INOM
EXAMENSARBETE MASKINTEKNIK, AVANCERAD NIVÅ, 30 HP
STOCKHOLM SVERIGE 2019,
Konceptuell konstruktion av en koppling för mekanisk
bergavverkningsmaskin
JOHAN ERKERS
PETER EKROTH
Konceptuell konstruktion av en koppling till en mekanisk bergavverkningsmaskin
Johan Erkers Peter Ekroth
Master of Science Thesis TRITA-ITM-EX 2019:245 KTH Industrial Engineering and Management
Machine Design SE-100 44 STOCKHOLM
Examensarbete TRITA-ITM-EX 2019:245
Konceptuell konstruktion av en koppling till en mekanisk bergavverkningsmaskin
Johan Erkers Peter Ekroth
Godkänt 2019-06-11
Examinator
Ulf Sellgren
Handledare
Ulf Sellgren
Uppdragsgivare
Svea Teknik AB
Kontaktperson
Jacob Wollberg
Sammanfattning
Examensarbetet har skett inom mastersprogrammet Maskinkonstruktion på KTH. Arbetet gjorde tillsammans med Epiroc genom Svea Teknik AB.
I dagens gruvarbete använder nästan alla borr- och sprängteknik, men det finns stora problem med detta. Epiroc har börjat utveckla så kallade Mobile Miners, som är konstruerade för att bryta malm utan borr- och sprängteknik. Maskinen ska ha möjlighet att göra alla processer i samma maskin istället för borr- och sprängtekniken, där maskiner byts beroende på process. Den nya tekniken använder sig av ett skärhjul för att utvinna malm. En av maskinerna Epiroc har konstruerat är Mobile Miner 40 V. Maskinen har två moduler, drivmodulen, där alla typ av drivning som hydraulpumpar är placerade och avverkningsmodulen, där skärhjulet sitter. Från tidigare versioner av Mobile Miner har det upptäckts, att det blir väldigt stora vibrationer i operatörshytten, som sitter på drivmodulen. För den nya 40 V skall kopplingen mellan modulerna kunna kopplas isär vid avverking.
Dagens koncept är likt en dragkrok, som tillåter rotation i tre frihetsgrader, vilket är något som nu anses vara en risk på grund av sämre stabilitet. De tre olika leden är gir-, roll-, och tipp-led och det är roll-led som inte är önskat då 40 V är väldigt hög relativt sin bredd, vilket ger en ökad risk för tippning. Syftet med detta examensarbete var att utveckla nya stabilare koncept. Utifrån detta gjordes en parameteranalys för att definiera vad en stabilare koppling är. Nya koncept generades och dessa evaluerades med hjälp av en Pughs matris. Två koncept valdes att vidareutvecklas utifrån de givna kraven.
Koncept A har låsning i tipp-led med hjälp av en krokkonstruktion, där rotationsaxlarna är separerade samtidigt som koncept B har låsningen i gir-led med hjälp av två hydrauliska cylindrar där rotationsaxlarna skär varandra likt en kardanknut. Med två frihetsgrader utsätts kopplingen för högre laster. Dimensioneringen skedde utifrån det värsta lastfallet, vilket är när avverkningsmodul kör över ett gupp och tvingar med drivmodulen. De två nya koncepten blev stabilare enligt parameteranalysen, men är något större än dagens koncept.
Nyckelord: Mekanisk bergavverkning, frihetsgrader, stabilitetstrianglar.
Master of Science Thesis TRITA-ITM-EX 2019:245
Conceptual Design of a Joint for a Mechanical Rock Excavation Machine
Johan Erkers Peter Ekroth
Approved
2019-06-11
Examiner
Ulf Sellgren
Supervisor
Ulf Sellgren
Commissioner
Svea Teknik AB
Contact person
Jacob Wollberg
Abstract
This Master Thesis has been done within the Master's program in Machine Design at KTH. The work was carried out together with Epiroc through Svea Teknik AB.
Today almost all mining uses drill and blast techniques, but there are major problems with this.
Epiroc has started to design a so-called Mobile Miners, which are designed to excavate ore without drill and blast technology. The machine should be able to do all processes in the same operation instead of the drill and blast technology where different machines are used depending on the process. The new process uses only a cutting wheel to excavate ore. One of the machines Epiroc has designed is the Mobile Miner 40 V. The machine has two modules, the power module where all types of power supply, such as hydraulic, pumps are located and then the mining module where the cutting wheel is located. From other Mobile Miner it has been discovered that there will be very large amount of vibrations in the operator cabin, which is located on the power module, so for the new 40 V the idea is that the coupling between the modules can be disconnected while operating.
The current concept is similar to a towbar that allows rotation in three degrees of freedom, which is something that was later considered a risk. The three different axes are yaw, roll, and pitch axis and it is roll axis which is not desired since 40 V is very high relative to its width, which gives a risk of tipping. The purpose of this Master Thesis were to develop a more stable concept. Based on this, a parameter analysis was made to define what a more stable coupling is. New concepts were generated and then evaluated using a Pugh's matrix. Two concepts were chosen to be further developed based on the given requirements.
Concept A has the locking procedure in pitch axis with the aid of a hook construction where the rotation axes are separated meanwhile in concept B has the locking procedure in the yaw axis with the help of two hydraulic cylinders where the rotation axes intersect each other like a universal joint. With two degrees of freedom, higher forces are transmitted. The dimensioning was based on the worst load case, which is when the mining module runs over a bump and carry the power module. The two new concepts became more stable according to the parameter analysis, but are somewhat bigger than the current concept.
Keywords: Mechanical rock excavation, degrees of freedom, stability triangles
Förord
Vi vill tacka Epiroc för det uppdrag som utgör vårt examensarbete. Det har varit oerhört intressant och lärorikt. Vi vill även tacka Svea Teknik AB som gav oss möjligheten att skriva examensarbetet samt möjligheten att sitta i era lokaler under projektetsgång.
