Rening av processvätskor inom industrin
Utveckling av en syrafast pappersfilterhållare för partikelavskiljningPurification of process fluids in industries
Development of a acid resistant filter holder for particle separationJosefin Faber, Julia Monika Stanikowska
Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling/Produktrealisering
Linköpings universitet
TQMT11, Våren 2021
Handledare: Fredric Malm Examinator: Peter Hallberg
ISRN: LIU-IEI-TEK-G–21/02001—SE Linköpings universitet SE-581 83 Linköping, Sverige 013-28 10 00, www.liu.se
Förord
Detta examensarbete har utförts som ett avslutande moment av treårig högskoleingenjörsutbildning inom område maskinteknik på Linköpings universitet. Arbetet omfattar 16 hp och utfördes på uppdrag av Mercatus Engineering AB från Vimmerby.
Vi vill tillägna ett stort tack till Mercatus Engineering AB för möjligheten att utföra detta spän-nande examensarbete. Vi riktar ett särskilt tack till handledaren på Mercatus Sebastian Gunnarsson som med stort engagemang och tålamod svarade på våra frågor och vägledde oss genom hela arbetet.
Vi vill även tacka handledaren Fredric Malm samt examinatorn Peter Hallberg vid Linköpings universitet för deras råd och vägledning.
SAMMANFATTNING
Mercatus Engineering AB arbetar med teknik för rening av processvätskor. I sitt utbud har dem bland annat ett så kallade pappersfilter som används för att filtrera bort grövre partiklar. Problemet med det befintliga filtret är att den inte är användarvänlig, har ineffektiva tätningar samt att det rostar. Syfte och mål med arbetet var att utveckla en effektivt och användarvänligt filter tillverkat i korrosionsbeständigt material och med det bidra till en förbättrad vattenrening inom industrimiljön. Arbetsgången baserades till stor del på Ulrich och Eppingers utvecklingsmetodik och omfattade tre huvudfaser. I konceptut-vecklingsfasen genererades och utvärderades koncepten medan det under systemnivådesign skapades grundgeometri och material- samt komponentval gjordes. Sista fasen var detaljnivådesign och då togs den slutliga konstruktionen fram. Då gjordes även analys av producerbarhet samt användarvänlighet. Resultatet blev en CAD-modell av ett pappersfilter med en innovativ lösning för hantering av filterduken samt tillhörande komponentlista.
ABSTRACT
Mercatus Engineering AB works with technology for purification of process fluids. In their range, they have, among other things a so-called paper filter that is used to filter out coarser particles. The problem with the existing filter is that is not user-friendly, has inefficient seals and that it rusts. The purpose and goal of the work was to develop an efficient and user-friendly paper filter made out of corrosion-resistant material an thereby contribute to an improved water purification in the industrial environment. The workflow was largely based on Ulrich och Eppinger’s development methodology and included three main phases. In the concept development phase, the concepts were generated and evaluated, while in system-level design basic geometry was created and material and component choices were made. The last phase was detail design and then the final construction was developed. Then an analysis och producibility and user-friendliness was also made. The result was a CAD model of a paper filter with an innovative solution for feeding the filter cloth and also associated component list.
Nomenklatur
CAD - Computer-aided design
Creo Parametric - program för 3D-modellering
FMEA - Failure mode and effects analysis - feleffektanalys, en metod som används för att iden-tifera och analysera möjliga riskfaktorer
Granta EduPack - program med bland annat databaser över material och deras egenskaper
Rationella tillverkningsmetoder - I detta sammanhang avses väl valda och rimliga med hänsyn till kostnad, materialtillgång samt tillgång på kompetens
Innehåll
1 Inledning 1 1.1 Bakgrund . . . 1 1.2 Syfte . . . 2 1.3 Mål . . . 2 1.4 Frågeställning . . . 2 1.5 Avgränsningar . . . 3 2 Metod 4 2.1 Planering . . . 4 2.2 Konceptutveckling . . . 4 2.3 Systemnivådesign . . . 4 2.4 Detaljnivådesign . . . 4 3 Teori 5 3.1 Komponenter . . . 5 3.1.1 RollerDrive . . . 5 3.1.2 Magnetisk nivåvakt . . . 5 3.1.3 Avståndsensor . . . 6 4 Genomförande 7 4.1 Planering . . . 7 4.2 Konceptutveckling . . . 84.2.1 Kunduttalanden och kundbehov . . . 8
4.2.2 Kravspecifikation . . . 8 4.2.3 Marknadsanalys . . . 9 4.2.4 Konceptgenerering . . . 9 4.2.5 Konceptutvärdering . . . 14 4.3 Systemnivådesign . . . 15 4.3.1 Enkel CAD-modell . . . 15 4.3.2 Materialval . . . 16 4.3.3 Komponentval . . . 19 4.3.4 FMEA . . . 24 4.4 Detaljnivådesign . . . 26
4.4.1 Mekanisk sammansättning och funktion . . . 26
4.4.2 Detaljkonstruktion . . . 27
4.4.3 Analys av producerbarhet . . . 31
4.4.4 Analys av användarvänlighet . . . 33
5 Resultat 34 6 Diskussion 37 6.1 Metod och genomförande . . . 37
6.2 Resultat . . . 37
6.2.1 Effektivitet och miljö . . . 37
6.2.2 Rationell tillverkning . . . 38
7 Slutsatser 40
Bilagor 42
Bilaga 1 - Viktningsmatris . . . 42
Bilaga 2 - Konceptskisser . . . 43
Bilaga 3 - Concept screening matriser . . . 47
Figurer
1 Figuren visar ett pappersfilter som Mercatus har installerat hos en av sina kunder. . . 1
2 Tvärsnittet över filterhållarens mittplan. Den röda linjen visar hur filterduken träs över filtret medan de blåa pilarna representerar vattenflöde. . . 2
3 Produktutvecklingsfasen enligt Ulrich och Eppinger. Stegen med gråa ramar är de som genomfördes i detta examensarbete. . . 4
4 Figuren visar uppbyggnad av en motoriserad vals. Använd med tillstånd. . . 5
5 Figuren visar hur en magnetisk nivåvakt fungierar. Reed-omkopplaren inuti röret stängs när magneten kommer i närheten. Använd med tillstånd. . . 6
6 Figuren presenterar WBS för utveckling av filterhållaren. Den blåa färgen representerar huvudmoment medan den gula färgen representerar delmoment. . . 7
7 Klassifikationsträdet med lösningar på delproblem som framkom i de genererade skis-serna. . . 10
8 Skiss av koncept A. Filderduken ligger på ett nät som roterar med hjälp av en eller två trummotorer. . . 11
9 Koncept B där den perforerade plåten läggs plant och dess kanter vinklas uppåt för att undvika läckage av förorenad vätska till behållare med renad vätska. . . 12
10 Koncept C där filterduken matas fram med hjälp av två trummotorer med gummibelägg-ningar i form av kugghjul med rundade kanter. . . 12
11 Koncept D med spår för förorenad vätska som har läckt vid kanterna. Den förorenade vätskan rinner ner till en behållare som i sin tur är vinklad bakåt så att vätskan kan samlas i ett externt kärl. . . 13
12 Figuren visar en enkel modell av filterhållaren. . . 16
13 Materialkraven kopplade till huvudkonstuktionen som matades in i Granta EduPack. . . 17
14 Materialfamiljerna som uppfyller kraven för huvudkonstruktionen. . . 17
15 De varaktighetskrav som ställdes på tätningsmaterialet under gallringen i Granta EduPack. 18 16 Materialfamiljerna som uppfyller kraven för huvudkonstruktionen. . . 18
17 Figuren visar den av tillverkaren angivna brottgränsen för en filterduk med tjockleken 0.19 mm. . . 22
18 Figuren visar de olika versioner av 50 Watts rullar och deras moment. . . 23
19 Figuren visar en förenklad sprängbild av modellen. . . 26
20 Figuren visar skyddskåan som täcker över valsarna och minimerar klämrisk. . . 27
21 Figuren visar klämplåt med tillhörande o-ringssnöre. . . 28
22 Figuren visar täckplåt med gummilist och tillhörade vinkelplåt. . . 28
23 Figuren visar tvärsnittet av vätskefördelaren. . . 29
24 Figuren visar hur filterpapprets väg genom hållaren påverkas av axlarnas placering. . . . 30
25 Figuren visar ett monterat axelfäste med tillhörande axel. . . 30
26 Figuren visar valsbeläggning med kugghjulsform. . . 31
27 Figuren visar två exempelritningar. . . 32
28 Den slutliga CAD-modellen sett från vänster. Den ljusgråa lådan med oranga tryckknap-par symboliserar en elektroniklåda. Den röda knappen är ett nödstopp. . . 34
29 Figuren visar CAD-modellen sett från höger. På den vänstra långsidan syns de två nivå-vakterna. . . 35
30 Figuren visar närbild på främre delen av filterhållaren. För att visa valsarna med belägg-ningen togs skyddskåpan bort i denna vy. . . 35
31 Figuren visar närbild av filterdukshållaren samt signaltornet och avståndssensorn. . . 36
34 Olika varianter av nivåvakter. . . 43 35 Koncept där filterduken matas fram med hjälp av roterande nät som drivs med två rullar. 44 36 Nät-idéer. . . 44 37 Helhetskoncept där filterduken matas fram med två trummotorer med
gummibeläggning-ar. Vid kanterna monteras en plåt med gummibeläggning för bättre tätning. . . 45 38 Olika varianter av valsar. . . 45 39 Koncept där filterduken matas fram med hjälp av trummotor. Vid kanterna kläms
filterdu-ken med en plåt med två tätningslister i. En magnetisk nivåvakt används för att indikera vattennivå i behållaren. . . 46 40 Koncept där tätning monteras på en rund skiva och roterar med samma hastighet som
filterduksbandet. . . 46 41 Figuren visar en sprängvy med ballonger och tillhörande komponentlista. . . 49 42 Figuren visar förenklade ritningar av baksidan, vätskefördelaren och hållaren för
filter-rullen. . . 50 43 Figuren visar förenklade ritningar av klämplåt, skyddskåpa och perforerad plåt. . . 51 44 Figuren visar förenklade ritningar av backstycke, fäste mellan långsida och
vätskeförde-laren samt vinklad plåt. . . 52 45 Figuren visar förenklad ritning av fäste mellan vätskefördelaren och långsidan. . . 53
Tabeller
1 Kunduttalande och tolkade behov . . . 8 2 Kravspecifikationen med marginal- och idealvärde. Första kolumnen till vänster visar till
vilka behov kraven är kopplade . . . 9 3 Tabellen med krav och de normerade värden . . . 9 4 Resultatet av den sista iterationen av Concept screening, med koncept C som referens . . 14 5 Concept scoringutfördes för koncept B, C och D . . . 15 6 Del 1 av tabellen med komponenter som används i konceptet [2], [3], [4], [5]. Använda
med tillåtelse . . . 20 7 Del 2 av tabellen med komponenter som används i konceptet . . . 21 8 FMEA-matris för filterhållaren. Fel med högsta risktalet var klämrisk samt att förorenad
vätska hamnar i behållare med renad vätska. . . 25 9 Concept screening där koncept A är referensen. . . 47 10 Concept screening där koncept B är referensen. . . 48
1
Inledning
I detta kapitel presenteras examensarbetet bakgrund, syfte och mål samt frågeställningar och avgräns-ningar.
