Förbättring av fröplacering på såmaskin

Improvement of seed placement on seed drill

Förbättring av

fröplacering på

såmaskin

F-

F

HUVUDOMRÅDE: Maskinteknik – Produktutveckling och Design FÖRFATTARE: Anton Järnhester, Max Hahne

HANDLEDARE:Magnus Andersson

Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom maskinteknik. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat. Examinator: Ilja Belov

Handledare: Magnus Andersson Omfattning: 15 hp per student Datum: 2020-06-01

Abstract

Väderstad AB develops and sells agricultural machines in large parts of the world. Their segment includes many different types of machines, several of them being seed drills. The machine that this project focuses on is a seed drill that can plant numerous kinds of seeds, wheat and colza being among them. This machine is named Spirit. The seed drill Spirit uses air currents to transport seeds from a container to the ground via a hose system. The velocity of the air must be high enough to eliminate the risk of seed getting trapped in the hose system. However, the high air velocity introduces the risk of seed bouncing out or being blown out of the furrow they are supposed to grow in. Therefore, this project’s purpose has been to solve this problem and thus improve the seed placement the seed drill possesses.

This paper consists of the theories and methods used to find a solution to this problem. A product development-process laid the foundation to this project in order to plan the project and generate solutions in a systematic way. After a problem analysis and analyzing competitors it became clear that a geometry in the end of the hose system could be used to separate air and seeds to reduce the seeds velocity and improve the seed placement. Several concepts have been modeled in CAD programs (Computer Aided Design) to later be analyzed in CFD programs (Computational Fluid Design), where air flows can be studied. Concepts has also been manufactured with 3D-printers in order to be evaluated with air currents and different kinds of seeds.

The usage of a product development process resulted in a final concept that uses the Coandă effect and the momentum of the seed in order to separate air and seed in an efficient way. Results from tests shows that the velocity of the seed are being reduced and that the air is being evacuated before the seed reaches the ground.

Keywords – Seed drill diffuser, Coandă effect, Agricultural products, Product

Sammanfattning

Väderstad AB utvecklar och säljer jordbruksmaskiner till stora delar av världen. Sortimentet som företaget säljer består av många typer av maskiner, varav flera är såmaskiner. Den maskin som detta arbete berör är en såmaskin som planterar flera typer av utsäde, bland annat vete och raps. Denna såmaskin är benämnd Spirit. Såmaskinen Spirit använder luftströmmar för att transportera utsäde från en behållare till jorden via ett slangsystem. Lufthastigheten i slangarna måste vara såpass hög att utsädet inte riskerar att fastna i slangsystemet. Den höga lufthastigheten bidrar dock till att utsädet riskerar att studsa ur eller bli bortblåst ur den såfåra som fröet skall komma att gro i. Därför har projektets syfte varit att lösa denna problematik och därmed förbättra fröplaceringen såmaskinen har.

Denna rapport består av de teorier och metoder som använts för att finna en lösning till problemet. En produktutvecklingsprocess har lagt grunden till arbetet för att på ett systematiskt sätt planera arbetet och generera lösningar. Efter problemanalys och konkurrentanalys blev det tydligt att en geometri i slutet av slangsystemet kan användas för att separera luft och utsäde. Flera koncept har modulerats i CAD-program (Computer Aided Design) för att simulera luftflöden i koncepten med hjälp av CFD-program (Computational Fluid Dynamics). Koncept har även tillverkats med 3D-skrivare för att sedan utvärderas med luftströmmar och olika typer av utsäde. Användandet av en produktutvecklingsprocess resulterade i ett slutligt koncept som utnyttjar Coandăeffekten och utsädets rörelseenergi för att på ett effektivt sätt separera luft och utsäde. Resultat från provningar visar att hastigheten på utsädet sänks och att luft evakueras innan utsädet når jorden.

Nyckelord – Såmaskins separator, Coandăeffekten, Jordbruksmaskiner,

Förord

Vi vill börja med att tacka företaget Väderstad AB för möjligheten att utföra detta examensarbete i samverkan med dem. Vi vill tacka gruppchef Patrik Sjögren Fritz, handledare John Johansson samt övrig personal på företaget för all vägledning och hjälp längs med arbetet.

Vi vill även tacka arbetets handledare på Jönköpings Tekniska Högskola, Magnus Andersson samt arbetets examinator Ilja Belov. Till sist vill vi tacka våra opponenter Alexandra Bachtay och Linnea Hellström.

Anton Järnhester Max Hahne

Innehållsförteckning

1

Introduktion ... 1

1.1 BAKGRUND ... 1

1.2 PROBLEMBESKRIVNING ... 2

1.3 SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ... 3

1.3.1 Syfte ... 3

1.3.2 Frågeställningar ... 3

1.4 AVGRÄNSNINGAR... 4

1.5 DISPOSITION ... 4

2

Teoretiskt ramverk ... 5

2.1 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH TEORI ... 5

2.2 PRODUKTUTVECKLINGSPROCESS ... 6 2.2.1 Gate ... 6 2.2.2 Planeringsfas ... 6 2.2.3 Konceptfas ... 7 2.2.4 Utvecklingsfas ... 7 2.2.5 Verifieringsfas ... 7 2.2.6 Implementeringsfas ... 7 2.3 SÅMASKIN SPIRIT ... 8 2.3.1 Spirit luftsystem ... 10 2.4 APPLICERAD STRÖMNINGSMEKANIK ... 12 2.5 COANDĂEFFEKTEN ... 13

2.6 NEWTONS FÖRSTA LAG ... 13

3

Metod ... 14

3.1 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH METOD... 14

3.2 PROBLEMANALYS ... 14 3.2.1 Områdesuppdelning ... 15 3.2.2 Konkurrentanalys ... 15 3.2.3 Intervju ... 15 3.3 PLANERING ... 16 3.4 KRAVSPECIFIKATION ... 16 3.5 KONCEPTGENERERING ... 17 3.6 CAD ... 17 3.7 CFD ... 17 3.8 3D-SKRIVARE ... 17 3.9 PROVNING ... 18 3.9.1 Videogranskning ... 18 3.10 KONCEPTSÅLLNING ... 18

4

Genomförande ... 19

5

Resultat ... 50

5.1 VARFÖR BEHÖVER FRÖPLACERINGEN FÖRBÄTTRAS? ... 50

5.2 HUR SKALL EN GEOMETRI UTFORMAS FÖR ATT FÖRBÄTTRA FRÖPLACERINGEN I SÅFÅRAN? 51 5.3 HUR MÄTS FRÖPLACERINGEN OCH VAD ÄR ETT ACCEPTABELT RESULTAT? ... 51