Vi vill tacka Jacob Wollberg, Jerk Back och Johan Lindbergh på Svea Teknik AB och Fredrik Saf på Epiroc för allt stöd under arbetet. Vi vill även tacka Ulf Sellgren och Stefan Björklund på KTH för råd och speciellt tack till Ulf för handledarskapet.
Johan Erkers Peter Ekroth
Stockholm, Maj 2019
Innehållsförteckning
1 Introduktion 1
1.1 Bakgrund . . . . 1
1.2 Problembeskrivning . . . . 2
1.3 Forskningsfrågor . . . . 3
1.4 Begränsningar . . . . 3
1.5 Metod . . . . 3
2 Referensram 5 2.1 Mekanisk bergavverkningsmaskin . . . . 5
2.2 Stabilitetstrianglar . . . . 8
2.3 Hydraulisk cylinder . . . . 15
3 Koncept utveckling 17 3.1 Kravspecifikation för koncept . . . . 17
3.2 Parameteranalys . . . . 18
3.3 Generering . . . . 18
3.3.1 Koncept 1 . . . . 19
3.3.2 Koncept 2 . . . . 20
3.3.3 Koncept 3 . . . . 21
3.3.4 Koncept 4 . . . . 22
3.3.5 Koncept 5 . . . . 23
3.3.6 Koncept 6 . . . . 24
3.3.7 Koncept 7 . . . . 24
3.3.8 Koncept 8 . . . . 26
3.4 Evaluering . . . . 27
3.4.1 Pughs matris . . . . 27
3.5 Friläggning av DM . . . . 27
4 Vidareutveckling av valda koncept 31 4.1 Koncept A . . . . 31
4.1.1 Utveckling av koncept . . . . 32
4.1.2 CAD . . . . 39
4.1.3 FEM-analys . . . . 43
4.2 Koncept B . . . . 45
4.2.1 Utveckling av koncept . . . . 46
4.2.2 CAD . . . . 56
4.2.3 FEM-analys . . . . 59
5 Diskussion 62 5.1 Koncept A . . . . 63
5.2 Koncept B . . . . 63
6 Slutsats och framtida arbete 64 6.1 Slutsats . . . . 64
6.2 Framtida arbete . . . . 64
Bilaga A Pughs matris i
Bilaga B Kravspecifikation iii
Förkortningar och förtydligande
3D Tredimensionellt AM Avverkningsmodul CAD Computer Aided Design CREO CAD program
DM Drivmodul
F EM Finita Element Metoden ISO Isometrisk projektion
M BM Mekanisk bergavverkningsmaskin M esh Beräkningsnät för FEM-analys SH Skärhuvudet
W BS Work Breakdown Structure
Figurer
1 The Mobile Miner 40V, sido-vy med numrering . . . . 1
2 Tillfälliga konceptet för Mobile Miner 40V . . . . 2
3 WBS . . . . 4
4 Representation av malmavverkning . . . . 5
5 Representation av fastlåsdning av AM i tunnel . . . . 6
6 Representation av rotationen av SH . . . . 6
7 Representation av kopplingens omgivningen i XZ-planet . . . . 7
8 Infästningspunkter(markerat med rött) för kopplingen . . . . 7
9 Representation av de hydrauliska stödbenen(markerat med rött) placerade på DM . . . . 8
10 De tre olika fallen sett ovanifrån, där längderna är skrivna i mm . . . . 9
11 Vy ovanifrån i XY-plan . . . . 10
12 Vy bakifrån i YZ-plan . . . . 10
13 Sidovy i XZ-plan . . . . 10
14 Vy ovanifrån i XY-plan . . . . 11
15 Vy bakifrån i YZ-plan . . . . 11
16 Sidovy i XZ-plan . . . . 11
17 Vy ovanifrån i XY-plan . . . . 14
18 Vy bakifrån i YZ-plan . . . . 14
19 Sidovy i XZ-plan . . . . 14
20 Representation av de två typerna av hydrauliska cylindrar. [4] . . . . 15
21 Parameteranalysen vid rotation i roll-led . . . . 18
24 Koncept 1 tvärsnitt: Bild till vänster när kopplingen är låst, mitten öppningen
av cylinder och högra bilden visar kopplingen öppen . . . . 19
25 Koncept 2 ISO-vy . . . . 20
26 Koncept 2 tvärsnitt: Bild till vänster när kopplingen är låst, mitten öppningen av cylinder och högra bilden visar kopplingen öppen . . . . 20
27 Koncept 3 ISO-vy till vänster och en tvärsnittsvy till höger . . . . 21
28 Koncept 3 tvärsnitt: Bild till vänster när kopplingen är låst, mitten öppningen med cylinder och högra bilden visar kopplingen helt öppen . . . . 21
29 Koncept 4: ISO-vy . . . . 22
30 Koncept 4 tvärsnitt: Bild till vänster när kopplingen är låst, mitten bilden öppningen av övre kona och högra bilden visar kopplingen helt öppnad . . . 22
31 Koncept 5: ISO-vy . . . . 23
32 Koncept 5 tvärsnitt: Bild till vänster när kopplingen är låst, mitten bilden öppningen av undre kona och högra bilden visar kopplingen helt öppnad . . 23
33 Koncept 6 ISO-vy . . . . 24
34 Sidovy av koncept 6 vid låst och olåst läge . . . . 24
35 Koncept 7 ISO-vy vid låst och olåst läge . . . . 25
36 Kardanknut . . . . 25
37 På- och frånkoppling av koncept 7 . . . . 25
38 Koncept 8 ISO-vy . . . . 26
39 På- och frånkoppling av koncept 8 . . . . 26
40 AM sett underifrån i XY-plan . . . . 27
41 AM sett från sidan i XZ-plan . . . . 28
42 AM sett bakifrån i YZ-plan . . . . 28
43 AM sett bakifrån i YZ-plan . . . . 28
44 ISO-vy av koncept A med numrering . . . . 31
45 Friläggning av DM fäste . . . . 32
46 Representation av utvald hydraulcylinder . . . . 33
47 Friläggningsbilder av tippaxel . . . . 34
48 Kraft och moment i tippaxel . . . . 35
49 Friläggning av midja . . . . 35
50 Lagerplacering . . . . 37
51 Måttsättning glidlager . . . . 37
52 Representation av expander systemet . . . . 38
53 Kopplingsfästen samt den nya konstruktionen av fästen . . . . 39
54 Rotation av koncept A . . . . 40
55 Representation av frånkopplingssekvens . . . . 40
56 Koncept A monterad på befintlig konstruktion . . . . 41
57 AM fäste . . . . 41
58 Axeldistanser . . . . 41
59 Top-vy av fästplatta . . . . 42
60 ISO-vy av axelhållare och hydraulcylinder . . . . 42
61 Fastlåsning och placering av krafter på kopplingsarm för FEM-analys . . . . 43