1.1 Bakgrund
Mercatus Engineering AB är ett mindre företag placerat i Vimmerby, Småland. Företagets drygt 30 anställda arbetar bland annat med teknik för rening och återvinning av förorenade vätskor från till exempel industrier, verkstäder och värmekraftverk. [6]. Deras utbud är stort och består av allt från mindre pappersfilter för skärvetskerening, utrustning för spånavskiljning till kompletta anläggningar för processvätskerening. En av deras produkter är ett så kallad pappersfilter bestående av en behållare och en filterduk, se Figur 1.
Figur 1 Figuren visar ett pappersfilter som Mercatus har installerat hos en av sina kunder.
Denna typ av filter används tidigt i reningsprocessen för att filtrera bort grövre partiklar och oljor från bland annat skärvätskor. Den renade vätskan återanvänds i industrin eller transporteras vidare för ytterligare filtrering. Konstruktionen består av en behållare med en vinklad, perforerad plåt. På behållaren monteras en pappersfilterrulle som dras över plåten och spänns fast på en axel där den förbrukade filterduken sedan rullas upp. Förorenat vatten rinner genom filterpappret som fångar upp partiklar medan den renade vätskan rinner vidare till behållaren under filtret. Filterdukens väg genom behållaren samt vattenflödet presenteras i Figur 2. När pappersduken efter en tid blir igentäppt av partiklar stiger vattennivån i behållaren och en nivåvakt aktiveras. Då sker en frammatning av nytt filterpapper. Konstruktionen innehåller även två givare som indikerar om det fortfarande finns papper kvar på den rena rullen samt om upprullningsaxel med förbrukat papper är full. Anläggningen kan beställas i olika storlekar och kan anpassas efter applikation. Filterduken förekommer i olika tjocklekar som kan användas för såväl grovavskiljning som djupare filtrering [7].
Figur 2 Tvärsnittet över filterhållarens mittplan. Den röda linjen visar hur filterduken träs över filtret medan de blåa pilarna representerar vattenflöde.
Idag har Mercatus ingen egen produktion och därför köper de kompletta pappersfilterhållare av olika leverantörer som tillverkar dem i kolstål. En stor nackdel med detta material är att det korrigerar i sura miljöer vilket medför att filterhållaren måste bytas ofta. När rullen med förorenat papper behöver tömmas uppstår ibland problem till följd av att pappret rullats upp för hårt på upprullningsaxeln. Då krävs det att operatören använder verktyg, exempelvis en slaghammare eller vass kniv, för att få loss pappret. Detta anses ur ett användarperspektiv vara oergonomiskt och onödigt krångligt. De upplever också problem med läckning då förorenad vätska rinner direkt vidare till tanken för renad vätska då tätningarna på sidorna av filtret inte är tillräckligt effektiva. Mercatus vill därför titta på möjligheten att i egen regi kunna tillverka en komplett, användarvänlig pappersfilterhållare i ett korrosionsbeständigt material som dessutom har effektiva tätningar och är enkel att tillverka. Den möjligheten kommer undersökas i detta examensarbete.
1.2 Syfte
Syftet med examensarbetet är att genom utvecklingen av en pappersfilterhållare bidra till en effektiv vattenrening inom industrin och därmed minska industriernas negativa miljöpåverkan.
1.3 Mål
Målet med arbetet är att under 10 veckor utveckla en syrabeständig, effektiv, användarvänlig samt skalbar papperfiltershållare som Mercatus Engineering AB kan tillverka i egen regi. Det ska resultera i en CAD-modell med tillhörande komponentlista.
1.4 Frågeställning
Följande frågor kommer undersökas och ska besvaras i rapportens resultat:
• Hur ska filterhållaren konstrueras för att vara effektiv samt användarvänlig? • Hur anpassas konstruktionen för rationella tillverkningsmetoder?
1.5 Avgränsningar
De avgränsningar som gjorts listas nedan.
• Inga färdiga tillverkningsritningar ska tas fram. • Elkonstruktionen lämnas åt Mercatus.
• Filterhållaren måste vara skalbar från 300 mm till 1000 mm men CAD-modellen som tas fram i examensarbetet dimensionneras för filterduksbredden 500 mm.
2
Metod
De metoder som användes bestod främst av den produktutvecklingsmetodik som instrueras i boken Pro-duct Design and Development, Ulrich och Eppinger [8]. Där delas utvecklingsfasen in i sex stycken delar, se Figur 3.
Figur 3 Produktutvecklingsfasen enligt Ulrich och Eppinger. Stegen med gråa ramar är de som genom-fördes i detta examensarbete.
Till följd av arbetets utformning, där målet inte omfattar vare sig prototypbygge, tester, tillverknings-ritningar eller lansering av produkten ströks de sista faserna, Testing and Refinement och Production Ramp-up. Även den inledande fasen, Planning, föll utanför detta projekts ramar och ersattes av WSB, Work Breakdown Structure, som presenteras under rubriken 4.1 Planering. De tre kvarvarande faserna bestod av flera delmoment. Med hänsyn till tillgängliga resurser och tidsomfattning valdes de som an-sågs praktiskt genomförbara samt av intresse för resultatet ut och genomfördes. Ytterligare ett par steg och strategier som ej behandlas under Ulrich och Eppingers [8] adderades. Samtliga listas nedan. 2.1 Planering
Den metod som ska användas för att skapa överblick över projektets mål och delmål är WBS. Strategin beskrivs i boken Projektledning, Hallin och Gustavsson [9] och börjar med att projektteamet först re-sonerar relativt fritt, utifrån sina erfarenheter, kring vilka moment som ska göras och i vilken ordning. Detta resulterar i en total, visuell bild över alla ingående moment.
2.2 Konceptutveckling
Under denna fas kommer den befintliga marknaden studeras och kundens behov identifieras. Dessa be-hov ska omarbetas till en kravspecifikation. Därefter genereras ett antal koncept som utvärderas och rangordnas efter hur väl de uppfyller kraven. Det koncept som bäst tillgodoser kravspecifikationen kom-mer därefter väljas ut för vidare utveckling.
2.3 Systemnivådesign
Under systemnivådesign kommer materialval och grundgeometri (enkel CAD-modell) för huvuddesig-nen göras. De olika ingående kompohuvuddesig-nenterna ska väljas med hänsyn till slutproduktens skalbarhet och användarvänlighet. Dessutom ska en FMEA-analys genomföras.
2.4 Detaljnivådesign
I denna fas kommer de slutgiltiga specifikationerna av geometrin (CAD-modell) tas fram. Producer-barheten och samspelet mellan komponenterna kommer analyseras och utvecklas. Även en analys av användarvänligheten kommer göras.