6

Diskussion och slutsatser ... 52

6.1 DISKUSSION AV TEORI ... 52

6.2 DISKUSSION AV METOD OCH GENOMFÖRANDE ... 53

6.3 IMPLIKATIONER ... 54

6.4 SLUTSATSER ... 55

6.5 VIDARE ARBETE ELLER FORSKNING ... 56

7

Referenser ... 57

8

Bilagor ... 58

8.1 BILAGA 1-KRAVSPECIFIKATION ... 58

Figurförteckning

FIGUR 1:SÅMASKIN SPIRIT 800C, FRÅN [5]. ... 8

FIGUR 2:ÖVERBLICK OCH FÖRTYDLIGANDE AV REDSKAP PÅ SÅMASKINEN SPIRIT, FRÅN [4]. ... 9

FIGUR 3:ÖVERBLICK OCH FÖRTYDLIGANDE AV LUFTSYSTEM PÅ SÅMASKINEN SPIRIT, FRÅN [5]. ... 10

FIGUR 4:ÖVERBLICK OCH FÖRTYDLIGANDE AV KOMPONENTER I SÅAGGREGATET PÅ SÅMASKINEN SPIRIT, FRÅN [4]. ... 11

FIGUR 5:COANDĂEFFEKTEN DEMONSTRERAD MED HJÄLP AV DEN KONVEXA YTAN PÅ EN SKED. ... 13

FIGUR 6:ÖVERBLICK OCH FÖRTYDLIGANDE AV ETT GANTT-SCHEMA ... 16

FIGUR 7:EXAMENSARBETETS PROJEKTPLANERING. ... 19

FIGUR 8:EXAMENSARBETETS PLANERINGSFAS ... 20

FIGUR 9:FYRA OLIKA SORTER AV UTSÄDE.FRÅN VÄNSTER,RAPS,VETE,ÅKERBÖNA,BONDBÖNA. ... 21

FIGUR 10:D-CUP DIFFUSER ... 23

FIGUR 11:VÄDERSTAD AB:S SEPARATOR ”PISTOL” ... 24

FIGUR 12:SEPARATOR ANVÄND BLAND ANNAT AV FÖRETAGET AMAZONE ... 25

FIGUR 13:EXAMENSARBETETS KONCEPTFAS ... 27

FIGUR 14:KONCEPT COANDĂ –SKISSER OCH CFD-SIMULERING... 29

FIGUR 15:KONCEPT SPIRAL - SKISS,CFD-SIMULERING &3D-PRINTAD PROTOTYP ... 30

FIGUR 16:KONCEPT TURBIN - SKISS &CFD-SIMULERING ... 31

FIGUR 17:KONCEPT TRAPPA - SKISS &CFD-SIMULERING ... 32

FIGUR 18:KONCEPT ELEFANT - SKISS &CFD-SIMULERING ... 33

FIGUR 19:ÖVERBLICK OCH FÖRTYDLIGANDE AV PROVNINGSMETOD. ... 34

FIGUR 20:EXAMENSARBETETS UTVECKLINGSFAS ... 38

FIGUR 21:JÄMFÖRANDE ILLUSTRERING AV VIDAREUTVECKLAT KONCEPT, MÅTT I MM ... 39

FIGUR 22:JÄMFÖRANDE ILLUSTRERING AV VIDAREUTVECKLAT KONCEPT ... 39

FIGUR 23:ILLUSTRERING AV NERSKALAD ELEFANT, MÅTT I MM ... 40

FIGUR 24:ÖVERBLICK OCH FÖRKLARING AV HÖGER HALVA AV TVÅDELAD MODELL,ELEFANT. ... 41

FIGUR 25:ÖVERBLICK SLUTLIG VERSION AV SEPARATOR I ABS-PLAST. ... 42

FIGUR 26:ÖVERBLICK SLUTLIG VERSION AV SEPARATOR I TPU-PLAST. ... 42

FIGUR 27:ELEFANT SEPARATOR MED FÄSTANORDNING TILL SÅBILLSARM. ... 43

FIGUR 28:EXAMENSARBETETS REDOVISNINGSFAS. ... 45

FIGUR 29 BILDER FRÅN PROVNING, TILL VÄNSTER:D-CUP, TILL HÖGER:ELEFANT. ... 47

FIGUR 30:RENDERING AV SLUTLIGT KONCEPT ... 55

Tabellförteckning

TABELL 1:KOPPLING MELLAN STUDIENS FRÅGESTÄLLNINGAR OCH ANVÄND TEORI. ... 5

TABELL 2:KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH METOD. ... 14

TABELL 3:KRAVSPECIFIKATION ... 26

TABELL 4:INSTÄLLNINGAR SAMT GRÄNSVILLKOR FÖR CFD-SIMULERING. ... 28

TABELL 5:RESULTAT AV PROVNING MED VETE PÅ JÖNKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA. ... 35

TABELL 6:RESULTAT AV PROVNING MED VETE PÅ VÄDERSTAD AB. ... 35

TABELL 7:RESULTAT VID PROVNINGSTILLFÄLLE PÅ JÖNKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA.SIFFRORNA REPRESENTERAR HASTIGHET I M/S. ... 46

Ordlista

Benämning Beskrivning

Fröhastighet Hastigheten på utsädet

Fröplacering Precisionen på utsädets placering i såfåra

Gröda Planta

Jordbädd Åkerns översta jordlager

JTH Tekniska Högskolan i Jönköping

Luftsystem Det kompletta systemet som transporterar utsäde

från behållaren med utsädetill såfåran

§Såbillsrör Änden på luftsystemet som mynnar ned i såfåran

Såbädd Bearbetat jordlager efter såmaskinen

Såfåra Klyva i såbädden där utsädet planteras

Sålabb Laberationslokal för såmaskiner

Såtallrik Cirkulära stålplattor som skapar såfåran

Transportslang Slangen som trasporterar utsädet från sålådan till såbillsröret

Utsäde Frön som skall planteras

1 Introduktion

Kapitlet ger en bakgrund till arbetet och det problemområde som arbetet byggts upp kring. Vidare presenteras arbetets syfte och dess frågeställningar. Därtill beskrivs arbetets avgränsningar. Kapitlet avslutas med rapportens disposition.

Examensarbetet genomfördes som en examinerande del av utbildningen Maskinteknik med produktutveckling och design som inriktning vid Jönköping University. Arbetet beskrivs som konceptstudie och behandlar en förbättring av fröplacering på såmaskinen ”Spirit” på företaget Väderstad AB.

Examensarbetet utgör 15 högskolepoäng per kandidat. Arbetet gavs på uppdrag av Patrik Sjögren Fritz, gruppchef vid Väderstad AB, tillsammans med John Johansson, konstruktör och handledare.

1.1 Bakgrund

Väderstad AB är stationerat i Östergötland i ett samhälle med samma namn, Väderstad. Företaget grundlagdes 1962 då lantbrukaren Rune Stark tröttnade på att använda redskap tillverkade i trä med dålig hållfasthet och att efter endast en säsong av användning behövde ett nytt redskap tillverkas. Rune Stark startade verksamheten ”Runes Mekaniska Verkstad” där han tillverkade redskap till lantbrukare med stålkonstruktion vilket lade grunden för Väderstad AB. [1]

Idag har Väderstad AB omkring 1400 anställda och omsätter 2,5 miljarder svenska kronor under verksamhetsåret 2019. Företaget är idag ett av världens ledande företag inom jordbearbetning och sådd. Tillverkning, utveckling, marknad och sälj sker simultant vid industrin i Väderstad. [2]

Marknaden där företaget är verksamma sträcker sig till flera delar av världen. De största marknadsandelarna finns i Sverige, Ryssland och Kanada men har även stora marknadsandelar i Tyskland, Ukraina och England. Företagets affärsidé är att förse det moderna jordbruket med högeffektiva maskiner och metoder. Företagets motto är att Väderstad AB ska vara bondens partner för en enastående uppkomst. Bondens målsättning är att få så mycket lönsamhet som möjligt från jorden och då ska Väderstad AB vara bondens förstahandsval.

Arbetet kommer att leda till ett nytt produktkoncept med fokus på funktionalitet och precision, där syftet är att förbättra lönsamheten för kunden.

1.2 Problembeskrivning

På Väderstad AB:s såmaskin Spirit används luft för att transportera utsädet från utsädesbehållaren ner till jorden, vilket sker med hjälp av en hydrauldriven fläkt som bygger upp ett övertryck i ett rörsystem. Övertrycket i rörsystemet skapar en luftström som transporterar utsädet till ett slangsystem som slutligen leder ned till jordbädden. För att en given mängd utsäde skall kunna transporteras på bästa sätt krävs en specifik luftmängd. Om luftmängden är för låg finns det en risk att utsädet fastnar i slangsystemet vilket skapar stopp och leder till en försämrad produktivitet. Om luftmängden är för hög undviks risken för stopp, däremot ökar risken för en försämrad fröplacering och därmed en försämrad uppkomst.

Problematiken med en hög luftmängd är att den höga lufthastigheten orsakar utsädet att blåsa och/eller studsa ur sin placering i såfåran och hamna felplacerat på jordbädden. Om utsädet inte placeras på korrekt djup kan inte fröet gro och därmed försämras lönsamheten för kunden.

1.3 Syfte och frågeställningar

1.3.1

Syfte

Syftet med arbetet är att ta fram en konceptlösning för att förbättra fröplaceringen till Väderstad AB:s såmaskin Spirit. En förbättrad fröplacering bibehåller samt förstärker företagets position som premiumtillverkare av såmaskiner. En förbättrad fröplacering minskar mängden spill av utsäde och ökar därmed lönsamheten för kunden.

1.3.2

Frågeställningar

Den huvudsakliga uppgiften att lösa är att förbättra fröplaceringen, men för att kunna göra detta krävs det förståelse om varför fröplaceringen inte är tillräckligt bra. För att skapa en grundläggande förståelse om problemet utfördes metoderna problemanalys samt intervjuer på Väderstad AB. Resultatet av problemanalys tillsammans med intervjuer bidrog till att arbetet kunde formuleras till dessa tre frågeställningar:

[1] Varför behöver fröplaceringen förbättras?

[2] Hur skall en geometri utformas för att förbättra fröplaceringen i såfåran? [3] Hur mäts fröplacering och vad är ett acceptabelt resultat?