62 Resultat från FEM-analys på kopplingsarm . . . . 43
63 Fastlåsning och placering av krafter på midjan för FEM-analys . . . . 44
64 Resultat från FEM-analys på midjan . . . . 44
65 ISO-vy och numrering av koncept B . . . . 45
66 Tvärsnitt i sido-vy för frånkoppling och låsning . . . . 46
67 Tvärsnitt av hydraulcylinder och montering . . . . 46
68 Sido-vy för frånkoppling och låsning . . . . 47
71 Friläggning av kardanknuten . . . . 49
72 Förstoring av fasade ytan . . . . 50
73 Tvärsnitt på hydraulcylindersätena . . . . 50
74 Låsmutter med låsbricka . . . . 53
75 Sprängkiss på låsmutter med tillbehör och axel med ett kilspår . . . . 54
76 JKV 2300 NS160 Mounting no.2 . . . . 54
77 Monterad koppling på den mekaniska bergavverkningsmaskinen . . . . 57
78 Koppling vid 70° svängning i gir-led . . . . 57
79 Koppling vid 10°svängning i tippled . . . . 58
80 Koppling monterad på DM och AM med hydraulslangar . . . . 58
81 Utrymme mellan larvband och koppling . . . . 59
82 Sido-vy av fäste DM och tipp-arm . . . . 59
83 Placering av krafter för FEM-analys samt låsning för fästet på AM . . . . . 60
84 Spänningskoncentrationer och deformation i fästet på AM . . . . 60
85 Kraftplacering och låsning för FEM-analys på tipp-armen . . . . 61
86 Spänningskoncentrationer och deformation i tipp-armen . . . . 61
Tabeller
1 Längder relativt masscentrum . . . . 9
2 Vinklar relativt koppling . . . . 12
3 Vikter för delsystemen . . . . 13
4 Hydraulcylinder data . . . . 16
5 Krav och viktning . . . . 17
6 Längder . . . . 30
7 Reaktionskrafter i fästet till koppling . . . . 30
8 Komponentlista för koncept A . . . . 32
9 Värden på resulterande krafter för DM fäste . . . . 33
10 Reaktionskrafter och längder tippaxel . . . . 34
11 Värden på resulterande krafter för midja och tippaxel . . . . 36
12 Dimensioner och lagertryck för glidlager . . . . 38
13 Komponentlista för koncept B . . . . 45
14 Parametervärden . . . . 51
15 Reaktionskrafter i kopplingen . . . . 52
16 Parametervärden för skruvförband . . . . 56
1 Introduktion
Examensarbetet syftar främst till att undersöka krav och förutsättningar av en kopplings- mekanism i en mekanisk bergavverkningsmaskin, samt generera koncept för konstruktionen.
Kopplingen kommer att användas till Epirocs Mobile Miner 40V-projekt. I det här kapit- let beskrivs bakgrund och syfte med projektet. Avgränsningar och metoder som används i projektet beskrivs också i kapitelet.
1.1 Bakgrund
Borr- och sprängteknik är helt dominerande inom malmbrytning[1]. Det finns problem med tekninken, som är tidskrävande eftersom det ingår flera moment var och en med sin utrust- ning. En borrmaskin borrar ett hål där sprängämnena sedan placeras. När detonationen har genomförts måste rökgaserna från explosionen ventileras innan malmen kan utvinnas och sedan säkra taket för att förhindra ras och fallande stenar. Denna process upprepas sedan och olika maskiner används för de olika processerna. Det finns också en stor risk för personskada vid avverkning.
Stora ansträngningar har gjorts för att utveckla bättre metoder. Till exempel har Epiroc olika typer av så kallade Mobile Miners, som är konstruerade för att bryta malm utan att använda borr- och sprängtekniken. De har olika typer av maskiner och två av dem är Mobile Miner 22H och 40V. Modellbeteckningen står för höjden och SHs placeringen [2], t.ex. 40V är 4,0 meter hög och SH ligger vertikalt. Mobile Miner 40V, som kan ses i figur 1, och 22H är konstruerade som två moduler. Dessa moduler kallas AM och DM och hålls samman med en koppling.
Figur 1: The Mobile Miner 40V, sido-vy med numrering
DM innehåller alla elmotorer, hydraulpumpar, avlastningsstöd, styrsystem, gruvbultning och operatörshytt, medan på AM sitter SH och allt som behövs för att bryta ner malmen.
Hela systemet drivs av hydraulik som levereras av DM. Vid avverkning av malm används hydraulcylindrar för att säkra maskinen. De trycker mot tunnelens golv och tak för att
motverka de krafter som uppstår på SH vid avverkningsprocessen. När maskinen är i drift transporteras den nedbrytna malmen med transportbanden som går från SH till bakre ändan. Transportbanden är separerade mellan de två modulerna så att maskinen kan svänga.
Mobile Miner 22H gräver tunnlar för infrastruktur för att kunna avverka platinmalm långt ner i marken, där malm-venen är formad som en tallrik. Efter lanseringen av Mobile Miner 22H identifierade Epiroc att vibrationerna, som överfördes från AM till DM, var för stora och gav dålig arbetsmiljö för operatören. Mobile Miner 40V utvecklas för närvarande för en kund och flera av dem kommer att beställas när den är klar. Maskinen kommer att avverka malm där venen är vertikal, därför har SH en vertikal placering och venen är inte rak vilket gör att maskinen måste vrida sig. För denna maskin är det nödvändigt att operatören ska kunna koppla ur kopplingen under avverkning för att undvika vibrationer som sprids till operatörshytten. För den befintliga konstruktionen har Epiroc identifierat att de vill ha ökad stabilitet gentemot DMs tippning för körning under lutande förhållande.