3
Teori
I detta kapitel beskrivs den teori som användes i examensarbetet. 3.1 Komponenter
Här presenteras teori om komponenter vilka användes i konstruktionen. 3.1.1 RollerDrive
RollerDrive, likt en trummotor, är en motoriserad vals som traditionellt sett används i bandtransportörer och rullbanor [10]. Dess uppbyggnad presenteras i Figur 4. Rullen drivs av en borstlös likströmsmotor som har låg energiförbrukning. RollerDrive har brett hastighetsområde och kan därför anpassas till olika applikationer.
Figur 4 Figuren visar uppbyggnad av en motoriserad vals. Använd med tillstånd.
3.1.2 Magnetisk nivåvakt
Magnetiska nivåvakter tillverkas i såväl rostfritt som syrafast stål eller plast vilket gör att de kan användas i många applikationer. Tack vare deras materialegenskaper klarar de aggressiva miljöer och tål höga temperaturer. Deras konstruktion är enkel, de består av en eller flera flottörer med magneter som sitter runt ett rör. Inuti röret finns det en reed-omkopplare som påverkas när magneten kommer i närheten och ett magnetiskt fält uppstår, se Figur 5 [11].
Figur 5 Figuren visar hur en magnetisk nivåvakt fungierar. Reed-omkopplaren inuti röret stängs när magneten kommer i närheten. Använd med tillstånd.
3.1.3 Avståndsensor
Optiska avståndgivare skickar ut en laser- eller ljusstråle mot ett objekt eller en reflektor och mäter hur lång tid det tar för ljuset att återvända till givaren eller hur signalen har förändrats [12].
4
Genomförande
I detta kapitel presenteras genomförandet av de fyra huvudfaserna och deras delresultat. 4.1 Planering
En WSB över alla huvud- och delmoment sattes upp och visas i Figur 6.
Figur 6 Figuren presenterar WBS för utveckling av filterhållaren. Den blåa färgen representerar huvud-moment medan den gula färgen representerar delhuvud-moment.
4.2 Konceptutveckling
Under denna fas identifierades kundens behov som sedan omarbetades till krav och i förlängningen till kravspecifikation. Därefter gjordes en enklare marknadsanalys för att undersöka det befintliga utbudet samt identifiera konkurrerande produkters styrkor och svagheter. Sedan togs ett antal koncept fram, som utvärderas och testas utefter hur väl de uppfyllde den satta kravspecifikationen. Slutligen valdes det mest lovande konceptet ut för vidare utveckling.
4.2.1 Kunduttalanden och kundbehov
Ett par intervjuer med representanter från Mercatus genomfördes och deras uttalanden och resonemang återges som uttalanden i tabellen nedan, Tabell 1. Uttalandena numrerades och omformulerades till behov kopplade till filterhållarens önskade egenskaper. Även dessa tolkade omformuleringar redovisas i Tabell 1.
Tabell 1 Kunduttalande och tolkade behov
Nummer Kunduttalande Tolkat behov
1 Filter ska kunna användas för alla vätskor som ska renas. Materialet tål korrosiva medel. 2 Det ska vara lätt att byta papper. Konstruktionen är användarvänlig. 3 Tätningar som klämmer pappersfilter måste göras om. Tätningarna håller tätt.
4 Det är inte bra att det samlas skräp under förbrukade filtret. Det samlas inte skräp under det förbrukade filtret. 5 Hållaren måste kunna tillverkas i olika bredd. Konstruktionen är skalbar.
6 Skyddskåpan vid motorn behövs inte så länge komponenterna
under tål omgivande miljö. Väl valda komponenter. 7 Nivåvakt borde ha fler larmnivåer. Nivåvakt med flera larmnivåer. 8 Det ska vara billigt att tillverka. Enkel konstruktion.
9 Packningar måste tåla olja samt basiska och sura vätskor. Packningana tål olja, basiska och sura vätskor. 10 Packningarna måste tåla minst 60 grader. Värmebeständigt tätningsmaterial.
11 Bättre lösning för överfyllnadsskyddet. Överfyllnadsskyddet fungerar. 12 Mikrobrytaren aktiveras fastän det är mycket papper
kvar på rullen. Justerbart larm för när pappersrullen behöver bytas. 13 Filterhållaren borde hålla i minst 15 år. Produktens livslängd är 15 år.
14 Komponenterna måste tåla vatten. Komponenterna tål vatten. 15 Utrymme i industrilokarer är begränsad. Produkten är kompakt.
4.2.2 Kravspecifikation
Genom att översätta de tolkade kundbehoven till mätbara produktegenskaper sattes en kravspecifikation samman, se Tabell 2. Varje egenskap tilldelades en enhet med tillhörande marginal- respektive idealvär-de. I tabellens första kolumn visas vilka kundbehov som respektive krav tillgodoser.
Tabell 2Kravspecifikationen med marginal- och idealvärde. Första kolumnen till vänster visar till vilka behov kraven är kopplade
Kundbehovsnummer Krav Enhet Marginalvärde Idealvärde
1, 9, 10 Materialkrav Binär JA JA
2, 4 Användarvänlig Binär JA JA
3, 7, 11 Driftsäker Binär JA JA
7 Larmnivåer Antal >2 3
10 Värmebeständighet °C >60 70
5 Anpassningsbar bredd Binär JA JA
8 Tillverkningskostnad SEK <45000 35000
6, 15 Komponenter tål omgivande industrimiljö Binär JA JA
12 Övervakningslarm för pappersfilter Binär JA JA
13, 1 Livslängd År >13 20
14 Vattentåliga komponenter IP >65 67
Därefter överfördes kraven till en viktningsmatris där de viktas mot varandra. Resultatet blir en enkel rangordning, baserad på deras normerade värde (siffra 0–5). Det normerade värdet visar kravets betydelse relativt de andra. Detta presenteras i Tabell 3. För att se viktningsmatrisen i sin helhet, se Bilaga 1.
Tabell 3 Tabellen med krav och de normerade värden
Nummer Krav Normerat värde
1 Materialkrav 5 2 Värmebeständighet 4,2 3 Driftsäker 3,8 4 Anpassningsbar bredd 3,8 5 Vattentåliga komponenter 3,8 6 Larmnivåer 2,6
7 Komponenter tål omgivande industrimiljö 2,6
8 Livslängd 2,6
9 Tillverkningskostnad 1,8
10 Användarvänlig 1,4
11 Övervakningslarm för pappersfilter 1,4
4.2.3 Marknadsanalys
Marknadsanalys utfördes för att se hur liknande produkter ser ut samt hur olika delproblem löstes. För-delar och nackFör-delar med dem befintliga lösningarna diskuterades i gruppen.
4.2.4 Konceptgenerering
Med avstamp i insikterna från marknadsanalysen började projektmedlemmarna separat skissa ett antal konceptförslag som innehöll såväl hela koncept som dellösningar. Ett urval av dessa skisser visas i Bilaga 2. Dellösningarna som framkom i de olika skisserna sammanställdes i ett klassifikationsträd, se Figur 7.
De mest relevanta lösningarna, med hänsyn till kundbehoven och gruppens egna preferenser, för-finades och kombinerades till fyra stycken nya koncept. Varje kombinerat koncept tilldelades en bokstav och presenteras nedan.
Grundkoncepten är:
• A - Filterduken ligger på ett nät som drivs av en eller två trummotorer. Förbrukad filterduk samlas upp i en behållare, se Figur 8.
• B - Bottenplåten ligger plant medan dess kanter är vinklade uppåt för att i kombination med en klämplåt förhindra läckning, se Figur 9.
• C - Två trummotorer med beläggning drar filterduken framåt. Förbrukad duk samlas upp i en behållare. Inovativ variant av tätning, se Figur 10.
• D - Förorenad vätska som läckt igenom vid kanten av filterduken samlas upp i ett avrinningspår under bottenplåten. Spåret är vinklat bakåt och uppsamlad vätska rinner vidare till ett externt kärl dit även ett överfyllnadsskydd är kopplat, se Figur 11.
Figur 9 Koncept B där den perforerade plåten läggs plant och dess kanter vinklas uppåt för att undvika läckage av förorenad vätska till behållare med renad vätska.
Figur 10 Koncept C där filterduken matas fram med hjälp av två trummotorer med gummibeläggningar i form av kugghjul med rundade kanter.
Figur 11 Koncept D med spår för förorenad vätska som har läckt vid kanterna. Den förorenade vätskan rinner ner till en behållare som i sin tur är vinklad bakåt så att vätskan kan samlas i ett externt kärl.
Komponenter så som nivåvakt och sensorer för mätning av hur mycket eller lite papper som finns på en rulle var slumpvis inritade på de fyra grundkoncepten. Detta i syfte att visualisera vilka dellösninar som ansågs mest intressanta utan att i detta stadie låsa dem till ett specifikt koncept.