1.4 Avgränsningar

Detta projekt kommer inte att ta hänsyn till eventuella leverantörsspecifika krav eller valideringsprocesser för produktgodkännande. Transport av utsäde från utsädesbehållare till såbill kommer inte heller att utvärderas för ändring. Transportsystemet kommer förbli drivet av luftströmmar. Tillverkningsmetoder, ekonomiska aspekter och materialval kommer inte att analyseras, endast funktionalitet och prestanda. Projektet kommer även att avgränsas till 18 veckor.

1.5

Disposition

Det teoretiska ramverket ger en grundlig kunskap kring såmaskinen Spirit, produktutvecklingsprocessen och de fysikaliska fenomen som krävs för att underlätta förståelse i resterande delar av rapporten.

Kapitlen 3 - Metod och 4 - Genomförande är i kronologisk ordning. Dessa beskriver även vilka metoder som använts och hur dessa applicerats för att besvara examensarbetets frågeställningar. Kapitel 5 – Resultat ger ett svar på frågeställningarna och i Kapitel 6 diskuteras de teorier, metoder samt de resultat som dessa metoder genererat.

2 Teoretiskt ramverk

Kapitlet ger en teoretisk grund som används i arbetet och är en bas för att analysera resultatet av de frågeställningar som formulerats.

Syftet med examensarbetet är att ta fram en konceptlösning för att förbättra fröplaceringen till Väderstad AB:s såmaskin Spirit. Det teoretiska ramverket har valts ut för att uppfylla syftet med arbetet samt för att ta fram en principiell lösning baserad på problembeskrivningen, skildrad i kapitel 1.2 - Problembeskrivning.

Empiriska studier där vetenskapliga undersökningar så som experiment och iakttagelser av verkligheten kommer att användas under detta produktutvecklingsarbete.

2.1 Koppling mellan frågeställningar och teori

I kapitlet beskrivs den teori som ger en teoretisk grund för att besvara arbetets frågeställningar.

Examensarbetets frågeställningar:

[1] Varför behöver fröplaceringen förbättras?

[2] Hur skall en geometri utformas för att förbättra fröplaceringen i såfåran? [3] Hur mäts fröplacering och vad är ett acceptabelt resultat?

De teorier som används för att besvara arbetets frågeställningar visas i tabell 1. Frågeställning Teori 1 2 3 2.2 Produktutvecklingsprocess X X X 2.3 Såmaskin Spirit X X 2.4 Applicerad strömningsmekanik X 2.5 Coandăeffekten X

2.6 Newtons första lag X

2.2 Produktutvecklingsprocess

För att besvara arbetets frågeställningar och för att genomföra projektarbetet har en produktutvecklingsprocess beskriven av Ulrich och Eppinger använts. En produktutvecklingsprocess är en vägbeskrivning för att ta fram en produkt på ett effektivt sätt. Syftet med en välutvecklad produktutvecklingsprocess är bland annat att tidigt i utvecklingsfasen identifiera de risker produkten kan utsättas för och utveckla produkten med dessa risker i åtanke. Processen beskriver också när och hur metoder skall användas för att nå projektets mål.

I detta examensarbete har produktutvecklingsprocessen anpassats utefter de mål och avgränsningar som formulerats för arbetet, projektet kommer att avslutas innan implementeringsfasen. Processen delas upp i olika faser där varje fas innehar specifika moment som skall utföras. När en fas går mot sitt slut är det vanligt att en avstämning hålls för att bekräfta att fasens mål har uppnåtts. Denna avstämning kallas i detta examensarbete för Gate. [3]

2.2.1

Gate

En gate i en produktutvecklingsprocess är en fiktiv grind som skall passeras innan nästa fas i arbetet kan påbörjas. Gaten kan ses som enkelriktad vilket innebär att när den väl är passerad så går det ej att återvända. För att passera en gate måste de mål som är uppsatta inför gaten uppfyllas. Till exempel kan ett mål vara att ett fungerande koncept skall existera.

Gaternas syfte är att fastställa beslut rörande den aktuella fasen samt se till att projektet befinner sig i samma riktning som vid starten av projektet. Syftet med en gate är även att få ett projekt att fortsätta framåt och att inte backa tillbaka på beslut som tagits i till exempel en sållning. [11]

2.2.2

Planeringsfas

Under planeringsfasen skall en plan utformas över hur projektet skall genomföras samt klargöra vilka moment som skall genomföras. Planeringen skall också klargöra vad målet med projektet är och vad som bedömer ett godkänt eller underkänt resultat. I ett produktutvecklingsprojekt skall det även skapas en kravspecifikation för den produkt som skall framställas. Kravspecifikationen skall innehålla detaljerade kriterier som produkten skall uppnå och klara och även hur produkten skall provas. [3]

2.2.3

Konceptfas

Under konceptfasen skall koncept genereras utefter de kriterier som bestämts i kravspecifikationen. I konceptfasen kan kvantitet över kvalitét vara något positivt. Koncepten behöver endast vara tillräckligt utvecklade att en bedömning kan göras vidare koncepten har potential att fungera eller ej. Ett koncept kan existera i fysisk form men är inte en nödvändighet. Ofta kan en konceptidé bestå av en skiss med en förklarande text. Enligt (Ulrich och Eppinger, 2016) bör konceptfasen generera 10 till 20 konceptlösningar. Dessa koncept skall sedan sållas ned och den konceptlösning som har störst möjlighet att uppfylla kravspecifikationen skall vidareutvecklas. [3]

2.2.4

Utvecklingsfas

Under utvecklingsfasen skall det slutliga konceptet utarbetas med detaljlösningar där det valda konceptet från tidigare fas skall optimeras för att uppfylla kravspecifikationen på bästa möjliga vis. Det är först i utvecklingsfasen en slutlig design och ett val av material bestäms. [3]

2.2.5

Verifieringsfas

I denna fas testas produkten mot kravspecifikationen med syftet att försäkra att den uppfyller de tänkta funktioner och krav.

Det är viktigt att dokumentera allt som utförs i denna fas. Det som bland annat bör dokumenteras är: versionsnummer på testobjekt, testutrustning, förhållanden i omgivning, vilket krav som testas, vad som är godkänt och inte. [3]

2.2.6

Implementeringsfas

Implementeringsfasen har syftet att förbereda en produkt för produktion och till sist nå ut med produkten till marknaden. Vid en implementeringsfas testas produkter i produktionen för att justera eventuella maskiner eller arbetsprocesser för montörer. De produkter som testats i produktionen benämns ofta som en förserie. Förserien säljs sällan till slutkund. [3]

2.3 Såmaskin Spirit

Syftet med Väderstad AB:s såmaskin med namnet Spirit är att plantera olika typer av spannmål på en åkerjord. För att genomföra detta krävs det att maskinen bearbetar och behandlar jordbädden innan spannmålet blir placerat på åkerjorden. Information och bilder i detta kapitel är hämtad från Väderstad AB:s marknadsföringsunderlag. Såmaskinen Spirit kategoriseras som en pneumatisk såmaskin, vilket innebär att såmaskinen använder tryckluftteknik för att transportera och leda utsädet inom maskinen. För att placera spannmålet på åkern vid ett precist sådjup krävs det att jordbädden bearbetas innan utsädet positioneras. Spirit är därför utrustad med olika bearbetningsverktyg för att jämna ut, sönderdela och packa jordbädden. Dessa tillbehör och verktyg kan överblickas i figur 2.

Spirit finns i olika storlekar, dessa existerar för att möta olika kunders behov och deras förhållanden. Produktfamiljen Spirit består därför av modeller som är olika breda där den minsta såmaskinen är tre meter bred och den största är nio meter bred. [4] Spirit 800C är en av dessa såmaskiner i produktfamiljen och kan ses nedan i figur 1.

Den pneumatiska såmaskinen Spirit är uppbyggd av olika verktyg för att uppfylla syftet att placera spannmål i jordbädden. Underredet på Spirit närmast marken består av olika moduler, se figur 2 för en överblick av dessa moduler.

Förredskap Packning Sådd och återpackning

Figur 2: Överblick och förtydligande av redskap på såmaskinen Spirit, från [4].

