TQMT11, 16 hp,
Maskinteknik
IEI/Maskinkonstruktion
Vårterminen 2018
LIU-IEI-TEK-G--18/01454--SE
Prototypframtagning av kabelsopmaskin
Product development of cable brush machine
Anton Lundqvist Anton Nordqvist
Handledare: Marcus Eriksson Examinator: Mehdi Tarkian
Linköpings universitet SE-581 83 Linköping, Sverige 013-28 10 00, www.liu.se
Förord
Inledningsvis vill vi tacka vår handledare Marcus Eriksson som bidragit med sin tid och engagemang för att besvara våra funderingar och tankar. Våra opponenter Simon Stolpe och Nils Slycke har hjälpt oss under arbetets gång och alltid ställt upp när vi behövt råd.
Vi vill också rikta ett stort tack till alla anställda på Holms som mottagit oss på bästa sätt och låtit oss arbeta fritt och göra det vi tror på men ändå bidragit med tankar och idéer. Framförallt Mia Wennerbo och Ulf Österberg på konstruktionsavdelningen. De har också avsatt tid i deras produktion för att hjälpa oss vilket verkligen har uppskattats.
Sammanfattning
Kabelgrävning är ett arbete som blir dyrt då det är tidskrävande och risken för kabelbrott är överhängande. Ofta sker det då grävskopan används i direkt kontakt med kabelstammen. Syftet med arbetet grundar sig i att Holms befinner sig i en produktmässig expansionsfas vilket i deras fall innebär att de vill tillverka fler redskap till grävmaskiner. Målet är att framställa en CAD-modell och tillverkningsunderlag på en första prototyp av en så kallad kabelsopmaskin. Arbetet utförs på Holms Industri i Motala som idag konstruerar och tillverkar väghållningsredskap till framförallt traktorer och hjullastare.
Metoden utgår från Ullmans process för produktutveckling som modifierades för att passa detta arbete. Konceptutvecklingen delades in i två faser där den första fasen blev grova skisser på hur kabelsopmaskinen skulle kunna se ut. Resultatet från den första fasen togs vidare till den andra fasen där fokus lades på att göra koncepten mer detaljrika för att på så vis komma framåt i produktutvecklingen.
Detaljkonstruktionen av prototypen påbörjades med det slutgiltiga konceptet som underlag. Fokus låg på att göra detaljerna lätta att producera och montera. Detta för att minimera kravet på svetsfixturer, minska produktionstiden samt få ett konsekvent resultat. Tillverkningsunderlag skapades sedan utifrån CAD-modellerna.
Resultatet av arbetet blev en prototyp av kabelsopmaskinen som gjordes med 3D-modeller och tillverkningsunderlag för att kunna bygga och testa den.
Abstract
Cable excavation is a work that becomes expensive as it is time consuming and the risk of cable breaks is imminent. It often happens when the excavator is used in direct contact with the cable strap. The purpose of the work is that Holms is in a product expansion phase, which in turn means that they want to manufacture more tools for excavators. The aim is to produce a CAD model and manufacturing base for a first prototype of a so-called cable brush machine. The work is being carried out at Holms Industri located in Motala, which today designs and manufactures road maintenance tools for mainly tractors and wheel loaders.
The method is based on Ullman's product development process, which was modified to suit this work. The concept development was divided into two phases where the first phase became rough sketches of how the cable machine could look. The result from the first phase was taken to the second phase, focusing on making the concepts more detailed in order to progress. The detailed design of the prototype began with the definitive concept as a base. To minimize the requirement for welding fixtures, reducing production time and achieving consistent results the focus was on making the details easy to produce and assemble. Manufacturing bases were then created from the CAD models.
The result of the work became a prototype of the cable brush machine, made with 3D models and manufacturing bases to build and test it.