4.2.5 Konceptutvärdering
Koncept A, B, C och D presenterades för en representant från Mercatus och fördelar och nackdelar diskuterades. För att på ett så systematiskt och objektivt sätt som möjligt identifiera vilket av de fyra grundkoncepten som uppfyllde flest krav bäst genomfördes en concept screening. Genom att ett koncept valdes som referens kunde de övriga konceptens förmåga att uppfylla ett krav bedömas relativt referensen enligt:
• Bättre, som markerades med + • Likvärdig, som markerades med 0 • Sämre, som markerades med
-Detta gjordes i flera iterationer, där varje omgång hade ett nytt referenskoncept. Efter två iterationer rensades koncept A bort då det var tydligt underlägset de övriga tre. I Tabell 4 redovisas resultatet av den sista iterationen. För att se samtliga, se Bilaga 3.
Tabell 4 Resultatet av den sista iterationen av Concept screening, med koncept C som referens
Koncept namn: B C D Rangordning screening 2: 2 1 3 Krav Referens: X 1 Materialkrav 0 0 0 2 Värmebeständighet 0 0 0 3 Driftsäker - 0 -4 Anpassningsbar bredd 0 0 0 5 Vattentåliga komponenter 0 0 0 6 Larmnivåer - 0 0
7 Komponenter tål omgivande industrimiljö 0 0
-8 Livslängd 0 0 0 9 Tillverkningskostnad - 0 -10 Användarvänlig 0 0 -11 Övervakningslarm för pappersfilter 0 0 0 Antal + 0 0 0 Antal 0 8 11 7 Antal - 3 0 4 Nettovärde -3 0 -4 Rangordning 2 1 3
Vidareutveckling, markera med "X" X X X
Eftersom ingen av koncepten var dominant så överfördes de med bäst resultat, det vill säga B, C och D, till en matris för concept scoring. I den poängsattes varje koncept på en skala 0–5 utefter hur väl de uppfyllde respektive krav, detta i syfte att på en mer detaljerad nivå se hur bra de tillgodosåg kravspeci-fikationen. Den tilldelade poängen multiplicerades med varje kravs normerade värde från Tabell 3 och räknades samman till en totalpoäng. Resultatet visas i Tabell 5.
Tabell 5 Concept scoring utfördes för koncept B, C och D Koncept namn: B C D Krav r v t v t v t 1 Materialkrav 5 5 25 5 25 5 25 2 Värmebeständighet 4,2 4 16,8 4 16,8 4 16,8 3 Driftsäker 3,8 4 15,2 4 15,2 4 15,2 4 Anpassningsbar bredd 3,8 4 15,2 4 15,2 4 15,2 5 Vattentåliga komponenter 3,8 5 19 5 19 5 19 6 Larmnivåer 2,6 3 7,8 4 10,4 5 13
7 Komponenter tål omgivande industrimiljö 2,6 4 10,4 4 10,4 2 5,2
8 Livslängd 2,6 4 10,4 4 10,4 4 10,4
9 Tillverkningskostnad 1,8 4 7,2 5 9 2 3,6 10 Användarvänlig 1,4 4 5,6 4 5,6 3 4,2 11 Övervakningslarm för pappersfilter 1,4 3 4,2 3 4,2 3 4,2
Total 137 141 132
Antal svaga punkter 0 0 0
Rangordning 2 1 3
Beslut Går vidare med koncept C
Koncept C fick högst totalpoäng men som syns i tabellen fanns ingen markant skillnad mellan de tre. Toleransen för poängsättningen kan anses vara större än poängskillnaden och därför var det svårt att dra någon tillförlitlig slutsats enbart baserat på concept scoring. Men inom gruppen och tillsammans med handledaren på Mercatus fanns en intersubjektiv uppfattning om att koncept C även var det koncept som kändes mest innovativt och intressant och därför valdes det ut för fortsatt utveckling. Eftersom poäng-sättningen i concept scoring gjordes mot kravspecifikationen behövdes inget ytterligare koncepttest. 4.3 Systemnivådesign
Under denna fas gjordes först ett utkast av CAD-modellen. Därefter valdes ett lämpligt konstruktions-material med hänsyn till konstruktions-materialegenskaper, kostnad och tillverkningsmöjligheter. Konstruktionen mat-chades med komponenter som valdes baserat på kvalité, användarvänlighet och tillgänglighet. Slutligen gjordes en FMEA för att upptäcka vilka risker som behövde tas extra hänsyn till i nästkommande faser. 4.3.1 Enkel CAD-modell
För att få en bättre bild av den geometriska layouten i det valda konceptet modellerades en enkel CAD-modell i programmet Creo parametric, se Figur 12. De ingående komponeterna i denna CAD-modell är grovt modellerade och vissa av dem är överdimensionerade. Modellen var dock tillräckligt detaljerad för att förståelse för konceptets avgörande parametrar skulle fås. Till skillnad från skissen för koncept C har denna modell en vinklad plåt under dragvalsarna för att hantera eventuell spill av olja och andra vätskor som kan tryckas ut ur filterduken på grund av valsarnas tryck. Ett besluts togs också om att utesluta behållaren för uppsamling av förbrukad filterduk då det ansågs bättre att kunden själv kan montera dit den behållare som passar just deras behov.
Figur 12 Figuren visar en enkel modell av filterhållaren.
4.3.2 Materialval
Det högst viktade kravet var materialegenskaperna, därför behövde det säkerställas att alla ingående material uppfyller de krav som kommer ställas på filterhållaren. För att verifiera detta användes Granta EduPack som är en databas för information om bland annat material och processer. I den kan önska-de materialkrav och -egenskaper specificeras och resultera i en lista över önska-de material som uppfyller önska-dessa.
Konstruktionens huvudsakliga material är det som den perforerade bottenstycket samt huvudram är tillverkade av. Grundkraven som det behöver uppfylla, och som matades in i Granta Edupack, redovisas i Figur 13.
Figur 13 Materialkraven kopplade till huvudkonstuktionen som matades in i Granta EduPack.
Resultatet blev en lista med sju stycken möjliga kandidater, se Figur 14.
Figur 14 Materialfamiljerna som uppfyller kraven för huvudkonstruktionen.
Vid närmre undersökning av de enskilda materialfamiljerna visade det sig att de nickelbaserade legeringarna, vars korrosionsbeständighet beror på halten av krom och molybden, hade något längre livslängd än dem övriga i de flesta korrosiva miljöer [13].
Men när hänsyn också togs till tillgänglighet och pris var ett austenitiskt rostfritt stål, trots något kortare livslängd, ändå ett bättre val. Denna materialfamilj kännetecknas av hög krom- och nickelhalt i kombination med låg kolhalt och en mindre tillsats av molybden [13]. Tillsatsen av molybden gör stålet syrafast, vilket är önskvärt enligt kundbehoven. Ett av världens vanligaste konstruktionsmaterial, det syrafasta rostfria stålet EN1.4404 hör till denna familj och ansågs därför vara ett bra val för pappersfilterhållaren.
Tätningslisterna kommer, utan stort ingrepp eller hög kostnad, kunna bytas ut när de blivit slitna. Därför kategoriserades de som förbrukningsmaterial, vilket ledde till mindre strikta materialkrav än på huvudmaterialet. De varaktighetskrav som ställdes på tätningsmaterialet under gallringen i Granta EduPackvisas i Figur 15.
Figur 15 De varaktighetskrav som ställdes på tätningsmaterialet under gallringen i Granta EduPack.
Tätningen behöver också kunna utsättas för tillräckligt tryck för att hålla tätt mot filterduken, utan att plastiskt (bestående) deformeras. Inga precisa beräkningar ansågs behövas för att avgöra detta utan istäl-let sattes en relativt vid gräns (8-20 MPa) som tillåten sträckgräns. Det behövde också vara flamsäkert, klara en temperatur på minst 70°C och ha god motståndskraft mot oljor. Alla material som uppfyllde kraven, och alltså var godkända att använda som tätningsmaterial, visas i Figur 16.
Figur 16 Materialfamiljerna som uppfyller kraven för huvudkonstruktionen.
Fluorgummi, FKM, har bäst kemikalie-, värme- och oljebeständighet men ett betydligt högre pris än de övriga. Eftersom tätningarna är relativt små delar anses dock materialpriset vara av mindre betydelse och FKM bedöms vara det bästa alternativet.
Gällande beläggningen på valsarna är kraven ännu lägre ställda eftersom de inte kommer ligga under vatten på samma sätt som tätningarna, och därför kan anses mindre utsatta. Av samma anledning är kra-ven på värmebeständighet något mindre strikta. Därför anses mindre avancerade och billigare alternativ, som nitrilgummi och naturgummi, vara bra alternativ för valsbeläggningen.
4.3.3 Komponentval
Komponentval inleddes med en undersökning av leverantörer och producenter av komponenter som behövs för tillverkning av konceptet. Ett antal mail skickades till olika företag för att hitta passande komponenter samt få reda på deras ungefärliga kostnad. Avgörande faktorer vid val av komponenter-na var kvalitet, tillgänglighet, skalbarhet, användarvänlighet samt pris. När alla komponenter var valda sammanställdes dem i två tabeller, se Tabell 6 och 7.