Till vänster i figur2syns förredskapet. Förredskapet fungerar som en plog då det plöjer såbädden för att skapa en jordbädd som ger bättre förhållanden att så i. Förredskapets tallrikar, ”System Disc”, behandlar olika typer av jordbäddar vid olika förhållanden vare sig det är hård mark eller en redan plöjd åker. Tallrikarna skär och sammanblandar det övre lagret av jordbädden för att skapa en blandad jämn yta att så spannmålet i. [4]

Innan spannmål placeras i jordbädden packas jordbädden med packarhjul. Detta sker för att skapa en jämn och kompakt såbädd. Efter att packarhjulen utjämnat såbädden skär såtallrikarna såbädden. Såtallrikarna för såbädden åt sidan och skapar en såfåra. I denna såfåra placeras utsädet. För att såtallrikarna ska kunna skära, flytta undan jord och skapa en såfåra ställs ett hydrauliskt billtryck, som pressar tallrikarna ner till valt sådjup.

Billtrycket är den inställning som skapar det djup som spannmålet ska planteras på. Efter såtallrikarna och placeringen av utsädet i såfåran återpackas såbädden med lös fin jord. Detta sker med hjälp av billpackarhjul. Det sista redskapet på såmaskinen Spirit kallas för efterharv. Efterharven luckrar jorden och förhindrar att det blir hårda skorpor på såbädden efter ett kraftigt regn. Vid ett kraftigt regn bildas hårda skorpor på såbädden som resulterar i dålig uppkomst av den orsaken att utsädet förhindras att tränga igenom såbädden. [4]

2.3.1

Spirit luftsystem

Luft transporterar utsäde och gödning från utsädesbehållaren till jordbädden. Den hydrauliskt drivna fläkten suger in luft som sedan transporteras via ett rörsystem under utsädesbehållaren. Gödning har som uppgift att ge näring till spannmålet för att effektivisera uppkomsten hos grödan. Då gödning appliceras vid samma tillfälle som spannmål transporteras gödningen till förredskapet för att placeras i jordbädden. Spannmålet matas ur utsädesbehållaren med hjälp av ett utmatningssystem.

Detta utmatningssystem besitter en elektrisk motor som matar utsädet ner till luftströmmen i rörsystemet, utsädet transporteras därefter till fördelarhuvudet. I fördelarhuvudet sprids utsädet till transportslangar, dessa leder till varsin såbill där utsädet placeras i såbädden. Se figur 3 samt 4 för en överblick av såmaskinen Spirit och dess transportsystem. [5]

För att transportera allt utsäde jämnt fördelat till alla såaggregat krävs det en hög lufthastighet i luftsystemet. Den höga lufthastigheten bidrar till att utsädet transporteras till såaggregatet och såbillen. Problematiken uppstår då utsädet i såbillsröret har för hög hastighet och det är här luftsystemet visar upp ett potentiellt förbättringsområde. [4]

Figur 4: Överblick och förtydligande av komponenter i såaggregatet på såmaskinen Spirit, från [4].

2.4 Applicerad strömningsmekanik

Strömningsmekanik är läran om fluider i rörelse. Inom strömningsmekanik tillämpas de grundläggande principerna inom mekanik, bland annat läran om termodynamik och Newtons rörelselagar. Strömningsmekanik används för att estimera fluiders rörelse och vilka faktorer som påverkar en kropp som är i strömning i antingen gaser eller vätskor. Läran om strömningsmekanik appliceras i många olika områden, bland annat geologi, medicinsk forskning och astrofysik. [6]

Läran om aerodynamik används vid konstruktion och framtagning av bland annat bilar, flygplan och broar. Aerodynamik har studerats av många inom vetenskapen för att bland annat förstå varför olika former och geometrier beter sig olika vid ett luftmotstånd. De största områdena som undersökts inom aerodynamiken har varit luftmotstånd och lyftkraft, detta beror på mänsklighetens intresse för att kunna flyga. När människan för första gången flög tack vare bröderna Wright var läran om aerodynamiken ej fullständig. Aerodynamiken utvecklades hastigt då kraven kring manöverbara och snabba flygplan ökade under första och andra världskriget. Aerodynamikens utveckling samt de industriella framstegen under världskrigen ledde till att teorin bakom aerodynamik och strömningsmekanik kunde appliceras på flygplan som vid andra världskrigets slut uppnådde hastigheter nära ljudets hastighet. [7]

Forskning inom aerodynamik utgörs av antingen metoder som är experimentella eller numeriska. Vid experimentella metoder används ofta vindtunnlar där vindar med höga hastigheter kan skapas. Vid framtagning av bilar och flygplan till exempel kan dessa analyseras i vindtunnlar för att mäta bland annat lyftkraft, tryckfördelningar och luftmotståndskoefficienten.

Forskningen kring aerodynamik har övergått till att bestå alltmer av numeriska metoder. Detta åstadkoms med hjälp av datorer som bearbetar bland annat strömningsmekanikens huvudsakliga ekvationer. [7]

När fluider strömmar kan flödet beskrivas med hjälp av Navier-Stokes ekvationer. Navier-Stokes ekvationer används näst intill enbart vid numeriska metoder för att analysera fluider. Ekvationerna består av komplicerade icke-linjära differentialekvationer.

Navier-Stokes ekvationer lägger grunden för numeriska beräkningar vid datorstödda flödesanalyser på fluider. I beräkningarna löses ekvationerna med hjälp av olika

2.5 Coand

ă

effekten

Coandăeffekten är en fysikalisk effekt hos fluider i rörelse där en gas eller vätska kommer att följa en konvex kurvatur på grund av lågtrycket som formas vid den avvikande radien. Detta gäller för både vätskor och gaser. Figur 5 visar en demonstration av Coandăeffekten där en vattenstråle följer den konvexa ytan på en sked.

Coandăeffekten är namngiven efter Henri Marie Coandă (1885–1972), en rumänsk ingenjör inom aerodynamik. Coandă har haft stor påverkan på bland annat flygplansdesign. [9]

2.6 Newtons första lag

Newtons första lag, även känd som tröghetslagen innebär att en kropp är i vila om summan av de krafter som påverkar kroppen är noll. [15]

Figur 5: Coandăeffekten demonstrerad med hjälp av den konvexa ytan på en sked.

3 Metod

Kapitlet ger en översiktlig beskrivning av i studien använda angreppssätt med referenser.

Arbetets frågeställningar lyder:

[1] Varför behöver fröplaceringen förbättras?

[2] Hur skall en geometri utformas för att förbättra fröplaceringen i såfåran?

[3] Hur mäts fröplacering och vad är ett acceptabelt resultat?

3.1 Koppling mellan frågeställningar och metod

Tabell 2 beskriver kopplingen mellan arbetets frågeställningar och vilka metoder som används för att bearbeta frågeställningarna.

Frågeställning Metod 1 2 3 3.2 Problemanalys X 3.3.4 Intervju X 3.4 Planering X X 3.5 Kravspecifikation X X 3.6 Konceptfas X X 3.7 CAD X 3.8 CFD X X 3.9 3D-skrivare X 3.10 Provning X 3.11 Konceptsållning X

Tabell 2: Koppling mellan frågeställningar och metod.

3.2 Problemanalys

För att klargöra problemet utfördes en problemanalys bestående av tre olika metoder. Områdesuppdelning, konkurrentanalys och intervjuer. Metoden ”områdesuppdelning” klarlägger det mest grundläggande i problemet. Metoden ”konkurrentanalys” genomfördes för att betrakta konkurrenter och hur de eventuellt

3.2.1

Områdesuppdelning

”Områdesuppdelning” metod användes för att få en djupare förståelse på problemet. Metoden behandlar problemet utifrån olika perspektiv, detta för att förstå problemet övergripande och uppdelat. Metoden består av tre punkter:

1. Process

- Vad som görs, den aktivitet (kan även vara tillverkning och försäljning) som avses

2. Omgivning

- Var det görs, vilka miljöer 3. Människa

- Vem eller vilka som berörs [10]

3.2.2

Konkurrentanalys

För att skapa en förståelse för vilka lösningar som eventuellt redan finns på ett problem används ofta en konkurrentanalys. Vid produktutvecklingsprojekt är det ofta vanligt att använda sig utav ”Reverse Engineering” (RE). RE innebär att konkurrentlösningar analyseras och studeras för att bedöma dess funktion och prestanda. Med Reverse Engineering kan kunskap genereras genom att demontera en konkurrents produkt och därefter analysera, alternativt att produkten undersöks med hjälp av olika CAD-program med tillhörande FEM-simuleringar. [10]

3.2.3

Intervju

För att besvara studiens första frågeställning så har intervjuer genomförts med produktkunniga personer på Väderstad AB. Metodiken kallas för ”frågemetod” där olika frågor ställs till kunniga personer för att skapa underlag för att förstå problemet. Vid genomförandet av frågemetoden är objektiva och precisa svar efterfrågade. Vanliga frågorställningar att ställa vid frågemetoden kan vara:

• Varför existerar problemet? • Vilken innebörd har problemet? • Vad/vilka berör problemet? • Hur vanligt är problemet? [10]

3.3 Planering

För att uppnå projektmål och genomföra ett produktutvecklingsprojekt krävs en tidsplanering. Den tidplaneringmetod som nyttjades till projektet var ”Gantt-schema”. I ett Gantt-schema finns aktiviteter som projektet innehar och tidsmarkeringar som anger när aktiviteter skall vara klara. Metoden är ett bra sätt att se vad som antas ta lång tid och vad som tar kortare tid i projektet. I ett Gantt-schema är det vanligt att flera bestämda datum planeras in där olika beslut tas. Dessa kallas ofta för en ”gate”. [10] Se figur 6 för en överblick samt förtydligande av ett Gantt-schema.