40V är mycket hög i jämförelse med dess bredd vilket gör den mer instabil. I figur 2 visas det nuvarande konceptet. Den består av en dragkula som gör det möjligt att rotera i tre frihetsgrader, men rotation i roll-led är inte önskad. Den uppfyller kravet på avkoppling, eftersom den har en hydraulcylinder som fäster dragkroken och kan kopplas ur.
Figur 2: Tillfälliga konceptet för Mobile Miner 40V
1.2 Problembeskrivning
Syftet med examensarbetet är att utforma två koncept av en ny kopplingsmekanism i en me- kanisk bergavverkningsmaskin. Kopplingen ska kunna rotera i gir- och tipp-led och kunna klara mer snedställning utan att riskera tippning. Med det befintliga konceptet kan de två modulerna rotera individuellt i alla tre frihetsgrader. Det är viktigt att de två modulerna enkelt kan frånkopplas och sedan snabbt och enkelt kopplas samman igen efter avverkning.
Kopplingen måste anpassas till faktorer i miljön, till exempel grus och stenar, för att vara driftsäker. Det finns också några dimensionskrav för kopplingen att inte påverka de be-
1.3 Forskningsfrågor
Examensarbetet ämnar att svara på följande frågor vid projektets slut:
• Hur kan vi verifiera att kopplingen kan bli mer stabil?
• Hur stabilare kan än koppling bli? Är det pålitligt?
• Kan koncepten anpassas till samma gränssnitt som i den befintliga maskinen?
1.4 Begränsningar
För att projektet skall kunna slutföras inom den utsatta tidsramen, måste vissa begränsning- ar bestämmas. Examensarbetet begränsas till konceptfasen och kommer inte att producera en fysisk produkt. Det innebär att endast grova beräkningar görs på koncepten och ingen detaljerad konstruktion kommer att utföras. Den konceptuella utformningen omfattar inte:
• Livscykelsanalys
• Mer än två slutliga koncept
• Planer för testning av slutprodukten
• Styrsystem för hydraulikdel
• Livstidsanalys
• Kostnader
1.5 Metod
Projektet startade med en planeringsfas, inklusive problembeskrivning och informationssök- ning. Konceptfasen delas upp i tre huvudfaser, som är konceptgenerering, konceptevaluering och vidareutveckling av koncept och beskrivs vidare i figur 3. Projektet dokumenteras kon- tinuerligt under projektets gång och statusrapporter skickas ut till intressenter.
Konstruktion av koppling
Koncept
Projektplanering Dokumentation
Koncept evaluering
Generering av koncept Vidareutveckling
GANTT
Problembeskrivning
Bakgrundsinformation
Riskanalys
Brainstorming
Koncept visualisering
Lastfall
Pughs
Workshop
Dimensionering
CAD
FEM-analys
Planeringsrapport
Slutrapport
Presentation
Opposition
Figur 3: WBS
2 Referensram
I det här kapitlet presenteras information inom områden som kommer underlätta examens- arbetet.
2.1 Mekanisk bergavverkningsmaskin
Mobile miner 40V är specifikt utformad för att arbeta i silvergruvan Lucky Mine som är belägen i Kanada. Som tidigare beskrivits så är maskinen relativt smal för sin höjd och det är för att kunna maximera effektiviteten under avverkningen. Malmen ligger som ett tunt stående ark som är 600 m lång, ca 1000 m hög och 2-3 m tjock samt börjar på ca 1000 m djup under marken, se figur 4a. Dess utformning är då anpassad för att maskinen ska kunna följa malmådran på ett så effektivt sätt som möjligt. Maskinen ska börja avverka högst upp på ådran och jobba sig nedåt, när maskinen är klar med ett stråk så kommer tunneln att fyllas med betong. Maskinen transporteras tillbaka genom en transportunnel och börja avverka precis under föregående tunnel, se figur 4b. Det ska även vara möjligt för två maskiner att jobba simultant fast då på olika plan i ådran.
(a) Representation av malmådra
(b) Representation av malmbrytningen Figur 4: Representation av malmavverkning
Maskinen är utrustad med två stycken 4000 V elmotorer som driver hela maskinens hyd- raulsystem som i sin tur driver alla funktioner på maskinen. De främre larvbanden används för transporten av hela maskinen och den har en maxfart på 0.5 km/h.
Maskinen positioneras framför malmen som ska avverkas. AM spänner då fast sig mellan taket i tunneln och marken med hydraulcylindrar, se figur 5. DM kopplas då bort från AM för att undvika vibrationerna som uppkommer. Därefter startar avverkningen genom att SH börjar rotera samtidigt som de trycks mot malmen med stor kraft.
Figur 5: Representation av fastlåsdning av AM i tunnel
SH kan även vinklas för att kunna avverka mer malm under en cykel samt styra vilken rikting tunneln går, se figur 6. Den malm som bryts transporteras bort på transportbanden under maskinen och dumpas bakom för att forslas iväg. Det slutliga steget är att modulerna sammankopplas igen för att transportera sig till nästa avverkningsområde där arbetscykeln upprepas.
Figur 6: Representation av rotationen av SH
Runt kopplingen är utrymmet begränsad på grund av hydraulslangar, som ska passera direkt ovanför kopplingen samt att transportbandet för malm är placerad direkt under kopplingens plats, se figur 7.
Figur 7: Representation av kopplingens omgivningen i XZ-planet
Infästningspunkten för kopplingen på AM och DM består av 10 respektive 8 hål för M30 bultar, se figur 8.
