igen medför att motorn måste accelerera hårt, enligt ekvation (5). Detta medför stora reaktionskrafter på växellådan enligt Newtons andra lag. Därför är hållfastheten på växellådan med detta körsätt osäker.
7.2 Kontinuerlig drift
(Detta kapitel är borttaget i denna version pga. sekretess)
8 Detaljerad konstruktion/design
Här följer den detaljerade konstruktionen av koncept ”Vevaxel” som genom konceptvalsmatrisen blev det slutgiltiga konstruktionskonceptet.
8.1 Driftens position på axeln
I den befintliga lösningen är driften positionerad på mitten av axeln. Eftersom axeln är utsatt för ett vridmoment kommer man få en viss deformation av axeln, även kallad vridning. Vridning av axeln kommer att medföra att klaffarna lyfter olika högt beroende på deras position längs med axeln. Denna skillnad i lyfthöjd får inte vara för stor för att få en bra funktion på enstycksmataren. Positionen av den nya driften undersöks genom att använda uttrycket för vridning ϕ:
𝜃 =!∙!!∙! (9)
där G är skjuvmodulen för stål och K är vridtröghetsmomentet för tvärsnittet av en rak solid stång:
𝐾 =!∙!!"! (10)
Tabell 9. Data för att beräkna vridning av axel.
Benämning Symbol Storlek Enhet
Längd på axel la 5,435 m
Skjuvmodul för stål G 80E9 N/m2
Diameter på axel da 0,04 m
Längd på kort hävarm mellan axel och bandklaff l 0,06 m
Om man väljer att placera driften i änden av axeln angriper vridmomentet i mitten av axeln eftersom lasten är linjär över alla bandklaffar. Längden l sätts då till halva längden på axeln. Med insatta värden på vridmoment från ”5.1 Kravspecifikation” samt från Tabell (9) i ekvation (9) och (10) fås att vridningen på axeln i grader blir:
𝜑 = 2,7°
Med denna vridning av axeln insatt i följande ekvation, får man hur mycket klaffarna kommer att förskjutas i förhållande till vridning av axeln:
𝐹ö𝑟𝑠𝑘𝑗𝑢𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔(𝐶𝑖𝑟𝑘𝑒𝑙𝑏å𝑔𝑒𝑛𝑠 𝑙ä𝑛𝑔𝑑) = 𝜑 ∙ 𝑙! (11) Isatta värden på vridningen samt längden på hävarmen mellan axeln och bandklaffen från Tabell (9) i ekvation (11) ger att:
𝐹ö𝑟𝑠𝑘𝑗𝑢𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔 = 2,8 𝑚𝑚.
Om man väljer att placera driften i änden på axeln kommer alltså den klaff som förskjuts mest ligga 2,8 mm under den som förskjuts minst.
Om man istället väljer att placera driften i mitten av axeln som i den befintliga lösningen kommer vridmomentet att angripa på ¼ eftersom lasten är linjär över alla bandklaffar. Längden l sätts därför till ¼ av längden på axeln. Med insatta värden från Tabell (9) i ekvation (9),(10) och (11) ger detta att:
𝐹ö𝑟𝑠𝑘𝑗𝑢𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔 = 1,4 𝑚𝑚
Om man väljer att placera driften i mitten av axeln kommer alltså den klaff som förskjuts mest ligga 1,4 mm under den som förskjuts minst.
2,8 mm förskjutning i värsta fallet är för mycket och skulle ge en försämrad funktion på enstycksmataren. Därför väljs att driften monteras på samma position som tidigare, alltså mitt på axeln. Detta ger den minsta förskjutningen av klaffarna och således den bästa funktionen av enstycksmatningen.
8.2 Motoreffekt
För att grovt uppskatta motoreffekten som krävs för driften används sambandet att effekten
P bestäms av:
𝑃 = 𝐹 ∙ 𝑣 (12) där F är maxkraften hämtad från ”5.1 Kravspecifikation” samt maxhastigheten v från samma kapitel. Insatta värden i ekvation (12) ger att den uppskattade effekten på motorn är:
𝑃 ≥ 4,312 𝑘𝑊
8.3 Konstruktion
Med utgångspunkt i konceptgenereringen och i tidsanalysen tas den slutgiltiga konstruktionen på eldriften fram. Efter kontakt med SEW Eurodrive skickas ett underlag till deras beräkningsavdelning i Tyskland där excenterdrifter av detta slag undersöks närmare. Mått på alla rörliga komponenter tillsammans med varje enskild komponents vikt och masscentrum skickas tillsammans med tidsanalyserna i ”7 Tidsanalys” vidare till Tyskland för att slutgiltigt bestämma valet av växellåda och motor. Där undersöks hållfastheten på växellådan, samt storlek på motor och växellåda för att uppfylla kraven om vridmoment, varvtal och vinkelaccelerationer med körsätten från ”7 Tidsanalys”.
Under projektet framgår det att den första körcykeln med ”start och stopp” innebär precis som det befarades att växellådan kommer att måsta dimensioneras upp rejält för att klara de stora tvärkrafter som uppstår vid de höga accelerationerna. Växellådan samt motor med detta körsätt är av sådan storlek att de inte kan byggas in i den befintliga enstycksmataren. Därför undersöks det alternativa körsättet i ”7.2 Kontinuerlig drift” närmare och detta körsätt är det som driften kommer att köras på.
Efter slutgiltig beräkning av SEW Eurodrive i Tyskland ser den valda driftslösningen ut enligt Tabell (10). För mer utförliga data kring beräkningen se Bilaga 10.
Tabell 10. Visar data för den valda växellådan och motorn, se även Bilaga 9.