DATUM AKTIVITETER 1 2 3 4 5 6 7 8 START AV PROJEKT PROJEKTPLAN FÖRSTUDIE KONCEPTGENERERING PROTOTYPFRAMSTÄLLNING

REDOVISNING OCH AVSLUT

Figur 6: Överblick och förtydligande av ett Gantt-schema

3.4 Kravspecifikation

Efter förståelse har skapats om vad som produkten behöver uppfylla för att lösa problemet punktas dessa egenskaper i en lista som kallas kravspecifikation. Kraven skall vara i skallform, specifika och mätbara. Kravspecifikationen skall även berätta hur kraven skall testas och vad som är ett godkänt resultat. [10]

3.5 Konceptgenerering

Under konceptgenereringen är målet att ta fram flera koncept och idéer för att testa. Vid konceptgenerering är det vanligt att olika skisser och lösningsförslag tas fram där kundkrav och tekniska faktorer tas i beaktning. Konceptgenerering består ofta av mycket brainstorming, diskussioner och förfining av idéer.

Dessa ska testas på ett tidseffektivt sätt, det kan vara genom simuleringar och/eller fysiska prover. [10]

3.6 CAD

CAD – Computer Aided Design, kan översättas till datorstödd konstruktion. CAD är ett verktyg som används för att göra 3D-modeller som sedan kan användas för simulering, produktbilder och tillverkning. Under projektet har programmen ”Autodesk Inventor” [11] och ”SolidWorks” [12] använts.

3.7 CFD

CFD – Computational Fluid Dynamics på svenska beräkningsströmningsdynamik. CFD är ett verktyg som används tillsammans med CAD-modeller för att simulera hur vätskor och/eller gaser beter sig i rörelse. När en CFD simulering utförs på en CAD-modell förenklas CAD-modellen till en CAD-modell byggd av trianglar, detta kallas för en ”mesh”. Olika gränsvillkor och belastningar appliceras. Vid CFD-beräkningar bestäms gränsvillkor för olika fluiders egenskaper. [10]

För att fortsatt skapa kunskap och förståelse kring hur luftströmmar beter sig, speciellt när de påträffar geometriändringar så har simuleringar gjorts i CFD-program. I detta fall den inbyggda CFD-funktionaliteten som finns i ”Solidworks 2019”. [13]

3.8 3D-skrivare

För att kunna testa koncept så kan dessa skrivas ut med hjälp av en 3D-skrivare. Det är ett effektivt hjälpmedel för att snabbt kunna testa idéer i verkligheten.

Det finns olika metoder en 3D-skrivare använder sig av, men de flesta bygger på att en modell byggs upp successivt med tunna lager. En 3D-skrivare kan tillverka modeller i flera olika material för att uppnå olika egenskaper. [10]

3.9 Provning

Provning sker på olika sätt beroende på vad produkten har för ändamål och vilka yttre eller inre belastningar som påverkar. Provning utförs ofta då finita elementberäkningar och simulationer inte kan ge ett resultat som är tillräckligt tillfredsställande. Finita elementberäkningar används till största del för att beräkna statiska krafter och moment. När livslängdsberäkningar, exempelvis utmattning och slitage ska utföras är FEM-beräkningar osäkra i jämförelse med provning. Vid provning simuleras verkligheten mer pålitligt. [10]

3.9.1

Videogranskning

För att mäta hastighet på objekt kan detta göras med granskning av video filmat med en höghastighetskamera. Det krävs en visuell referens som visar sträckan objektet färdas, ofta används en bakgrund som har specifika avstånd mellan till exempel ränder. Kameran som filmar behöver även göra detta med ett känt antal bilder per sekund för att kunna räkna ut hastigheten på objektet. Därefter går det att studera en bild i taget och räkna hur många bilder det krävs för objektet att färdas över den specifika sträckan, vilket sedan kan omvandlas till hastighet i önskad enhet.

3.10 Konceptsållning

Tidigt i konceptfasen är det positivt med många koncept, men dessa måste sållas ned på ett opartiskt sätt till ett mindre antal. För att få ett så bra resultat som möjligt inom den satta tidsramen krävs det att fokusera på det bästa konceptet och fortsätta vidareutveckla detta. För att eliminera risken för personliga favoriter hos koncept kan ett projekt använda sig av en fokusgrupp bestående av personer som har olika kompetenser, är insatta i projektet och är relevanta för uppgiften. Fokusgruppens uppgift är att granska resultaten hos de olika koncepten och välja det som har högst sannolikhet att lösa problemet bäst. [10]

4 Genomförande

Kapitlet ger en beskrivning av studiens genomförande.

4.1 Projektfaser

Projektet är uppdelat i fyra faser, Planeringsfas, Konceptfas, Utvecklingsfas och Redovisningsfas. Varje fas avslutas med en gate. Detta för att ge en tydlig start och tydligt slut på genomförandet av de olika momenten. Projektets planering med faser och innehållande moment ses i figur 7.

Figur 7: Examensarbetets projektplanering.

v4 v5 v6 v7 v8 v9 v10 v11 v12 v13 v14 v15 v16 v17 v18 v19 v20 v21 v22 Problemanalys Kundkrav Konkurrensanalys Konstruktionskrav Kravspecifikation Konceptgenerering Konceptsållning Detaljkonstruktion Provning Rapport Framläggning av projekt Avstämningsmöten Gate 2 Fas 3 -Utveckling Gate 3 Fas 4 -Redovisning Fas 1 -Planering Gate 1 Fas 2 -Koncept

4.2 Planeringsfas

Figur 8: Examensarbetets planeringsfas

Syftet med planeringsfasen är att skapa en förståelse för problemet. Målet med planeringsfasen är att passera Gate 1. Vid Gate 1 skall en genomgripande förståelse för problemet ha erhållits och kravspecifikationen för arbetet skall vara formulerad. Se figur 8 där examensarbetets planeringsfas skildras.

Med få eller inga tidigare erfarenheter av jordbruksmaskiner, i detta fall såmaskiner användes projektets första tid till att intervjua personal på Väderstad AB, granskande av film på såmaskiner, samt undersökning av såmaskiner i digitalt format och i verklighet. Detta för att fördjupa sig i uppgiften som skulle lösas och förstå varför maskinerna är konstruerade som de är. När en grundlig förståelse uppstod kunde konkurrenters såmaskiner granskas och analyseras för att se hur konkurrerande företag har löst samma problem.

v4 v5 v6 v7 v8 v9 v10 v11 v12 v13 v14 v15 v16 v17 v18 v19 v20 v21 v22 Problemanalys Kundkrav Konkurrensanalys Konstruktionskrav Kravspecifikation Konceptgenerering Konceptsållning Detaljkonstruktion Provning Rapport Framläggning av projekt Avstämningsmöten Fas 4

-Planering Koncept Utveckling Redovisning

Fas 1 - Gate 1 Fas 2 - Gate 2 Fas 3 - Gate 3

4.2.1

Problemanalys

4.2.1.1 Intervjuer

Intervjuer på Väderstad AB hölls med en produktspecialist på såmaskinen Spirit och en specialist inom området luftsystem. Kunskapen som skapades under intervjuerna ser bland annat ut som följande:

Utsädet skall transporteras långa sträckor i slangsystemet på grund av att maskinerna är upp till nio meter breda. För att undvika att utsädet inte fastnar i slangarna så måste hastigheten på luften som transporterar utsädet i slangsystemet ha tillräckligt hög hastighet att detta undviks. På detta sätt har ingenjörerna på Väderstad AB löst ett problem, däremot har ett annat skapats, nu har utsädes så hög hastighet att de kan studsa ur såfåran.