(a) 10 hål på AM (b) 8 hål på DM
Figur 8: Infästningspunkter(markerat med rött) för kopplingen
DM har två hydrauliska stödben som som andvänds för på- och frånkoppling. Benen är placerade i framkant på DM, se figur 9
Figur 9: Representation av de hydrauliska stödbenen(markerat med rött) placerade på DM
2.2 Stabilitetstrianglar
Kopplingen mellan modulerna kan ha olika antal frihetsgrader, där dagens koncept har tre frihetsgrader. Tre frihetsgrader i kopplingen innebär att den kan rotera längs gir-, roll- och tipp-led. Med tre frihetsgrader kommer gruvmaskinen ha en stabilitetstriangel per modul, men vid en eller två frihetsgrader kommer maskinen ha en gemensam stabilitetstriangel.
Vid två frihetsgrader kan kopplingen rotera i gir- och tipp-led. Tre frihetsgrader ger för- delar med konstruktionen, men ger sämre stabilitet[3]. På grund av masscentrums höga positionering kommer maskinen bli instabil vid lutning i roll-led. Larvbanden kommer ha olika antal frihetsgrader beroende på hur många frihetsgrader kopplingen har. För denna stabilitetsanalys kommer tre olika fall undersökas:
• Fall 1: Tre frihetsgradig koppling och låst bakre larvband
• Fall 2: Två frihetsgradig koppling och ledad bakre larvband
• Fall 3: Två frihetsgradig koppling och låst bakre larvband
I figur 10 visas de olika fallen med stabilitetsområde där det röda krysset är placeringen av kopplingen.
(a) Fall 1 (b) Fall 2 (c) Fall 3 Figur 10: De tre olika fallen sett ovanifrån, där längderna är skrivna i mm
För de olika fallen ser stabilitetsområdet annorlunda ut. De gula trianglarna samt den lila rektangeln är stabilitetsområdena. För fall 1 är främre vagnens stabilitetsområde format utifrån larvbanden medan bakrevagnen är format från bakre larvbanden till kopplingen. För fall 2 och 3 har främre och bakrevagnen gemensam stabilitetstriangel, men är annorlunda vid bakrevagnen där fall 2 är till rotationenspunkten för larvbanden och fall 3 är till larvbanden.
För fall 1 så är masscentrum lokaliserat individuellt för de två modulerna. Vid fall 2 och 3 måste en gemensam tyngdpunkts position räknas ut. För de tre fallen måste en gemensam tyngdpunkt beräknas för AM och SH. Utifrån figurerna 11-13 där den mekaniska bergav- verkningsmaskinen är skisserad där DM är till vänster och AM och SH är till höger, med givna längder som ges i tabell 1.
Tabell 1: Längder relativt masscentrum Parameter Längd [mm]
LAM 3929
LS H 7984 LD M 4245
HAM 1893
HS H 1854 HD M 1630
Figur 11: Vy ovanifrån i XY-plan
Figur 12: Vy bakifrån i YZ-plan
Figur 13: Sidovy i XZ-plan
Från figurerna 14 - 16 och vinklarna från tabell 2 kan den gemensamma masscentrums- punkten beräknas för AM och SH utifrån ekvationerna 1 - 9.
Figur 14: Vy ovanifrån i XY-plan
Figur 15: Vy bakifrån i YZ-plan
Figur 16: Sidovy i XZ-plan
Tabell 2: Vinklar relativt koppling Parameter Vinkel [◦]
θgir ±70 θtipp ±10 θtipp,AM ±10 θtipp,DM ±10 θroll ±10 θgir,SH ±25
Masscentrum för AM och SH vid fall 1 beräknas den relativt AM vilket gör att θgir inte ändras och θtipp,AM samt θtipp,DM förändras istället för θtipp, men vid fall 2 och 3 när båda modulernas masscentrum ska beräknas ändras samtliga vinklar.
XF 1= cos(θtipp)cos(θgir)LAM (1)
XF 2= cos(θtipp)cos(θgir)cos(θgir,SH)LSH (2)
XF = XF 1WF 1+ XF 2WF 2
WF (3)
YF 1 = sin(θgir)LAM + sin(θroll)HAM (4)
YF 2= sin(θgir)cos(θgir,SH)LSH+ sin(θroll)HSH (5)
YF = YF 1WF 1+ YF 2WF 2
WF (6)
ZF 1= cos(θroll)HAM + sin(θtipp)LAM (7)
ZF 2 = cos(θroll)HSH+ sin(θtipp)cos(θgir,SH)LSH (8)
ZF = ZF 1WF 1+ ZF 2WF 2
WF (9)
Där WF 1 och WF 2 är vikten för AM respektive SH och WB är vikten för DM och finns i tabell 3.
Tabell 3: Vikter för delsystemen Delsystem Variabel Vikt [Ton]
AM WF 1 93
SH WF 2 47.2
Framvagn WF 140.2
DM WB 32
Total Wtot 172.2
För första fallet så är XF, YF och ZF koordinaterna för framvagnens masscentrum. För bakrevagnen kan masscentrum fås genom ekvationerna 10 - 12.
XB = LDMcos(θtipp,DM) (10)
YB= HDMsin(θroll) (11)
ZB= HDMcos(θroll) + LDMsin(θtipp,DM) (12) Där XB, YB och ZB är bakvagnens koordinater för masscentrum. Vid fall 2 och 3 sätts θtipp,DM till 0 och θtipp,AM blir θtipp. När masscentrum för AM och SH har sammanställts, så kan de individuella masscentrum ses i figur 17-19.
Figur 17: Vy ovanifrån i XY-plan
Figur 18: Vy bakifrån i YZ-plan
Utifrån ekvationerna 1-12 kan följande ekvationerna ges för den gemensamma masscentrum i fall 2 och 3.
xcg= XFWF + XBWB
Wtot (13)
ycg = YFWF + YBWB
Wtot (14)
zcg = ZFWF + ZBWB
Wtot (15)
Där Wi är vikten för respektive enhet, vilket finnes i tabell 3.