RollerDrive EC5000 seriesfrån Interroll valdes som den drivande valsen. Den har maximal lastkapacitet på 1100 N och kan beställas i olika versioner, olika längder och med olika monteringsfäste [3]. För detta konceptet valdes det som monteringsvariant en gängad axel med mutter på ena sidan och ett gängad hål med M8 skruv på andra sidan. Rullen finns tillgänglig i två olika utföranden, 24V eller 48V samt med effekten 20W, 35W eller 50W. Den kan användas i temperaturområden från 0◦C till 40◦C och har skyddsklass IP54. Den maximala tillåtna arbetstemperaturen samt IP-klass är något lägre än de marginella värden bestämda i kravspecifikation. Men då valsen placeras högst upp på filterhållaren där temperaturen kommer vara lägre och mängden vätska kommer vara marginell ansågs den vara tillräckligt för denna applikation.
Att kontrollera att valsen är tillräckligt kraftfull för att dra fram filterduken ansågs, med hänsyn till olika vätskedensiteter och skjuvkrafter, kräva för omfattande undersökningar. Därför valdes istället en enklare variant där utgångspunkten var filterdukens brottgräns, se Figur 17. Det bedömdes att den största kraften som motorn möjligtvis kommer utsättas för är den som krävs för att dra sönder den starkaste filterduken som används.
Figur 17 Figuren visar den av tillverkaren angivna brottgränsen för en filterduk med tjockleken 0.19 mm.
Brottgräns = 190 N/5cm
190N/5cm = 950N/cm Filterdukens tjocklek = 0.019 cm
Fmax, f ilt erd uk= 950N/cm ∗ 0.019cm = 18.05N(1) M= F ∗ r(2)
Valsens radie = r = 0.035 m
Mmax,Rol l erDrive= 18.05N ∗ 0.035m = 0.63Nm(3)
Nominellt moment som kan levereras av de olika utväxlingarna inom 50 W visas i Figur 18. Den svagaste versionen ger ett moment på 0.63 Nm, vilket enligt beräkning (3) är just vad som krävs för att dra sönder filterduken.
Figur 18 Figuren visar de olika versioner av 50 Watts rullar och deras moment.
Conveyor Roller Series 1700 light valdes som odriven vals. Den kan beställas i olika utföranden. För detta konceptet valdes en variant med fjädrar på båda sidor av valsen. Fjädrarna möjliggör enkel installation av rullen då axeltapparna på sidorna kan tryckas hela vägen in vid montering och inga ytterligare fästen behövs.
För övervakning av vätskenivå i hållaren bestämdes det att använda två stycken magnetiska nivå-vakter, även kallade flottörbrytare, som monteras på långsidan av filterhållaren. Den typen av nivåvakt ansågs vara lämpligt för denna applikation då den är tillverkad i rostfritt stål, har IP67 och är anpassad för att användas i aggressiva vätskor. Den ansågs också vara enkel att både montera och göra rent. Valet att använda oss av två stycken separata istället för en mer avancerad variant med två larmnivåer basera-des på priset, tillgänglighet samt möjligheten att fritt kunna välja önskad avstånd mellan larmnivåerna.
På den befintliga pappersfilterhållaren som Mercatus köper i dagsläget finns det vid rullen för ny filterduk en gränslägesbrytare som aktiveras när dess arm har nått sitt ändläge. Denna lösning är billig men inte så noggrann och det är svårt att ställa in önskad larmnivå. För konceptet som tas fram i detta examensarbete valdes istället en optisk avståndsensor med display för inställningar. Denna typ av sensor möjliggör för användaren att själv ställa in avstånd till objektet vid vilken givaren aktiveras. Med detta kan Mercatus kunder själva välja hur mycket filterduk det ska finnas kvar innan sensorn larmar. Denna typ av avståndgivare är något dyrare än den befintliga lösningen men fördelarna, sett ur ett användarperspektiv, med att enkelt kunna ställa in avståndet bedöms kompensera för det höga priset.
Till tätningslisten valdes ett o-ringssnöre med 6mm i diameter av märket Viton. Viton är ett varu-märke inom materialfamiljen FKM som enligt gallringen under materialval var att föredra.
För att övervaka filtrets funktion och status behövs det någon typ av varningssignalsystem. Då filterhållaren placeras på olika ställen i industrilokaler, ibland avsides, kan det vara svårt att se en signallampa om den bara placerats på en sida. Ljudsignal var inte heller något bra alternativ då ljudnivån
som placeras uppe på filterhållaren så den syns från alla håll.
De resterande komponenterna såsom skruvar, brickor, fästen och liknande valdes godtycklig efter funktionsegenskaper, pris och kvalitet. Elkonstruktionen lämnades åt Mercatus Engineering och därför presenteras det inga vidare elektonik-komponenter i detta steg.
4.3.4 FMEA
En feleffektanalys, FMEA, gjordes för att identifera risker och finna åtgärder till eventuella fel som kan uppstå vid användning av filterhållaren, se Tabell 8. Feltyper analyserades utifrån förekomst, allvarlighet samt upptäcktssannolikhet och bildade tillsammans en bild av respektive feltyps risknivå. Varje feltyp tilldelades en eller flera rekomenderade åtgärder. De fel med högst total risknivå prioriterades högst att eliminera under nästa fas, detaljnivådesign.
Tabell 8 FMEA-matris för filterhållaren. Fel med högsta risktalet var klämrisk samt att förorenad vätska hamnar i behållare med renad vätska.
Feltyp Felorsak Feleffekt Existerande kontroller Förekomst (Po) Allvarlighet (S) Upptäcktssannolikhet (Pd) Risktal (Po*S*Pd) Åtgärd
Klämrisk Ingen skyddskåpa
vid trummotorer Personskador
Okulärbesiktning, tillgång till tydliga säkerhetsföreskrifter
3 10 10 300
Montering av skydd vid trummotorer samt nödstopp, instruktioner för personal Filterduken går av Vassa kanter på filterhållaren, för hårt tryck på "klämplåten" Förorenad vätska hamnar i behållare med renad vätska
Testkörning 3 6 6 108 Eliminering av vassa
kanter i konstruktionen Förorenad vätska i behållare med renad vätska Fel tätning, monteringsfel, slitage, fel tryck på klämplåten
Förorenad vätska måste filtreras om, förorenade skadar annat utrustning
Kontroll, test av tätning 8 5 5 200 Byte av tätning, anpassning
av tryck på "klämplåten"
Filterduken matas inte fram
Fel på trummotorer, filterduken gick av, nivåvakt ur funktion
Vätska kan inte passera genom filterhållaren, överfyllnad Testkörning 3 6 6 108 Reparation Kortslutning Yttre påverkan, påkörd/ klämd kabel Komponenter slutar fungera Okulärbesiktning, kontroll
vid monteringen 2 9 4 72 Reparation
Översvämning Nivåvakt fungerar inte
Förorenad vätska hamnar i behållare med renad vätska, materiella skador Testkörning 3 6 6 108 Installation av överfyllnadsskydd, omkonstruktion, rengöring av nivåvakt Trummotor roterar inte Motor når sin maxmoment, för stort motstånd, "kuggarnalåser sig pga materialrester filterduken matas inte fram, värmeutveckling, brandrisk, översvämning Beräkningar, testkörning, prototyper 2 5 6 60
Byte av motor, rengöring av kuggar
Filterduken tar slut Defekt avståndsensor, smuts på linsen
Stopp i
reningsprocessen, stopp i produktionen
Testkörning 3 5 4 60 Reparation/byte av sensor,
rengöring av linsen
4.4 Detaljnivådesign
I detta kapitel presenteras en genomgång av konstruktionens sammansättning samt en förklaring av dess detaljkonstruktion.
4.4.1 Mekanisk sammansättning och funktion
CAD- modellen av det slutliga konceptet modellerades i programmet Creo Parametric. Resultatet pre-senteras i Figur 28 och 29 under rubrik 5 Resultat. En förenklad sprängbild, som visar huvudkomponen-ternas placering i förhållande till varandra, visas i Figur 19 nedan. I Bilaga 4 finns en sprängbild med ballonger och tillhörande komponentlista.
Figur 19 Figuren visar en förenklad sprängbild av modellen.