Det var även viktigt att lösningen klarar av att hantera många olika typer av utsäde. Extremerna valdes ut, från de minsta rapskornen som är cirka 1,5mm i diameter, till de stora bondbönorna som är ca 15 mm i diameter. Även vete samt åkerböna användes i utvecklingen för att öka variationen på utsäden. Se figur 9 där olika sorter av utsäde skildras. Protokoll från de två intervjuerna på Väderstad AB ses i bilaga 2. I protokollet av intervjuerna besvaras frågor som hanterar problematiken med en förbättrad fröplacering på Spirit.

4.2.1.2 Områdesuppdelning

Områdesuppdelning användes för att få en djupare förståelse på problemet. Metoden behandlar problemet utifrån olika perspektiv, detta för att förstå problemet övergripande och uppdelat. Metoden består av tre punkter:

1. Process

- Vad som görs, den aktivitet som avses

Såmaskinen Spirit placerar utsäde på åkerjordar med hjälp av olika tillbehör och moduler för att underlätta sådd. Problemet som kan uppstå är lokaliserat i luftsystemet på såmaskinen. Luftsystemet transporterar utsädet med en hög hastighet. Den höga lufthastigheten bidrar till att utsädet kan studsa ur såfåran och därmed inte gro.

2. Omgivning

- Var det görs, vilka miljöer

Spirit är framtagen för att bearbeta och så i varierande jordbäddar. På åkrarna körs Spirit med en hastighet upp till 14 km/h. Detta medför mycket vibrationer och laster på samtliga komponenter, därför krävs det att såmaskinen är robust konstruerad för att klara av de starka krafter och vibrationer som uppstår. Såmaskinen brukas i varierande typer av miljöer med stora skillnader i temperaturer. Spirit säljs till bland annat länder i Afrika med höga temperaturer och länder i Skandinavien med lägre temperaturer.

3.

- Vem eller vilka som berörs

De människor som påverkas av problemet är lantbrukare och bönder. Då fröplaceringen på såmaskinen Spirit ej är optimal, tappar kunden lönsamhet. En optimal fröplacering resulterar i att varje frö gror och kan skördas för att sedan säljas. En icke optimal fröplacering resulterar därför både i ett spill och en försämrad lönsamhet. Även monteringspersonal kan komma att påverkas om konceptet som tas fram i detta arbete implementeras i produktion.

4.2.1.3 Konkurrentanalys

Under konkurrentanalysen blev det snabbt tydligt att de konkurrenter som försökt lösa problemet använder sig av en geometri i slutet av luftsystemet som skall evakuera luft samt sänka hastigheten på utsädet. Nedan följer de konkurrentlösningar som är analyserade.

”D-Cup Diffuser” - ”D-Cup Diffuser” från det australiensiska företaget ”D-Cup

Diffuser Co. Pty Ltd”. Efter att ha studerat filmer och recensioner av ”D-Cup Diffuser” iakttogs det att denna produkt löser problemet på ett effektivt sätt. Den fungerar genom att ta in luft och utsäde horisontellt från sidan. Inloppet är kopplat tangent till en trattliknande geometri. När luft och utsäde kommer in skapas en virvel på grund av den cirkulära formen. Utsädet far nedåt med hjälp av gravitation medan luften åker uppåt där det finns en öppning större än den som utsädet åker genom. Denna lösning används inte av Väderstad AB på grund av att den är för stor, och den uppfyller inte deras önskan om att transportluften skall evakueras nedåt. Se figur 10 där D-cup Diffuser skildras.

”Tempo Pistol” - Väderstad AB:s egen lösning som används på maskinen ”Tempo”.

Denna produkt har en geometriöppning på insidan av den krök som finns, där är tanken att luft skall evakueras medan utsädet skall fortsätta nedåt mot geometriöppningen i botten. Utsädet kommer tappa en del av rörelseengergin när de tvingas byta riktning på grund av kröken. Se figur 11 där Väderstad AB:s separator ”Pistol” skildras.

Figur 11: Väderstad AB:s separator ”Pistol”

”Amazone” – Det verkliga namnet på produkten är okänt, men då den största

konkurrenten som använder denna är Amazone har den i denna rapport benämnts som Amazones lösning. Denna princip används även av företagen ”Sky” och ”Weaving” på deras såmaskiner. Inloppet för luft och utsäde är vinklat snett mot en vägg. Mot denna vägg kommer utsädet studsa för att sedan fortsätta nedåt. I ovankant finns även en öppning där luft har möjlighet att ta sig ut. Se figur 12 där separatorn använd av bland annat företaget Amazone demonstreras.

Figur 12: Separator använd bland annat av företaget Amazone

4.2.1.4 Kravspecifikation

Problemanalysens ingående moment intervjuer, områdesuppdelning och konkurrentanalys resulterade i de krav produkten skall uppfylla.

I kravspecifikationen nedan (tabell 3) visas de specificerade krav numrerat med ID-nummer. Kraven är satta med en mätbar enhet samt max- och mintolerans för gränserna på kravet.

Krav ID Krav Enhet Min Max Mål

1 Får i storlek maximalt vara: mm N/A 70x180x265 >70x180x265

2 Skall sänka hastighet på utsäde m/s N/A

Hastighet utan evakuering

Gravitation

3 Skall klara olika storlekar av

utsäde Ø mm 1,5 15 1,5–15

4 Skall fördela utsädet jämnt till

såbill antal/s N/A N/A N/A

5 Skall passa transportslang

Ø mm 38mm för att passa utanpå transportslang 32mm för att passa inuti transportslang N/A

6 Skall passa såbillsrör

Ø mm 32mm för att passa utanpå såbillsrör 25mm för att passa inuti såbillsrör N/A

7 Skall klara variationer

N/A – Engelsk förkortning för ”Not Applicable” som översätts till ej tillämpningsbar, eller ”Not Available” som översätts till ej tillgänglig.

Tabell 3: Kravspecifikation

8 Skall evakuera luft (nedåt

önskvärt)

N/A N/A N/A N/A

9 Skall klara ändringar av

temperatur °C -10 50 -10 - 50

10

Skall tåla att bli utsatt av vätskor utan att tappa funktion. (vatten, hydraulolja, gödningsmedel,

avfettningsmedel)

4.3 Konceptfas

Figur 13: Examensarbetets konceptfas

Syftet med konceptfasen är att ta fram flera lösningar på problemet. Konceptgenereringen kommer ske med kravspecifikationen i åtanke, men ett koncept behöver inte uppfylla samtliga krav under konceptfasen. Målet med konceptfasen är att passera Gate 2. Vid Gate 2 skall de olika koncepten sållas ned till ett som kommer vidareutvecklas under utvecklingsfasen. Om ett koncept inte anses uppfylla huvudfunktionen kan detta sållas bort innan fokusgruppens sållning. Se figur 13 där examensarbetets konceptfas skildras.

4.3.1

Konceptgenerering

I problemanalysen konstaterades det att utsäde behöver separeras från luft för att förbättra fröplaceringen i såfåran. Problemanalysen definierade kravspecifikationen som i sin tur definierade koncept. Koncept genererades ut ifrån kravspecifikationen och den konstaterade faktorn att luft och frö behöver separeras. Därför har samtliga koncept samma huvudfunktion, att separera luft och utsäde.

v4 v5 v6 v7 v8 v9 v10 v11 v12 v13 v14 v15 v16 v17 v18 v19 v20 v21 v22 Problemanalys Kundkrav Konkurrensanalys Konstruktionskrav Kravspecifikation Konceptgenerering Konceptsållning Detaljkonstruktion Provning Rapport Framläggning av projekt Avstämningsmöten Fas 4

-Planering Koncept Utveckling Redovisning

Fas 1 - Gate 1 Fas 2 - Gate 2 Fas 3 - Gate 3

4.3.1.1 CAD och CFD

Då luft har särskilda egenskaper som är komplicerade att föreställa sig har CFD-simuleringar varit till stor användning. Till följd av att visualisera med färger hur luften rör sig i en geometri och vad som inträffar när ändringar i geometrin görs så har en god förståelse och ny kunskap utvecklats

.

De inställningar och gränsvillkor som användes till CFD-simuleringar ses i tabell 4 nedan. Samtliga koncept är simulerade med gränsvillkoret 19m/s i ingångshastighet.