2.3 Hydraulisk cylinder
Den mekaniska bergavverkningsmaskinen drivs av ett hydraulsystem som har ett hydrau- liskt tryckspann på 15-25 MPa. Vid frånkoppling kan hydrauliska cylindrar användas för att utföra en linjär rörelse. En hydrauliskcylinder omvandlar ett hydrauliskt tryck till ett linjärt mekaniskt arbete. Hydrauliska cylindrar kan vara enkelverkande eller dubbelverkan- de, se figur 20. Den enkelverkande, övre bilden, kan bara ge en kraft i en riktning medan dubbelverkande, undre bilden, kan utveckla kraft i båda riktningarna.
Figur 20: Representation av de två typerna av hydrauliska cylindrar. [4]
För att undvika problem vid ett eventuellt slangbrott eller oväntat tryckfall så kommer hydraulcylidrarna förses med backventil för att behålla trycket. En backventil är konstru- erad så att hydrauloljan enbart kan flöda i ventilens ena riktning och sluter sig om oljans flödesriklting försöker ändras.
Beräkningen av den skjutande kraft ses i ekvation 16 och 17 och beräkningen av den dra- gande kraften ses i ekvation 18 och 19.
Au= πD2
4 (16)
Fu = phydAuηmh (17)
Ai = π(D2− d2)
4 (18)
Fi = phydAiηmh (19)
Där A är den verksamma arean, D är kolvens diameter, d är kolvstångsdiameter, F är kraften, phydär trycket på hydrauloljan och ηhm är den hydraulmekansika verkningsgraden.
Värdena finns i tabell 4.
Tabell 4: Hydraulcylinder data Variabel Värde Enhet
A - [mm2]
F - [N]
D - [mm]
d - [mm]
phyd 25 [MPa]
ηhm 0.85-0.95 [4] -
3 Koncept utveckling
Utifrån problembeskrivningen utfördes en parameteranalys som ligger till grund för koncept- genereringen. Konceptgenererningen utfördes separat och började med handritade ritningar som sedan visulaiserades i CAD. Efter evaluering med Pughs matris och diskussion med intressenter valdes två koncept.
3.1 Kravspecifikation för koncept
Inför generingen av koncept togs sju olika krav fram tillsammans med handledare som sedan skulle vara med i evalueringen. Kraven hade olika vikt på grund av hur stor betydelse de hade. De olika kraven och respektive viktning finns i tabell 5.
Tabell 5: Krav och viktning Krav Viktning (1-5)
Komponenter 2
Storlek 3
Frånkoppling 5
Låsning 5
Miljöanpassad 3
Stabilitet/säkerhet 5
Snedställning 4
Kraven är olika funktioner eller konstruktionskrav på koncepten. Komponenter är antalet komponenter i konstruktionen och färre komponenter ger positivt resultat. Fler kompo- nenter resulterar i en mer komplex konstruktion. Storlek är hur stort utrymme kopplingen tar i det begränsade utrymmet. Frånkoppling och låsning är själva funktionen, där låsning kan vara geometrisk låsning samt extern låsning. Miljöanpassad är hur kopplingen klarar av de hårda klimatet nere i gruvan, så som att grus eller stenar faller när kopplingen är frånkopplad. Stabilitet är framförallt taget från parameteranalysen och två frihetsgradig koppling är stabilare än tre frihetsgradig koppling. Sista kravet är snedställning och det är hur kopplingen hanterar om AM och DM ställs annorlunda under avverkningsprocessen och det bildas en snedställning. De viktigaste funktionerna ansågs, med samspråk med Epiroc, vara frånkopplingen, låsningen och stabilitet/säkerhet.
3.2 Parameteranalys
Utifrån kapitel 2.2 kunde en parameteranalys ställas upp för att studera stabiliteten i den mekaniska bergavverkningsmaskinen i de olika fall, som listades i kapitel 2.2. Parametera- nalysen studerar hur masscentrum förhåller sig till stabilitetstrianglarna vid de olika vin- kelförändringarna som finns i tabell 2. Resultatet av parameteranalysen vid bara rotation i roll-led finns i figur 21 där maskinen visas ovanifrån.
(a) Fall 1 (b) Fall 2 (c) Fall 3
Figur 21: Parameteranalysen vid rotation i roll-led
Blå pricken motsvarar masscentrum. Vid enbart rotation i roll-led välter bakrevagnen vid 17° vid fall 1, men vid fall 2 och 3 välter vid 38°. Vid sväng i gir-led på 70° och SH i 25 grader och tipp-led 10° ändras resultatet, se figur 22.
(a) Fall 1 (b) Fall 2 (c) Fall 3
Figur 22: Parameteranalysen vid rotation i roll-led och gir-led
Fall 1 klarar fortfarande inte 17°, men både fall 2 och 3 klarar mer än 38°.
3.3 Generering
Utifrån parameteranalysen var fall 2 och 3 stabilare vilket gjorde att bara två frihetsgradiga kopplingar generades som roterar i gir- och tipp-led. Genereringen skedde genom kraven
3.3.1 Koncept 1
För koncept 1 är frånkopplingen placerad i gir-axeln. Kopplingen består av tre huvudsakliga delar; fästet för DM, rotationsenheten och fästet i AM, se figur 23.
Figur 23: Koncept 1 ISO-vy
Vid frånkoppling kommer de två hydrauliska stödbenen att fällas ner från DM och få kontakt med marken. I nästa steg kommer en hydrauliskcylinder att frigöra den undre konformade delen från fästet, se figur 24, och sedan kommer DM med de två hydrauliska stödbenen att lyfta upp den bakre delen av kopplingen för att skapa separation mellan enheterna. För att låsa koppingen kommer de hydrauliska stödbenen att sänka ner DM tills den övre konan har kontakt med fästet och låser kopplingen med den undre konan.
Figur 24: Koncept 1 tvärsnitt: Bild till vänster när kopplingen är låst, mitten öppningen av cylinder och högra bilden visar kopplingen öppen
En fördel med denna konstruktion är att den klarar en viss snedställning vid påkopplingen samt att den alltid är geometriskt bunden till varandra även vid frånkoppling och på så sätt klarar av en eventuell snedställnig.
3.3.2 Koncept 2
Kopplingen består av tre huvudsakliga delar, fästet för DM, rotations enheten samt fästet i AM se figur 25.