Innehållsförteckning
1
Inledning ... 1
1.1 Syfte och bakgrund ... 1
1.2 Mål ... 1 1.3 Frågeställningar ... 2 1.4 Avgränsningar ... 2
2
Metod ... 3
2.1 Design för X ... 4 2.2 Standardkomponenter ... 43
Teori ... 5
3.1 Hur kabelsopmaskinen kan användas... 5
3.2 Hydraulmotor ... 5 3.3 Transmission ... 5 3.4 Hydraulcylinder ... 6 3.5 Grävmaskinsfäste ... 7
4
Konceptutveckling ... 8
4.1 Kravspecifikation ... 8 4.2 Konceptfas 1 ... 9 4.3 Konceptfas 2 ... 125
Detaljkonstruktion ... 15
5.1 Borstarm ... 16 5.2 Borstpaket ... 17 5.3 Adapterplatta ... 18 5.4 Uppsamlingskärl ... 19 5.5 Standardkomponenter ... 20 Hydraulmotor ... 20 Transmission ... 21 Kullager ... 23 Glidlager ... 23 Hydraulcylinder ... 24 5.6 Tillverkningsunderlag ... 256
Resultat ... 26
7
Diskussion och slutsatser ... 29
7.1 Slutsatser ... 31
Referenser ... 32
Figurförteckning
Figur 1. Konceptutvecklingsmodellen som ska användas ... 3
Figur 2. Exempel på en beslutsmatris ... 3
Figur 3. Skiss av en kedjetransmission. (Anon., 1911) ... 5
Figur 4. Kedje- eller remhjul med moment och kraft ... 6
Figur 5. Schematisk figur över en hydraulcylinder ... 6
Figur 6. Symmetriska snabbfästen (S-standarden) (Maskinleverantörerna, 2011) ... 7
Figur 7. Snabbfäste med automatiskt anslutna hydraulkopplingar (Steelwrist AB, u.d.) ... 7
Figur 8. Koncept 1 ... 9 Figur 9. Koncept 2 ... 10 Figur 10. Koncept 3 ... 10 Figur 11. Koncept 4 ... 11 Figur 12. Koncept 5 ... 12 Figur 13. Koncept 6 ... 13 Figur 14. Koncept 6 ... 13
Figur 15. Exempel på styrspår och klackar för att underlätta fixering innan svetsning ... 15
Figur 16. Modell av borstarmen ... 16
Figur 17. Borstpaket som enkelt kan tillverkas i olika bredder ... 17
Figur 18. Sprängskiss av borstpaket ... 17
Figur 19. Modell av adapterplattan ... 18
Figur 20. Modell av uppsamlingskärlet ... 19
Figur 21. Hydraulmotorn som används i prototypen ... 20
Figur 22. Bent-axis motor (Kayani & Sohaib, 2011) ... 20
Figur 23. Drivningen mellan motor och drivaxel sker med kedja ... 21
Figur 24. Kedjan spänns genom att flytta adapterplattan med hydraulmotor uppåt ... 22
Figur 25. Y-lagerenhet (SKF, 2013) ... 23
Figur 26. Glidlager (SKF, 2010) ... 23
Figur 27. Krafter och avstånd som användes vid beräkning ... 24
Figur 28. Hydraulcylinder som används i prototypen ... 25
Figur 29. Färdig modell av prototypen ... 26
Figur 30. Färdig modell av prototypen ... 27
Figur 31. Färdig modell av prototypen ... 27
Figur 32. Bild på tillverkad prototyp ... 28
Figur 33. Bild på tillverkad prototyp ... 28
Tabellförteckning
Tabell 1. Kravspecifikation ... 8Tabell 2. Beslutsmatris 1 ... 11
Nomenklatur
Bent axis-motor En typ av hydraulmotor som kan vara fysiskt kortare än vanliga hydraulmotorer med samma deplacement.
BOM-tabell Bill of Materials är en tabell som beskriver alla ingående artiklar och antal i en produktstruktur.
Creo CAD-program som används vid Linköpings universitet.
DXF Filformat för CAD. Används ofta som verktyg för att importera 2D-ritningar till skärmaskin.
Kabelschakt Det grävda diket som kabelstammarna ligger i.
KKR-rör Kallformat konstruktionsrör som är fyrkantigt i profil. Standardkomponenter Komponenter som köps från Holms leverantörer. SolidWorks CAD-program som används av Holms.
Maskinist Maskinföraren som opererar grävmaskinen.
S355MC plåt Vanligt använt konstruktionsstål med sträckgräns på 355 MPa. (TATA Steel, 2014)
STEP Filformat för CAD. Vanligt förekommande för att skicka 3D-modeller mellan CAD-program.