Initiala inställningar

Termodynamiska parametrar Omgivande lufttryck: 101 325 Pa (1 ATM) Temperatur: 293,20 K (20,05 °C)

Luftfuktighet Nej

Fluidmaterial Luft

Värmeledning i solida material Avstängd

Gravitation -9,81 m/s2 _{(riktning z-axel)}

Gränsvillkor

Inloppshastighet luft 19 m/s

Inloppshastighet partiklar 19 m/s

Partikelgeometri Sfär ∅ 0,005 m

Partikeldensitet 2,7 g/cm³

4.3.2

Koncept

4.3.2.1 Koncept – Coanda

Koncept Coandă var det första konceptet som skissades upp. Konceptet bygger på Coandăeffekten egenskap där luftströmmarna följer de två krökta ytorna som leder ut mot sidorna. Utsädet skall fortsätta nedåt, men bromsas upp av ett hinder i mitten så att det inte är en fri väg för utsädet ned till såbillsröret. Se figur 14 där konceptet Coandă skildras.

4.3.2.2 Koncept – Spiral

Konceptet har en invändig skruvspiral som skall bromsa utsädet samt vilja tvinga luften ut ur det perforerade ytterskalet. Simuleringarna visade att majoriteten av all luft kommer att välja att fortsätta ned till såbillsröret. Ytterligare en variant designades med markant ökning av antal evakueringshål. Den sistnämnda gjordes dock ingen simulering på då varje enskilt hål behövde gränsvillkor och översteg programmet och datorns kapacitet, däremot skrevs den ut i 3D-skrivare. Se figur 15 där konceptet Spiral skildras.

Figur 15: Koncept Spiral - skiss, CFD-simulering & 3D-printad prototyp

4.3.2.3 Koncept – Turbin

Koncept Turbin skall bromsa luften genom att omvandla luftens rörelseenergi till rotation, med andra ord rörelseenergi, hos en turbin. Luften skall sedan välja den större öppningen i ovankant, medan utsädet skall med gravitation fortsätta nedåt till såbillsröret. Se figur 16 där konceptet Turbin skildras.

Figur 16: Koncept Turbin - skiss & CFD-simulering

4.3.2.4 Koncept – Trappa

Konceptet Trappa använder sig av flera riktningsändringar. Dessa riktningsändringar har som funktion att byta riktning åtskilliga gånger för att sänka hastigheten på utsädet. Luftevakueringen sker med hjälp av perforerade ytor på ovansidan av trappan. Se figur 17 där konceptet Trappa skildras.

Figur 17: Koncept Trappa - skiss & CFD-simulering

4.3.2.5 Koncept – Elefant

Konceptet Elefant bygger på teorierna i punkterna 2.5 samt 2.6. Idén är att samla ihop utsädet i en krök så att det pressas mot undersidan av innerväggen. Efter den första kröken skall innerväggen sedan böjas nedåt för att skapa en evakuering för transportluften. Tanken är att utsädet inte skall följa den krök som leder nedåt utan fortsätta sin rörelseriktning och hoppa över den första öppningen och slutligen landa i den böj som leder ned till såbillsröret. Luften skall göra tvärt om, följa den böjda ytan nedåt tack vare Coandăeffekten.

Figur 18 visar en CFD-simulering där luftströmmarna är illustrerade som pilar och utsädet som sfärer.

Resultatet från simuleringen var överförträffande bra, så pass att tveksamheter uppstod huruvida simuleringarna gick att använda. Detta eftersom simuleringarna visar att 100% av luften blir evakuerad och samtliga frön tar rätt utgång. Enda sättet att ta reda på om simuleringarna stämmer överens med verkligheten är att testa fysiska prototyper.

4.3.3

Provning

Samtliga tabeller som visar resultat skall ej jämföras med andra tabeller, endast värden i samma tabell är jämförbara. Detta då värdena visar resultat från olika tillfällen med olika utrustningar.

I förberedelse till att utnyttja företagets laborationslokaler för provning av prototyper så användes JTH:s prototypverkstad (Jönköpings Tekniska Högskola) som provisoriskt sålabb. Detta för att kunna utnyttja Väderstads labb till fullo och inte lägga ner värdefull testningstid på prototyper som inte fungerar. Då det inte fanns tillgång till den provutrustning som används av Väderstad AB för att simulera en komplett såmaskin när prover utfördes på JTH fick detta improviseras med utrustning som fanns tillgänglig. För att simulera luftflödet i transportslangarna användes prototypverkstadens tryckluftssystem. Tryckluftspistolen placerades i övre änden av transportslangen tillsammans med utsäde.

Då huvudfunktionen på uppfinningen är att minska utgångshastigheten på utsädet så måste en repeterbar mätmetod användas. Metoden som använts är videogranskning av utsädet. Koncepten filmades med en höghastighetskamera framför en bakgrund med 100mm höga ränder på. Mynningen på koncepten placerades 50mm över den rand som kommer fokuseras på, detta för att hinna lokalisera ett frö att mäta. Vid senare provningar kom ett genomskinligt rör att monteras vid mynningen på konceptet, detta rör skall representera såbillsröret. Se figur 19 där provningsmetoden skildras.

Ränderna har ett konstant mellanrum på 100 mm och kameran tar 240 bilder per sekund. Genom att studera på en bild i taget, och räkna hur många bilder det tar för ett specifikt frö att färdas 100 mm och sedan multiplicera antalet bilder med 1/240 dels sekund så blir produkten tid per

100mm. Detta kan sedan konverteras för att få ut meter per sekund. Formeln som är använd ser ut som följande.

𝜐 =

240)

Där

Kamerautrustningen som användes var den inbyggda kameran i telefonen Samsung S9 som kan växla mellan att filma mellan 240 bilder per sekund och 960 bilder per sekund. [14]

Resultatet från provningarna på JTH var lovande. Provningarna visade även att simuleringarna gjorda i CFD-programmet var tillräckligt nära verkligheten för att vara ett hjälpande verktyg i CAD-moduleringen. Figur 19 visar en stillbild från videogranskningen gjort på koncept Elefant. I figuren syns det att utsädet hoppar över den första öppningen som tänkt och fortsätter till såbillsröret.

Resultatet i tabell 5 visar de olika koncept testat med utsädet vete.

Provning JTH

[m/s] Sänker v (3) med:

Bara slang 3 0%

Amazone N/A N/A

Elefant 1,85 40%

Spiral 1,6 47%

Trappan 1,6 47%

Tabell 5: Resultat av provning med vete på Jönköpings Tekniska Högskola.

Under provningarna i Väderstad AB:s sålabb användes den utrustning som skall simulera korrekta luftflöden samt korrekt mängd utsäde. Vid denna provning användes det genomskinliga såbillsröret. Resultaten från denna provning visar att koncepten sänker fröhastigheten även med betydligt högre lufthastigheter än vad som kunde uppnås på JTH. Tabell 6 visar resultat av provning med utsädet vete på Väderstad AB.

Tabell 6: Resultat av provning med vete på Väderstad AB.

Provning VAB [m/s] Sänker v (7,38) med: Såbillsrör 7,38 0% Gravitation 3 N/A Amazone 4,8 35% Elefant 3,7 50% Spiral 3,2 57%

4.3.4

GATE 2 - Konceptsållning

För att passera Gate 2 och föra projektet framåt till Utvecklingsfasen så krävdes det att sålla bland de framtagna koncepten. Sållningen skedde kontinuerligt under konceptfasens gång samt under ett möte tillsammans med den fokusgrupp som är insatta i projektet på Väderstad AB. Fokusgruppen består av projektägare, handledare, produktexperter samt konstruktörer. Under mötet presenterades de mätresultat från de provningar som utförts samt hur de olika koncepten uppfyller de uppsatta kraven. Kommentarerna för varje koncept såg ut som följande.

Koncept – Coanda

Detta koncept skrevs ut med 3D-skrivare och testades genom att blåsa i inloppet med en lufttryckspistol. Det var genast tydligt att tillräckligt mycket luft inte blev evakuerad och att konceptet då inte skulle vara effektivt nog för att uppfylla målet. Konceptet blev bortsållat tidigt i projektet. Däremot märktes det att Coandăeffekten fungerar, och denna kom att påverka utformningen av kommande koncept.