Figur 25: Koncept 2 ISO-vy
Frånkoppling kommer i detta koncept att ske i tipp-led. Frånkopplingssekvensen startar med att de två armarna frigör DM, se figur 26. Därefter används de två hydraulisk stödbenen för att frikoppla DM. Vid påkoppling sänker sig DM ned till den vilar i armarna som låser kopplingen. Armarna som sköter låsningen är monterade på den främre delen av kopplingen och styrs med hydraulik, se figur 26.
Figur 26: Koncept 2 tvärsnitt: Bild till vänster när kopplingen är låst, mitten öppningen av cylinder och högra bilden visar kopplingen öppen
Denna typ av koppling har ingen geometrisk låsning som gör att kopplingen alltid går att återansluta.
3.3.3 Koncept 3
Denna består som tidigare koncept av ett fäste för DM, en rotationsenhet samt ett fäste för AM, se figur 27.
Figur 27: Koncept 3 ISO-vy till vänster och en tvärsnittsvy till höger
Frånkoppligen sker vid tippaxeln och är lagrad i både gir- och tipp-led. Frånkopplingsse- kvensen börjar med att axellåsningen frånkopplas genom att dra in hydraulcylinder. Se- parationen skapas genom att DM lyfter upp sig med de hydrauliska stödbenen, se figur 28. Vid påkoppling sänker DM ned sig och hakar i kopplingen igen. Påkopplingen slutförs genom att hydraulcylindern skjuter upp och låser axeln, se figur 28.
Figur 28: Koncept 3 tvärsnitt: Bild till vänster när kopplingen är låst, mitten öppningen med cylinder och högra bilden visar kopplingen helt öppen
Konceptet är som de första, alltid geometriskt låst så det klarar en viss snedställning vid påkoppling, se figur 28.
3.3.4 Koncept 4
Koncept 4 är uppbyggt av tre element ett fäste för DM, en mittendel för rotationen och ett fäste för AM, se figur 29.
Figur 29: Koncept 4: ISO-vy
Frånkopplingen sker i gir-led och är lagrad i både gir- och tipp-led. Frånkopplingen sker genom att de hydrauliska stödbenen skjuts ut för att ta vikten av DM. Sedan dras den övre konan upp med hjälp av en hydrauliskcylinder, se figur 30. DM lyfts nu upp för att skapa en separation i kopplingen, se figur 30. Vid påkopplingen sänks DM ned och låses med de två konorna och den övre förs ned med en hydraulcylinder så stödbenen dras upp för att slutföra påkopplingssekvensen. Kopplingen är också geometriskt låst vilket gör att den klarar en viss snedställnigen vid påkoppling.
Figur 30: Koncept 4 tvärsnitt: Bild till vänster när kopplingen är låst, mitten bilden öpp- ningen av övre kona och högra bilden visar kopplingen helt öppnad
3.3.5 Koncept 5
Konceptet är baserat på koncept 4 och fungerar i stora drag på samma sätt. De som skiljer koncepten åt är den undre delen, se figur 31, samt att mittenheten sköter låsningen.
Figur 31: Koncept 5: ISO-vy
Underdelen är tillagd för att kunna ta upp ett högre vridande moment och gör kopplingen mer robust. Konceptet har två hydraulcylindrar för den linjära rörelsen samt koniska delar för att låsa kopplingen, se figur 32. Denna koppling har även den en geometriskt låsning.
Figur 32: Koncept 5 tvärsnitt: Bild till vänster när kopplingen är låst, mitten bilden öpp- ningen av undre kona och högra bilden visar kopplingen helt öppnad
3.3.6 Koncept 6
Koncept 6 syns i figur 33. Rotationen sker i gir-led närmast AM och i tipp-led i fästelementet som är placerat på DM, som visas längst till vänster i figur 33. Låsningen sker i tipp-led där axeln kopplas på ett U-format hålsäte.
Figur 33: Koncept 6 ISO-vy
Kanterna på hålsätet är fasade för att underlätta påkopplingen vid snedställning. För lås- ning i vertikalled ska ett fästelement fästas mellan fästet till DMs olika lagersäten. Vid frånkoppling kommer axeln alltid vara inom ett visst område, som kan ses i figur 34b, vilket gör det möjligt att alltid hamna rätt vid låsning. Vid frånkopplingen höjs fästet till DM med hjälp av de hydrauliska stödbenen och sänks vid påkoppling, se figur 34.
(a) Sidovy vid låst läge (b) Sidovy vid olåst läge Figur 34: Sidovy av koncept 6 vid låst och olåst läge
3.3.7 Koncept 7
Figur 35: Koncept 7 ISO-vy vid låst och olåst läge
(a) Kardanknut monterad
(b) Kardanplus Figur 36: Kardanknut
Låsningen sker i kardanknuten i vertikaldel där låselementet höjs av en hydraulisk cylinder till en viss sträcka. Fästet höjs på DM av de hydrauliska cylindrarna från drivmodulen så inget är i kontakt. Den vertikala axel är uppspänd med hjälp av en fjäder för att hålla sig vertikal. Hålen där fastsättningen sker är fasade likt en kon för att förenkla låsningen vid snedställning. För på- och frånkoppling av koncept 7 ses i figur 37.
Figur 37: På- och frånkoppling av koncept 7
3.3.8 Koncept 8
Koncept 8 är unik jämfört med de andra då fastlåsningen inte sker i någon av rotationsle- derna, se figur 38.
Figur 38: Koncept 8 ISO-vy
Kopplingen är uppdelad i två element, det är rotationsdelen för både gir- och tipp-led och fastlåsningsdelen. Fastlåsningsdelen är kopplad till drivmodulen och fästs på rotationsdelen genom två axlar som är fastsatta undertill och fäst i två fasade hål. Därefter spänns allt genom en cylinder som placeras i ett hål på fastlåsningsdelen där allt låses med två hydra- cylindrar. För frånkoppling höjs fästet till DM med hjälp av de hydrauliska stödbenen på DM. För från- och påkoppling, se figur 39.