Filterhållarens ram består av två långsidor och ett bakstycke tillverkade i det syrafasta, rostfritta stålet EN1.4404 med tjocklek 1.5 mm. Kanterna bockas för ökad stabilitet samt för att möjliggöra sammanfog-ning med popnitar. Samtliga popnitar som används för sammanfogsammanfog-ningen är 8 mm långa, syrafasta och med en diameter på 3,2 mm. Sidorna popnitas till bakplåten. Mellan långsidornas främre del monteras valsarna i form av en trummotor och en frigångsaxel, båda med kugghjulsformad beläggning i gummi. De fungerar som ett kugghjulspar i ingrepp och drar tillsammans filterduken framåt. Under valsarna pop-nitas en vinklad plåt. Denna plåts funktion är att fånga upp eventuellt spill av vätska eller sediment som avges från filterduken då den dras mellan valsarna och låta det rinna ner till behållaren för förbrukad filterduk. Längst bak på långsidorna, längst upp, popnitas varsitt sidostycke som fungerar som hållare för rullen med oanvänd filterduk. På toppen av det vänstra sidostycket monteras signalpelaren som in-formerar om maskinens tillstånd. På det högra sidostycket monteras en avståndsensor för övervakning av mängden filterduk som finns kvar på rullen. På toppen av filterhållaren monteras en vätskefördelare vars funktion är att sprida vätskan jämnt över hela filterhållarens bredd för att undvika hål eller slitningar
i filterduken. Direkt bakom vätskefördelaren popnitas en täckplåt som tillsammans med en gummilist förhindrar vätskan att rinna bakåt. Till långsidorna popnitas en perforerad plåt, även den med bockade kanter, i vinkel från den övre valsens övre del till nedre kanten av täckplåten. Längsmed ovansidan av den perforerade plåten monteras två stycken klämplåtar med tillhörande gummitätning som både håller filterduken på plats samt förhindrar läckage av förorenad vätska till tanken med renad vätska. För att ytterligare styra filterdukens bana monteras två stycken axlar, båda med 20 mm i diameter. På ena sidan monteras två stycken magnetiska nivågivare. Den ena ska signalera att ny filterduk behöver matas fram och den andra ska signalera att frammatningen inte fungerat och att filterhållaren snart kommer svämma över.
4.4.2 Detaljkonstruktion
Enligt företaget Protocase ska en plåt i det valda materialet ha en bockningsradie på ca 1.1-2.4 mm [14]. Därför valdes bockningsradien 1.5 mm. För att inte riskera att kanterna där hål för popnitarna skulle göras blev för ömtåliga sattes bredden på de bockade kanterna till 30 mm. Enligt FMEA:n var feltypen med näst högst riskfaktor att filterduken går av, så för att minska risken för att filterduken skulle komma i kontakt med vassa kanter som kan skada den bockas samtliga detaljer i riktning bort från filtret.
Feltypen med högst riskfaktor var klämrisk, vilket åtgärdas med en skyddskåpa, se Figur 20. Kå-pan monteras med gångjärn till ovansidan av långsidorna och ligger över valsarna för att motverka att någon av misstag fastnar och klämmer sig. Eftersom kåpan fästs med gångjärn är den enkel att fälla upp vid rengöring eller reparation av valsarna.
Figur 20 Figuren visar skyddskåan som täcker över valsarna och minimerar klämrisk.
Ytterligare en feltyp med hög riskfaktor var enligt FMEA:n läckning av förorenad vätska till behållaren med renad vätska. För att åtgärda detta har två sorters tätningar konstruerats. Dels en justerbar klämplåt med tillhörande tätning och dels en tätning som hindrar vatten från att läcka ut i nedre kanten av konstruktionen. Båda presenteras nedan.
Klämplåten med tillhörande tätning i form av o-ringssnöre visas i Figur 21. Själva klämplåten består av en bockad plåt med en falsad halvcirkelformad upphöjning där o-ringssnöret placeras. Den raka delen av plåten monteras mot huvudramens långsidor med skruv och mutter. När muttrarna lossas kan plåten, tack vare de ovala hålen, föras upp och ner lodrätt längsmed långsidan och på så sätt anpassas trycket mellan tätningen och filterduken till det önskade. Denna utformning gör också att det är mycket enkelt att vid behov byta o-ringssnöret om det blivit slitet.
Figur 21 Figuren visar klämplåt med tillhörande o-ringssnöre.
Vid nedre kanten av den perforerade plåten möter den täckplåten som är monterad bakom vätskeförde-laren. För att filterduken ska kunna dras fram mellan dem krävs det att de monteras med ett mellanrum. Ett mellanrum där leder tyvärr till betydande läckage av förorenad vätska till tanken avsedd för renad vätska. Däför krävdes en tätning som låter filterduken dras fram i ena riktningen men stoppar vätskan från att rinna i den andra riktningen. Lösningen presenteras i Figur 22.
Den nedersta biten av täckplåten är bockad framåt. I den görs fyra hål med 3.2 mm i diameter. Ovanpå den placeras en 6 mm tjock gummilist, även den med fyra hål. Överst placeras en bockad, mindre plåt. Dessa tre popnitas samman. Den vinklade överplåten popnitas även mot den stående arean av täckplåten för att minska slitningar.
Ett tvärsnitt av vätskefördelaren visas i Figur 23. Den förorenade vätskan rinner ner genom en slang som kopplas till fästet högst upp och sedan ner över de tre vinklade plåtarna. Konstruktionen möjliggör att vattnet, oberoende av tryckskillnader och ojämn koncentration av partiklar kommer nå filterduken jämnt utbrett över hela dess bredd.
Figur 23 Figuren visar tvärsnittet av vätskefördelaren.
Placeringen av de två axlarna som hjälper till att styra filtrets väg genom hållaren visas ur sidovy i Figur 24. Filterpapprets väg är markerad med rött.
Figur 24 Figuren visar hur filterpapprets väg genom hållaren påverkas av axlarnas placering.
Den ena axeln monteras rakt under centrum för rullen med ren filterduk och säkerställer att filtret, oavsett storlek på rullen, alltid dras rakt nedåt vilket hindrar att den skrapas mot vätskefördelaren. Den andra axeln monteras längre ner samt närmre täckplåten bakom vätskefördelaren för att låta filterduken dras in över den perforerade plåten i en vinkel som säkerställer att den ej kommer i kontakt med några skarpa kanter.
Axlarna monteras med hjälp av de axelfästen som presenterades i komponentvalstabellen, Tabell 7. Dessa fästs med skruvar på yttersidan av vardera långsida. Axeln förs genom ett hål i långsidan ut till fästet och axeln spänns fast där genom att skruva åt förbandet. Eftersom denna del av filterhållaren inte kommer ha någon direktkontakt med vätska bedöms ingen gummitätning mellan långsida och axelfäste behövas. En bild av ett monterat axelfäste med axel, se Figur 25. Dock finns inga skruvar med på bilden.
Figur 25 Figuren visar ett monterat axelfäste med tillhörande axel.
Valsbeläggningen består av vulkaniserat gummi och har formen av kugghjul med rundade kanter, se Figur 26. Anledningen till varför denna form valdes var att öka kontaktytan och därmed greppet mellan
valsar och filterduk. Detta ansågs viktigt då den förorenade vätskan kan innehålla oljor som minskar friktionen. I detta koncept kläms filterduken mellan valsarna som fungerar som ett kugghjulspar i ingrepp vilket säkrar att duken matas fram. Kanterna är mjukt rundade för att säkerställa att kuggarna inte skär av filterduken. Att använda sig av en slät valsbeläggning skulle riskerat filterhållarens funktion, eftersom om greppet mellan valsar och filterduk inte var tillräckligt skulle valsarna snurra utan att dra fram filterduken.
Figur 26 Figuren visar valsbeläggning med kugghjulsform.
4.4.3 Analys av producerbarhet
För att få en bild av konstruktionens producerbarhet gjordes en utvärdering av de enskilda delarna samt av monteringering. I detta syfte kontaktades en verkstadsmekaniker. Mycket förenklade ritningar, vars syfte inte var att skickas till produktion utan ge verkstadspersonalen en uppfattning om delarnas geome-tri, skapades. För exempel se Figur 27. Övriga presenteras i Bilaga 5.
För att göra hålen är både stansning och laserskärning bra alternativ. Stansning är generellt sett billigare än laserskärning men beroende på kvantitet är laserskrning ändå att föredra då det går snabbare och genererar något mindre svinn. I detta fall, då de flesta hål har samma diameter, krävs bara ett fåtal olika stansverktyg, vilket bidrar till en låg stanskostnad. Eftersom båda är bra alternativ kan val av metod göras baserat på den tillverkande verkstadens utrustning.
Bockning med standardverktyg kräver enligt verkstadsmekanikern att det finns minst 8 mm ma-terial på båda sidor av bockningens ytterradie. Det innebär inte några problem när det gäller den framtagna konstruktionen då samtliga bockningar har minst 28 mm kvar efter bockningsradien. I övrigt kunde inga uppenbara fel eller svårigheter upptäckas.
4.4.4 Analys av användarvänlighet
Det främsta problemet kopplat till användarvänlighet på den befintliga pappersfilterhållaren var situa-tionen som uppstod när mängden förbrukat filterpapper når sin maxgräns på den avsedda axeln. Det var då svårt för operatören att få loss pappret som rullats upp för hårt på axeln, och det krävdes ofta att hen använde sig av ett verktyg så som slaghammare eller kniv. I den framtagna konstruktionen har detta problem eliminerats helt eftersom det förbrukade filterpappret inte längre rullas upp på en axel utan istället samlas upp i en behållare. Behållaren, som inte ingår i själva konstruktionen, monteras under valsarna och kan dimensioneras fritt av kunden baserat på deras behov.
Rullen med nytt filterpapper har placerats högre upp och mindre dold vilket gör den lättillgänglig och enkel att byta. Att dra fram det nya pappret genom hållaren anses inte heller vara några problem eftersom den är öppen i botten längst bak så att operatören enkelt kommer åt.