Koncept – Spiral

Spiralen är det koncept som är mest effektivt i att evakuera luft och sänka fröhastigheten. Detta koncept var med vid Gate 2-mötet. Det Spiral föll på var att den är känslig för utomstående faktorer. Den måste vara helt lodrät för att förhindra att utsäde fastnar i geometrin. Den föll även på något som inte har varit med som krav sedan projektstart, smutstålighet. Det finns risk att perforeringen i skalet fylls igen av smuts, både från en lerig åker samt damm och partiklar ifrån utsädet. Om perforeringen sätts igen så kommer all luft åka ned i såbillsröret och då är funktionen borta.

Koncept – Turbin

Turbinen lämnade aldrig CAD-stadiet. Konceptet har gissningsvis potential att ha en god funktion, men ansågs för komplex för att vidareutveckla. Huvudfunktionen ville uppnås utan rörliga delar.

Koncept – Trappa

Trappan sållades bort då den likt spiralen är smutskänslig. Trappan gav inte heller ett jämnt flöde av utsäde då ett frö kunde studsa oberäkneligt många gånger inuti geometrin. Konceptet var även vinkelkänsligt och utsäde hade tendenser att fastna på trappstegen.

Koncept – Elefant

Elefanten är det koncept som uppfyllt samtliga krav, även det nytillkomna kravet om smutstålighet. Beslut togs att vidareutveckla detta koncept i utvecklingsfasen.

4.4 Utvecklingsfas

Figur 20: Examensarbetets utvecklingsfas

Resultatet från provningarna i konceptfasen var tillräckliga för att tillfredsställa de uppsatta kraven, däremot går koncept alltid att förbättra. Utvecklingsfasens huvudmål var att optimera separatorn så mycket som möjligt i mån av tid. Det som fokuserades och prioriterades under utvecklingsfasen var optimering av funktion och storlek på separatorn. Se figur 20 där examensarbetets utvecklingsfas skildras.

Konceptet Elefant visade bra egenskaper och prestanda vid provningarna och vid kontroll mot kravspecifikationen. Optimering av konceptet Elefant bestod bland annat av att få fröhastigheten att sänkas ytterligare, att eventuellt minska storleken på separatorn, samt konstruera de skarvar där separatorn möter transportslang och såbillsrör. Detaljkonstruktion av separatorn påbörjades med hjälp av CAD och CFD-simuleringar. Här lades även fokus på att arbeta med formen för en rundare design.

v4 v5 v6 v7 v8 v9 v10 v11 v12 v13 v14 v15 v16 v17 v18 v19 v20 v21 v22 Problemanalys Kundkrav Konkurrensanalys Konstruktionskrav Kravspecifikation Konceptgenerering Konceptsållning Detaljkonstruktion Provning Rapport Framläggning av projekt Avstämningsmöten Fas 4

-Planering Koncept Utveckling Redovisning

Fas 1 - Gate 1 Fas 2 - Gate 2 Fas 3 - Gate 3

Elefant Rund

Konceptet Elefant modellerades med en rundare design och med näst inpå samma mått som originalkonceptet. Se figur 21 samt 22 för illustreringar av vidareutvecklade koncept. De utsatta måtten i figur 21 har enheten mm.

Figur 21: Jämförande illustrering av vidareutvecklat koncept, mått i mm

Vid den övre öppningen där transportslangen ansluts vidgades hålet så att transportslangen förs in i separatorn istället för att slangen träs utanpå separatorn. Detta gjordes för att få ett jämnare flöde och inte få en kant där utsädet kan studsa på.

Elefant liten

I ett försök att göra konceptet mindre skalades Elefant ned. Anledningen var att testa om geometrin behövde utnyttja hela den geometribox som fanns samt att en mindre geometri resulterar i en lägre materialkostnad samt mindre risk för att separatorn sammanstöter med intilliggande redskap. Resultat från provningar var inte lyckade. För stor del av utsädet far ut genom fel hål, och för mycket luft åkte ut genom såbillsröret. Då denna variant inte tillverkades med en genomskinlig sida var det svårt att studera hur utsädet betedde sig inuti. Med rimlig sannolikhet var kröken innan hoppet för skarp och utsädet hade då inte tillräckligt med rörelsemoment för att hoppa över den första öppningen. Dessvärre var 3D-modellen inte kompatibel att göra CFD-simulering på, på grund av en oduglig mesh-skapning mellan skarv vid såbillsrör och öppningen för luftevakuering. Då GATE 3 skulle passeras nästkommande dagar lades inte mer tid på att försöka lösa dessa problem som den mindre varianten av Elefant innehade. Se figur 23 för illustrering av vidareutvecklat koncept ”Elefant liten”. De utsatta måtten i figur 23 har enheten mm.

4.4.1

GATE 3 – Slutligt koncept

Utvecklingsfasen resulterade i en förfinad version av Elefant rund. Det har adderats detaljer för att underlätta montering av transportslang. Ett märkbart stopp för slangen på insidan samt ett spår för den slangklämma som skall fästa slangen i separatorn och fästa separatorn på en fästplåt. Fyra skruvtorn har även lagts till, dessa tillåter separatorn att bli isärplockad för invändig rengöring. Det har inte skett några beräkningar på hur många skruvar eller vilken dimension de bör ha för att klara de belastningar separatorn kan utsättas för, dessa är endast tänkt för att testa idén. En förstärkningsribba har även lagts till i innerradien på kröken för att göra kröken styvare. Mynningen som leder ned i såbillsröret har förlängts och justerats i diameter för att få en bra passform mot såbillsrörets innerväggar.

Denna slutliga version av separatorn skrevs ut i två varianter med två olika material, en i ABS-plast och den andra i TPU (Thermoplastic Polyurethane). Varianten i ABS är i hårdplast och besitter de fyra skruvtorn och möjligheten att skruvas isär. Versionen tillverkad i TPU är mjuk jämfört med ABS. Det mjuka materialet är tänkt att vara mer beständig mot nötning, flexiblare i passform och tåla vibrationer som separatorn kan utsättas för. Utvärderingen om vilken variant som är mer fördelaktig, eller om de skall kombineras, kommer att överlämnas till Väderstad AB att utföra. Se figur 24 för en överblick och förklaring av höger halva av tvådelad modell, Elefant. Se figur 25 samt 26 för en överblick av slutligt koncept i mjuk samt hård plast. De utsatta måtten i figur 24 har enheten mm.

Fästanordning

Då de slutliga prototyperna monteras på såbillsarmen krävs det en fästanordning. Vid utformandet av fästanordningen valdes 5mm tjock plåt med hål för skruvförband samt borttaget material för slangklämma där skarven till transportslangen är positionerad. Fästanordningen togs fram för att inte förändra eller påverka de närliggande befintliga komponenterna. Fästanordningen beräknades inte för att klara av laster och spänningar utan togs enbart fram för att i praktiken kunna positionera de slutgiltiga prototyperna vid såbillen. Fästanordningen togs fram med hjälp av John Johansson på Väderstad AB. Fästanordningen fyller syftet att positionera det slutliga konceptet vid såbillsarmen med hjälp av en bygel utformad för fyrkantsrör som tillåter fästanordningen att skruvas på plats med hjälp av två muttrar.

Transportslangen förs in i den slutliga separatorn, sedan nyttjas en slangklämma för att positionera separatorn vid fästanordningen. Då det uppstår dragkrafter från transportslangarna fördelas dragkrafterna till fästanordningen vilket resulterar i att separatorn inte påverkas nämnvärt av några yttre dragkrafter. Se figur 27 för illustrering av separatorn Elefant med fästanordning till såbillsarm.

Figur 27: Elefant separator med fästanordning till såbillsarm.

4.5 Redovisningsfas

Figur 28: Examensarbetets redovisningsfas.

Redovisningsfasen är den fas när projektet och resultatet presenteras för projektbeställaren. På grund av tidsavgränsningen projektet innehavt så har verifieringsfasen där det slutliga konceptet ställs mot kravspecifikationen i verkliga miljöer inte utförts. Däremot har det slutliga konceptet utvärderats mot kravspecifikationen för att bedöma hur det slutliga konceptet uppfyller kraven som sattes i kravspecifikationen under planeringsfasen. Se figur 28där examensarbetets redovisningsfas skildras. v4 v5 v6 v7 v8 v9 v10 v11 v12 v13 v14 v15 v16 v17 v18 v19 v20 v21 v22 Problemanalys Kundkrav Konkurrensanalys Kravspecifikation Konstruktionskrav Konceptgenerering Konceptsållning Detaljkonstruktion Provning Rapport Framläggning av projekt Avstämningsmöten Fas 4

-Planering Koncept Utveckling Redovisning

Fas 1 - Gate 1 Fas 2 - Gate 2 Fas 3 - Gate 3