Figur 39: På- och frånkoppling av koncept 8
3.4 Evaluering
Utifrån de åtta genererade koncepten kunde en evaluering bli utförd genom att utvärdera dem utifrån en Pughs matris samt en workshop med Epiroc för att välja vilka koncept som ska vidareutvecklas.
3.4.1 Pughs matris
En Pughs matris gjordes för att evaluera de nya koncepten med det existerande konceptet utifrån de sju kraven som definerades i kapitel 3.1. Pughs matrisen kan ses i bilaga A. Ett värde på ”+” om nytt koncept anses bättre än det existerande konceptet på ett krav, ”-”
om den anses sämre och ”0” om de är likvärdiga. De två koncepten som ansågs vara bättre än nuvarande konceptet, utifrån Pughs matrisen, är koncept 3 och 6.
Efter workshop med handledare valdes två koncept ut vilket var koncept 3 och 7. Koncept 7 valdes då den skiljde sig mer från de andra som hade bättre resultat från Pughs matrisen.
Koncepten skiljer sig framförallt i att frånkopplingen sker i tipp- respektive gir-led.
3.5 Friläggning av DM
För att dimensionera kopplingarna beräknades reaktionskrafterna i fästelementet för bakre vagnen. I kapitel 2.1 nämndes det att maskinen åker i 0.5 km/h vilket gör att systemet kan antas vara kvasistatisk[5]. Värsta fallet anses vara fall 3 när AM kör över ett gupp på en sida av larvbanden och tvingar DM att följa med. Utifrån figurerna 40-42 ses friläggningarna på DM.
Figur 40: AM sett underifrån i XY-plan
Figur 41: AM sett från sidan i XZ-plan
Figur 42: AM sett bakifrån i YZ-plan
Fallet som undersöks är när högra larvbandet precis släpper marken och rotationen sker vid vänstra larvbandet. DM påverkas av både roll- och tipp-vinkeln och för att enklare få ut krafterna delas gravitationskrafter upp i tre komponenter vilket är Fx, Fyoch Fz. Krafterna fås utifrån figur 43.
Där Fg är samma som mDMg. För att bryta ut Fx, Fy och Fz används ekvationerna 20 - 22.
mDMg=qFx2+ Fy2+ Fzt (20)
Fxz= Fz
cos(θtipp) = Fx
sin(θtipp) (21)
Fyz = Fz
cos(θroll) = Fy
sin(θroll) (22)
Utifrån figur 43 och ekvationerna 20 - 22 kunde ekvationerna 23-25 ställas upp.
Fz = mDMg
q1 + tan(θtipp) + tan(θroll) (23)
Fx= Fztan(θtipp) (24)
Fy = Fztan(θroll) (25)
Där mDM är samma som WB som finnes i tabell 3. För värsta fallet när larvbandet släpper marken är θtipp 0° och θroll nästintill 0°.
Vid dimensionering av kopplingen beräknades reaktionskrafterna RKx, RKy och RKz samt momentet Myz från ekvationerna 26-32.
XY →: RKx+ RLBx− Fx= 0 (26)
XY ↑: RKy− RLBy+ Fy = 0 (27)
XY x K : RLBy(LLBx+ LKx) − FyLKx− RLBxLLBy = 0 (28)
XZ ↑: RKz+ RLBz− Fz= 0 (29)
XZ x T P : RKxLKz+ RKzLKx − RLBxLLBz− RLBzLLBx= 0 (30)
RT Bx = µRT Bz (31)
Y Z x LB : FyLT Bz− F zLLBy+ RKy(LLBz− LKz) + RKzLLBy+ Myz= 0 (32)
Tabell 6: Längder Variabel Värde [m]
LLBx 2.85
LLBy 0.500
LLBz 1.63
LKx 0.400
LKz 0.250
µantas vara 0.5[1]. Utifrån ekvation 23-32 och längder från tabell 6 har RKx, RKy, RKz och Myz beräknats och visas i tabell 7
Tabell 7: Reaktionskrafter i fästet till koppling Variabel Värde Enhet
RKx 105.28 kN
RKy 7.42 kN
RKz 103.37 kN
Myz 116.63 kNm
4 Vidareutveckling av valda koncept
Efter evaluering blev de utvalda koncepten vidareutvecklade samt dimensionerades för att klara de krafter, som beräknades i kapitel 3.5 samt att uppfylla geometriska krav. Vid modelering användes CREO och för FEM-analysen användes CREO simulate. För FEM- analysen användes en mesh på 10 mm och CREO Simulate använder sig av en inbyggd Von Mises för beräkning av spänningarna. Spänningarna i hålen för skruvarna negligerades.
4.1 Koncept A
Koncept A är vidareutveckling från koncept 3 då det hade det bäst resultat vid evaluering.
Dess utformningen gör att den med lätthet kan anpassas för montering på AM, men en del modifieringen behöver göras på DMs fäste då tippaxeln behöver vara relativt bred samt utrymme för hydrauliska låsningen behöver ordnas. En modell av det slutliga konceptet kan ses i figur 44 och delarna kan ses i tabell 8.
Figur 44: ISO-vy av koncept A med numrering
Tabell 8: Komponentlista för koncept A
Nr Namn Antal
1 AM fäste 1
2 Kopplingsarmar 2
3 Fästplatta 1
4 Hydraulcylinder 1
5 Tippaxel 1
6 Expander system 2
7 Axeldistanser 2
8 Midja 1
4.1.1 Utveckling av koncept
Vid detta avsnitt kommer dimensionering och vidareutveklingen att hanteras. En frilägg- ning genomfördes för att beräkna de resulterande krafterna i DM fästet. De resulterande krafterna ses i figur 45 och beräknas i ekvation 33 - 37 utifrån krafterna från DM i kapitel 3.5. Variabelvärden till figurer och ekvationer kan hittas i tabell 9.
(a) Friläggning i XY-plan
(b) Friläggning i YZ-plan Figur 45: Friläggning av DM fäste
XY ↑: RLx+ RRx= RKx (33)
XY ←: Ry = RKy (34)