Väghållningsredskap Redskap som monteras på till exempel traktorer. Kan vara till exempel en plog, upptagande sopmaskin eller sandspridare. Windchill PLM-verktyg (Product Life Management) som organiserar alla
Inledning
1 Inledning
Kabelgrävning eller grävning i närheten av befintliga kabelstammar är idag ett arbete som är tidskrävande och dyrt på grund av att det ibland sker kabelbrott. Kabelbrotten sker ofta då grävskopan av misstag används för nära kablarna. En produkt som skulle göra att arbetet både går fortare samt minskar antalet kabelbrott anses ha högt värde på marknaden.
1.1 Syfte och bakgrund
Syftet med arbetet grundar sig i att Holms befinner sig i en produktmässig expansionsfas vilket i deras fall innebär att de vill tillverka fler redskap till grävmaskiner. Dessutom ser Holms ett behov på marknaden för ett redskap som kan frilägga kablar genom att borsta fram dem. Tanken med maskinen är att minimera risken för kabelbrott då det är väldigt dyrt och tidskrävande. Det gäller både företag såväl som privatpersoner.
”En privatperson fick en gång en räkning på hela 1,7 miljoner kronor” (Trafikverket, 2016)
Arbetet utförs på Holms Industri i Motala som idag tillverkar frontmonterade väghållningsredskap som till största del används till traktorer och hjullastare. Innan arbetet börjar har ett projekt på en förstudie genomförts för att ta reda på hur grävarbete går till väga i form av marknadsundersökningar och intervjuer. Projektgruppen tog även fram två koncept för hur en kabelsopmaskin skulle kunna se ut samt hur den skulle kunna fungera. (Nordkvist, et al., 2018)
1.2 Mål
Det huvudsakliga målet med arbetet är att framställa en CAD-modell och tillverkningsunderlag i form av ritningar på en första prototyp av en så kallad kabelsopmaskin. Dessutom ska standardkomponenter såsom motor, kuggkedja, kugghjul och cylinder väljas för att kunna tillverka en första prototyp av en kabelsopmaskin. I mån av tid ska även tillverkning av prototypen påbörjas för att Holms ska kunna testa och utvärdera den.
Inledning
1.3 Frågeställningar
För att kunna uppnå målen ska dessa frågeställningar besvaras:
• Vilket koncept från tidigare projekt väljs för fortsatt produktutveckling? • Hur designas prototypen för att passa Holms nuvarande tillverkningsmetoder? • Vilka standardkomponenter ska väljas?
1.4 Avgränsningar
Arbetet utgår från ett av koncepten som togs fram i tidigare projekt, vilket innebär att grunden för prototypen redan är gjord. Prototypen ska passa in i deras produktion, vilket innebär att de tillverkningsmetoder som Holms arbetar med idag ska användas. Därav kommer inte alternativa tillverkningsmetoder övervägas om inte absolut nödvändigt. Alla inköpta komponenter ska helst komma från leverantörer de redan har idag.
Metod
2 Metod
Metoden som används kommer ursprungligen från Ullman (2010) och ska förbättra samt underlätta produktutvecklingsarbetet. För att metoden ska passa detta arbete modifierades den vilket åskådliggörs i Figur 1.
Figur 1. Konceptutvecklingsmodellen som ska användas
En detaljerad kravspecifikation behövs innan konceptgenereringen kan påbörjas. Den skapas utifrån kravspecifikationen från förstudien och med hjälp av nya kunskaper om produkten som erhållits. För att avgöra vilket koncept som kommer arbetas vidare med kommer beslutsmatriser användas som ett verktyg, men framförallt ska diskussioner med handledare på Holms avgöra vilket koncept som väljs. Beslutsmatrisen används genom att ett antal viktiga funktioner bestäms och sedan poängsätts varje koncept utifrån den matrisen. Ju högre poäng, desto bättre koncept. Figur 2 visar ett exempel på en sådan beslutsmatris.
Metod
Konceptgenereringen var redan inledd på två spår när arbetet påbörjades då det tidigare arbetet visat att de bästa alternativen var antingen en grävskopa med borste eller en borste med uppsamlingskärl (Nordkvist, et al., 2018). Detta ligger som grund för konceptgenereringen och betyder att arbetet inte påbörjas från grunden.