Relaterad till rullen med ny filterduk är också avståndssensorn, som valdes baserat på bland an-nat dess användarvänlighet. Det är enkelt att via knapptryckningar ställa in vid vilket avstånd (visas på en display) den ska larma. Detta gör att kunder som har strikta krav på reningen, där filterduken absolut inte får ta slut, kan ställa in en tidig varning som säkerställer att någon hinner dit för att byta rulle.
Även signaltornet, som har en orange lampa för varning och en röd för fara anses öka användar-vänligheten eftersom kunden själv kan välja vilka faktorer som ska vara kopplade till respektive signal. Både signaltornets och avståndssensorns placeringar högst upp på konstruktionen gör dem enkla att både se och komma åt.
Klämplåtens ovala hål på sidan och vingmutter för fastspänning gör den enkel att justera i höjd-led vilket gör det enkelt att reglera trycket mellan tätning och filterduk.
Den befintliga konstruktionen har en nivåvakt som skickar signal om att filterpappret blivit igensatt och att nytt papper behöver rullas fram, men saknar funktion för att signalera att frammatningen inte fungerat och vätskenivån i filtret fortsatt att stiga. Istället finns ett överfyllnadsskydd med tveksam funktion då det är kopplat direkt till behållaren med renad vätska. Detta har i konstruktionen utvecklad i detta projekt avhjälpts genom att installera två stycken nivåvakter, där den ena kan signalera att nytt papper behöver matas fram och den andra att filtret riskerar att överfyllas. Att det är två separata istället för en kombinerad med två nivåer gör att kunden har möjlighet att själv välja med vilken höjdskillnad de ska monteras. Något som ytterligare skulle höjt användarvänligheten är om nivåerna dessutom var justerbara efter montering på samma sätt som klämplåten.
5
Resultat
Figur 28 och Figur 29 visar den färdiga CAD-konstruktionen. I Figur 30 visas närbild på valsarna medan Figur 31 visar signaltornet samt avståndssensor.
Figur 28 Den slutliga CAD-modellen sett från vänster. Den ljusgråa lådan med oranga tryckknappar symboliserar en elektroniklåda. Den röda knappen är ett nödstopp.
Figur 29 Figuren visar CAD-modellen sett från höger. På den vänstra långsidan syns de två nivåvakterna.
Figur 30 Figuren visar närbild på främre delen av filterhållaren. För att visa valsarna med beläggningen togs skyddskåpan bort i denna vy.
6
Diskussion
Nedan följer en diskussion av metod och genomförande, resultatet med avseende på effektivitet, rationell tillverkning och användarvänlighet samt fortsatt arbete.
6.1 Metod och genomförande
Examensarbetet baserades framför allt på Ulrich och Eppingers [8] produktutvecklingsmetodik och i stort utsträckning har detta angreppssätt följts genom hela arbetet. Metoden anses vara lämplig för detta projekt men det hade eventuellt varit framgångsrikt att i större utsträckning kombinera med andra metoder. Som ett exempel kan reslutatet från screening och concept scoring nämnas. Inget koncept var dominant vilket gjorde det svårt att utse en självklar vinnare. Ett annat konceptutvärderingsverktyg skulle kanske gett ett tydligare resultat. Men eftersom både gruppen och Mercatus såg störst potential i koncept C så undersöktes inte den möjligheten vidare.
En stor svårighet var att på förhand bedöma hur mycket tid de olika momenten skulle ta i an-språk, något som inte minst märktes under fasen av komponentval som tog flerdubbelt längre tid än planerat. En anledning till det var att vi missbedömde mängden efterforskningar som krävdes för att kunna göra välgrundade val. Men det tog också längre tid att få svar från tillverkare och leverantörer än vad vi räknat med. En strategi som vi märkte var framgångsrik för att forkorta svarstiden var att i det inledande mailet poängtera att vi gjorde projektet i samarbete med ett företag vars intention är att faktiskt tillverka produkten. Då tog dem oss lite mer på allvar.
För att kontrollera att motorn i den drivande valsen var tillräckligt stark baserades beräkningen på papprets brottgräns istället för den faktiska kraft den skulle utsättas för. I detta fall bedömdes det ge ett mer rättvisande resultat än vad grova uppskattningar av vattenströmmar, friktion och skjuvkrafter skulle göra.
FMEA:n var verkningsfull och gav viktiga insikter som vi hade stor nytta av vid detaljkonstruk-tionen, där bland annat skyddsplåten som minskar risken för klämskador tillkom. Men den gav också insikter som är bra att ta med sig inför bygget av en framtida prototyp, så som värdet av undvika utstickande sladdar som förbipasserande kan fastna i och dra sönder.
6.2 Resultat
Den slutgiltiga CAD-modellen innehåller alla delar och komponenter, utöver elkomponenter, uppsam-lingskärl och filterduk, som krävs för ett fungerande pappersfilter. Konstruktionen anses väldimensione-rad och delarna skulle utan större förändringar kunna användas som underlag för tillverkningsritningar. Den uppfyller alla undersökta krav från kravspecifikationen och anses vara en innovativ konstruktion. 6.2.1 Effektivitet och miljö
Det främsta problemet kopplat till effektivitet på det befintliga filtret var problem med läckning av förore-nad vätska till behållaren med reförore-nad vätska. Detta tror vi att vi kommit tillrätta med genom att konstruera en lättjusterad klämplåt med tätning. Plåten minskar flödet av vattnet som når tätningen, och själva tät-ningen hindrar det vattnet som når den från att rinna vidare. Men att konstruera en bättre lösning för tätningen gör inte bara pappersfiltret effektivare utan gör även att maskiner senare i reningsprocessen fungerar bättre då det inte följer med partiklar som redan skulle varit bortfiltrerade. Så en effektivare pappersfilterrening inverkar på hela reningsprocessen, vilket i sin tur leder till mindre maskinslitage och minskat kemiskt avfall. Detta har en positiv effekt på miljöpåverkan från den industri som installerar pappersfiltret, vilket var en del av syftet med vårt projekt. Detta är också positivt ur ett samhälleligt
6.2.2 Rationell tillverkning
Alla material- och komponentval gjordes med hänsyn till såväl pris som tillgång. Till exempel valdes ett av de vanligaste konstruktionsstålen (EN1.4404) i en standardtjocklek (1.5 mm) som huvudmaterial då det är en lagervara hos de flesta tillverkare, vilket gör det både tillgängligt och relativt billigt.
När vi valde att konstruera i princip all sammansättning för popnitning istället för svetsning så möjliggör vi för Mercatus att bara beställa själva delarna från verkstad men sedan montera själva. Detta blir konstadseffektivt då personal kan montera när det passar. Enligt verkstadspersonal blir popnitning ett tillräckligt tätt förband.
Den enda komponenten som inverkar på konstruktionens skalbarhet är RollerDrive, som dock kan beställas i många olika längder. Det kanske inte är möjligt att tillverka ett filter med en millimeter-preciserad bredd, men i intervall på jämna centimetrar går det. Alla övriga komponenter påverkar inte utan kan enkelt anpassas till en ökad/ minskad bredd och/ eller längd.
6.2.3 Användarvänlighet
Sammantaget är förhoppningen att med två olika larmnivåer, en bättre fungerande avståndssensor som är enkel att ställa in, en tydlig ljussignal om något är fel eller kräver operatörens uppmärksamhet och framförallt frånvaron av momentet att tömma axeln med upprullad förbrukad filterduk - så har användarvänligheten väsentligt förbättrats. Konstruktionen kommer kräva något mindre tillsyn och operatören behöver inte gå fram och kolla om något är fel utan kommer få ett larm, antingen på en dator eller tack vare signaltornet se på avstånd om något är fel.
Det är inte speciellt trångt någonstans och alla komponenter är lätta att komma åt. Ett exempel på detta är vingmuttrarna vid klämplåten som möjliggör justering av den även med skyddshandskar på. Skyddsplåten som motverkar risken för klämolyckor är också en viktig faktor relaterad till använ-darvänligheten. Det finns en stark koppling mellan användarvänlighet och säkerhet. Inom industrin är arbetsplatsolyckor och tillbud vanligt förekommande och alla åtgärder, små som stora, som kan minska riskerna för arbetarna är viktiga.
Att filterduken inte rullas upp på en axel utan hamnar direkt i extern behållare bidrar också till ökad användarvänlighet. Till skillnad från den befintliga filterhållaren behöver operatören inte använda kraft för att få loss filterduken. Att belasta kroppen i utsatta positioner är oergonomiskt och kan leda till belastningsskador. Lösningen som presenteras under Resultat 5 minskar risken för belastningsskador vilket bidrar till bättre arbetsmiljö.
6.3 Fortsatt arbete
Det finns förbättringspotential i filterhållaren utvecklad under detta examensarbete. En av sakerna som skulle kunna förbättras är addering av en sensor som larmar om filterduken går av. Enligt en av Mercatus kunder var detta inget vanligt förekommande problem och därför har inget fokus lagts på det i examensarbetet men det känns ändå som något man skulle kunna titta närmare på. Ifall filterduken skulle gå av och filterhållaren är placerad avsides i lokalen kan det ta lång tid innan felet upptäckts. Det innebär att det finns stor risk att mycket av den förorenade vätskan hamnar i tanken avsedd för renad vätska. Om denna vätska transporteras vidare för ytterliggare filtrering eller återanvänds i industrin kan det skada maskiner och annat utrustning. Av samma anledning skulle adderandet av ett överfyllnadsskydd vara fördelaktigt.