Benämning Utgående varvtal (rpm) Max vridmoment (Nm) Motortyp
RF77/R CMP71L 442 840 Synkron servomotor
Denna växellåda är av typen med flänsmontering, ett fast monteringsförband som förhindrar växellådan från att vrida sig. Denna montering är optimal i detta fall när man har en länkarm som man kan justera längden på, och man har stora tvärkrafter och moment som verkar på växellådan. Därför väljs en flänsmonterad växellåda i denna applikation istället för en fotmonterad som är betydligt vanligare i många sammanhang.
Med hänsyn till växellåda och motor tas den övriga konstruktionen fram med utgångspunkt i konceptet ”Vevaxel”. För slutgiltig konstruktion se Figur (11).
Figur 10. Visar övergripande bild av den slutgiltiga konstruktionen.
Eftersom storleken på i huvudsak växellådan är större än vid konceptvalet görs motorplåten om för att passa den nya växellådan, se Figur (12). Tjockleken på motorplåten sätts till 15 mm för att klara av de höga tvärkrafterna och vridmomentet som uppstår vid drift. SEW RF77 levereras med 250 mm fläns med 215 mm hålbild för M12 skruvförband, så motorplåten designas enligt dessa kriterier. Motorplåten förlängs i Y-‐riktning så att den går över hörnen på stativbalken, allt för att motverka sprickbildning och deformation av motorplåt och balk. Motorplåten helsvetsas med kälfog mot stativbalken. Se Bilaga 6 för ritning på motorplåten.
Figur 11. Visar bild av motorplåten.
Länkarmen mellan den befintliga hävarmen och vevaxeln konstrueras för att kunna justeras i längdriktning vid behov. Ett spännlager som är infäst mot vevaxeln tar upp de axiella krafterna som uppstår vid acceleration och retardation och länkhuvudet som är monterat mot den befintliga hävarmen gör så att länkarmen kan röra sig utan hinder, se Figur (13). Se Bilaga 4 för ritning på länkarmen.
Vevaxeln enligt Figur (14) är dimensionerad för att klara av den kontinuerliga driften och överföra vridmomentet från den 40 mm utgående axeln på växellådan. Vevaxeln är uppdelad i två delar som monteras med genomgående skruvförband för att klämma kring motoraxeln vilket gör att risken för skadade gängor i vevaxeln elimineras och funktionssäkerheten höjs.
Figur 13. Visar bild av vevaxeln.
En slipad axel med fin tolerans bidrar till en jämn yta för spännlagret att monteras på. Det yttre skruvförbandet på den slipade axeln håller spännlagret och länkarmen på plats och motverkar otillåten rörelse i axial riktning, se Figur (11). Den slipade axeln har två olika diametrar vilket gör att spännlagret går fritt från den utgående axeln då driften är igång, se Figur (15). Se Bilaga 5 för ritning på vevaxeln.
Figur 14. Visar hur de rörliga delarna i driften går fria vid rotation.
Den slutgiltiga driftslösningen monteras enligt instruktioner på sammanställnings-‐ /montageritning, se Bilaga 3.
För uppskattat pris på konstruktion baserat bl.a. på offert från tillverkare, se Bilaga 9.
8.4 Rörelsemönster
(Detta kapitel är borttaget i denna version pga. sekretess)
9 Diskussion/analys/slutsats
Grundtanken med detta projekt var att skapa ett påbyggnadskit för Renholmens enstycksmatare Turbo där man byter ut den befintliga styrningen av de undre bandklaffarna från luft till el. Detta mål har definitivt uppnåtts under detta projekt där resultatet blev en enkel eldrift som uppfyller kravspecifikationen med få ingående komponenter som utan större modifikationer kan monteras på Renholmens enstycksmatare. Eftersom denna nya konstruktion använder sig av den befintliga hävarmen är detta ”elkit” enkelt att applicera. Den nya motorplåten får helsvetsas på stativbalken och sedan får övriga komponenter installeras.
Den nya driftscykeln där motorn roterar kontinuerligt under hela slaget har också en fördelaktig rörelse där man har eliminerat det tidigare problemet med låg hastighet i början av slaget. Med eldriften håller motorn en hög och konstant hastighet då klaffen träffar virkesbiten och man bör minska risken att nästkommande virkesbit hänger med eller ställer sig på högkant.
Under arbetets gång blev det mer och mer tydligt hur lömska dessa excenterdrifter kan vara. Det är mycket krafter som angriper på punkter man inte hade med i beräkningarna, vilket bidrar till att växlar och motorer måste dimensioneras upp rejält för att klara dessa krav. Just i detta fall fick växeln dimensioneras upp två storlekar från valet som gjordes i konceptgenereringen, vilket jag inte alls hade räknat med.
9.1 Fortsatt arbete
För att kunna släppa detta påbyggnadskit för försäljning bör funktionen på driften undersökas närmare. Det kompletta tillverkningsunderlaget får skickas till lämplig mekanisk verkstad där de olika komponenterna får tas fram och SEW får kontaktas för att beställa växellåda + motor samt utrustning för styrningen av driften. Driften kan sedan monteras bredvid den befintliga driften med luftcylindern så att ifall det visar sig att något behöver modifieras i eldriften, kan man enkelt byta tillbaka till luftcylindern. Därför bör inte det gamla cylinderfästet kapas bort utan istället montera den nya eldriften just bredvid cylinderfästet. Eftersom den befintliga hävarmen som sitter på enstycksmataren också används i eldriften kan man fräsa ett till kilspår längre bort på axeln och där montera eldriften.
Prototypen får därefter provköras i en befintlig enstycksmatare, gärna på ett lokalt sågverk där det körs med hög hastighet så att man verkligen får se hur driften börjar bete sig efter en