Mycket information om komponenterna valda till konstruktionen samlades och analyserades för att hitta de mest passande lösningarna. Trots det kan det vara fördelaktigt att i fortsatt arbete kontrollera de valda komponenterna ytterligare. Ett exempel är den drivande valsen. Bara grova beräkningar har gjorts för att säkerställa att valsen har tillräckligt mycket kraft för att mata fram filterduken. Mer omfattande hållfasthetsberäkningar där skjuvkrafter, vattenströmmar samt friktion mellan filterduken och perforerade plåten inkluderas hade gett noggrannare resultat. Förslagsvis skulle ett experiment där man mäter vid vilken kraft filterduken släpper från den perforerade plåten kunna utföras. Dessutom bör hänsyn till plåtens lutning tas i framtida beräkningar.
Det valdes att belägga valsarna med vulkaniserat gummi. Det har dock inte kontrollerats om den drivna rullen, RollerDrive EC5000, tål denna process och det behöver undersökas vid vidareutveckling av konceptet. Ifall vulkning inte visar sig vara lämpligt kan andra metoder undersökas. Ett alternativ skulle kunna vara formgjutning av gummibeläggning som sedan limmas fast på valsen. Det krävs även vidare tester för att kontrollera hur mycket vätska som faktiskt samlas uppe vid valsarna och om IP-klass IP54 ger en tillräckligt inkappsling av RollerDrive.
I fortsatt arbete skulle funktionen av den kugghjulsformade beläggnigen, som är svår att förutse hur den kommer att bete sig i praktiken, behöva testas. Den förorenade vätskan kan innehålla oljor som minskar friktionen och i det fallet är det viktigt att kontrollera att grepp mellan filterduk och valsar blir tillräckligt stort. Ett annat problem som kan uppstå är om mycket av de bortfilrerade partiklarna fastnar på valsarna istället för att följa med filterduken ner i behållaren för förbrukad filterduk och restmaterial. Då finns det risk att restmaterial samlas mellan kuggarna och att valsarna låser sig. Om detta skulle visa sig vara ett problem kan en skrapa som skrapar bort restmaterial monteras vid den övre valsen.
En annan funktion önskvärd funktion är att kunna justera positionen av valsarna efter montering. Det skulle då vara möjligt att vid behov, exempelvis efter slitage eller vid byte av valsbeläggning, justera avståndet och därmed också trycket mellan valsarna för att förbättra frammatningsfuktionen. Likaså skulle en funktion som möjliggjorde justering av placeringen av nivåvakterna vara lämplig. Kanske skulle samma princip som för justeringen av klämplåten kunna användas?
7
Slutsatser
De slutsatser som dras från genomförandet och resultatet av detta examensarbete är:
• Genom att välja komponenter som är enkla att komma åt samt okomplicerade att justera, så som klämplåten och avståndssensorn, blir pappersfilterhållaren både effektiv och användarvänlig. Val-sarnas funktion och uppsamlingen av förbrukad filterduk i behållare bidrar också till ökad använ-darvänlighet.
• Konstruktionen anpassas till rationell tillverkning genom välgrundade material-, bearbetnings- och komponentval, där hänsyn inte bara tas till kostnad utan även till tillgänglighet, kompetensbehov och skalbarhet.
• Det syrafasta rostfria konstruktionsstålet EN1.4404 är i denna applikation mest lämpligt till hu-vudkonstruktionen. Till tätningarna är FKM det bästa valet och till valsbeläggning ger nitril- eller naturgummi ett tillfredställande resultat.
REFERENSER
[1] Van der Graaf Scandinavia AB, Vad är en trummotor?, Hämtad 2021/04/21. URL https://www.vandergraaf.se/vad-ar-en-trummotor/
[2] PIC, PLS-080A-3VAL, Hämtad 2021/04/28, Använd med tillåtelse. URL https://www.pic-gmbh.com/en/products/pls-080a-3val
[3] Interroll, Operating manual RollerDrive EC5000 AL/BI, Hämtad 2021/05/11.
URL https://www.interroll.com/fileadmin/Downloads/User_Manuals/RollerDrive/User_Manual_ EC5000_EN.pdf
[4] WERMA, K37 plug EM 12VAC/DC YE/RD, Hämtad 2021/04/28, Använd med tillåtelse.
URL https://www.werma.com/en/s_c1505i2656/K37_plug_EM_12VAC/DC_YE/RD/69823074.html? fbclid=IwAR3wx3MtJcU58mprDg8128cBGxQC5S48_YrDqLifCX93b8y3q4UvK-aJg3s
[5] ifm electronic, Optisk avståndsgivare 05D100, Hämtad 2021/04/28, Använd med tillåtelse.
URL https://www.ifm.com/se/sv/product/O5D100?gclid=Cj0KCQjw6-SDBhCMARIsAGbI7UjW45KWPtaRc8YucrSjg6cp8ZF9vgIuAlGkABM_ 5ISATNeU-YvRVUkaAoeIEALw_wcB&fbclid=IwAR1-LEWVecH-apVkr4T6xG7c1EUBkGssqHF4j0szxC01uXreyOhZrbbndm8
[6] Mercatus Engineering AB, Om Mercatus, Hämtad 2021/03/24. URL https://www.mercatus.se/om-mercatus/
[7] Bragsjö, P. Projektbeskrivning pappersfilter. Mercatus Engineering AB, 2021/02/11.
[8] Ulrich, KT, Eppinger SD, Yang, MC. Product Design and Development. McGraw-Hill, 2019.
[9] Gustavsson, TK, Hallin, A. Projektledning. Liber AB, 2012.
[10] Interroll, Drive variants for unit handling, Hämtad 2021/05/11.
URL https://www.interroll.com/products-solutions/unit-handling/drives/
[11] PIC, How does a Level Sensor work?, Hämtad 2021/04/26. URL https://www.pic-gmbh.com/en/level-sensors
[12] Sparkfun, Distance sensing overview, Hämtad 2021/04/27. URL https://www.sparkfun.com/distance_sensing
[13] Agarwal, DC. Handbook of advanced materials. John Wiley Sons, Inc., 2012.
[14] Protocase, Bend Radii Minimum Bend Sizes, Hämtad 2021/05/06. URL https://www.protocase.com/resources/bend-radius.php
Bilagor
I detta kapitel presenteras bilagor.
Bilaga 1 - Viktningsmatris
Bilaga 2 - Skisser
Figur 33 Konceptskisser med dellösningar på nivåvakt.
Figur 35 Koncept där filterduken matas fram med hjälp av roterande nät som drivs med två rullar.
Figur 37 Helhetskoncept där filterduken matas fram med två trummotorer med gummibeläggningar. Vid kanterna monteras en plåt med gummibeläggning för bättre tätning.
Figur 39 Koncept där filterduken matas fram med hjälp av trummotor. Vid kanterna kläms filterdu-ken med en plåt med två tätningslister i. En magnetisk nivåvakt används för att indikera vattennivå i behållaren.
Bilaga 3 - Concept screening matriser
Tabell 9 Concept screening där koncept A är referensen.
Koncept namn: A B C D Krav Referens: X 1 Materialkrav 0 0 0 0 2 Värmebeständighet 0 0 0 0 3 Driftsäker 0 0 + + 4 Anpassningsbar bredd 0 + + + 5 Vattentåliga komponenter 0 0 0 0 6 Larmnivåer 0 - 0 0
7 Komponenter tål omgivande industrimiljö 0 0 0
-8 Livslängd 0 + + + 9 Tillverkningskostnad 0 + + 0 10 Användarvänlig 0 + + -11 Övervakningslarm för pappersfilter 0 0 0 0 Antal + 0 4 5 3 Antal 0 11 6 6 6 Antal - 0 1 0 2 Nettovärde 0 3 5 1 Rangordning 4 2 1 3
Tabell 10 Concept screening där koncept B är referensen. Koncept namn: A B C D Rangordning screening 1: 4 2 1 3 Krav Referens: X 1 Materialkrav 0 0 0 0 2 Värmebeständighet 0 0 0 0 3 Driftsäker 0 0 + + 4 Anpassningsbar bredd - 0 0 0 5 Vattentåliga komponenter 0 0 0 0 6 Larmnivåer + 0 + +
7 Komponenter tål omgivande industrimiljö 0 0 0
-8 Livslängd - 0 0 0 9 Tillverkningskostnad - 0 + -10 Användarvänlig - 0 0 -11 Övervakningslarm för pappersfilter 0 0 0 0 Antal + 1 0 3 2 Antal 0 6 11 8 6 Antal - 4 0 0 3 Nettovärde -3 0 3 -1 Rangordning 4 2 1 3
Bilaga 4 - Sprängvy
Bilaga 5 - Ritningar