För att generera koncept används metoden brainstorming. Detta innebär att ett antal personer kommer med idéer som alla ska antecknas. Koncepten får gärna vara annorlunda och ovanliga för att vidga vyerna. Det är viktigt att inte döma idéerna under brainstormingens gång då de utvärderas efter att övningen avslutats. Med denna metod kommer ofta de triviala koncepten fram först för att sedan gå över till överdrivna och ofta icke realiserbara koncept för att sedan komma till det stadiet där idéerna är ovanliga men realiserbara. (Ullman, 2010)
Det valda konceptet kommer sedan användas som grund för detaljkonstruktionen av prototypen. Detaljkonstruktionen utförs med hjälp av Creo och Windchill för att bygga en komplett prototyp i 3D. Avslutningsvis skapas tillverkningsunderlag för att kunna tillverka en prototyp utifrån 3D-modellen. Ritningarna ska följa Holms struktur och därför kommer ritramarna göras så lika som möjligt.
2.1 Design för X
Design för X innebär att ha olika saker i åtanke när designen görs. I detta arbete kommer fokus ligga på design för tillverkning och design för montering. Design för tillverkning innebär bland annat att i så stor mån som möjligt välja standardkomponenter, minimera antal tillverkningsmetoder, använda modulär design samt använda samma komponent till flera saker. (Kou, et al., 2001)
Om design för tillverkning är i fokus kan till exempel styrkanter och hål användas för att minska tiden avsevärt vid fixering innan svetsning. Då minskar tiden som krävs för att mäta och lägga alla detaljer till rätta och samtidigt antalet fixturer som skulle behövas vid tillverkningen. (Ullman, 2010)
Design för montering innebär att komponenterna bland annat ska vara självjusterande och vara symmetriska för att minimera risken att det monteras fel samt att det skall gå snabbt och vara smidigt. (Kou, et al., 2001)
2.2 Standardkomponenter
Standardkomponenter kommer väljas i samråd med Holms då de har inköpare som vill begränsa antalet underleverantörer samt föredrar befintliga leverantörer. Priset på komponenten är också viktigt. Detta medför att vissa komponenter inte kan väljas för att tillfredsställa Holms och produktens behov.
Teori
3 Teori
I detta kapitel redogörs teorin bakom hur kabelsopmaskinen kan användas och viktiga komponenter i produkten.
3.1 Hur kabelsopmaskinen kan användas
Kabelgrävning som utförs idag kräver oftast minst två stycken operatörer: en maskinist som styr grävmaskinen och en montör som hjälper till genom att visa var det ska grävas. När grävningen närmar sig kablarna ska ett markeringsband upptäckas för att förvarna maskinisten. Där är montören, med en spade som verktyg, extra betydande då hen mer noggrant kan se hur djupt maskinisten ska gräva. (Nordkvist, et al., 2018)
Kabelsopmaskinen är tänkt att bli ett komplement till dagens breda sortiment av kabelskopor. Den kan framförallt användas efter att maskinisten grävt ett kabelschakt hela vägen ned till markeringsbandet som markerar att kabelstammen ligger nära. Då byter maskinisten ut skopan mot kabelsopmaskinen för att borsta upp det sista lagret med sand och jord utan risk för kabelbrott. När uppsamlingskärlet är fullt töms den på liknande sätt som en vanlig grävskopa. (Nordkvist, et al., 2018)
3.2 Hydraulmotor
Principiellt fungerar en hydraulmotor genom att olja pumpas genom den vilket gör att motoraxeln roterar. Varvtalet och kraften på motoraxeln bestäms av oljeflödet respektive oljetrycket. Från leverantören fås ofta tekniska data såsom deplacement, varvtal och moment. (HAWE, 2017)
3.3 Transmission
En transmission överför kraft och varvtal mellan till exempel en hydraulmotor och drivaxel. Aktuella transmissioner för detta arbete anses vara kedjedrift eller remdrift som båda använder sig av samma princip då de båda är relativt enkla och samtidigt driftsäkra. Via ett drivet hjul som monteras på motoraxeln överförs kraften till en kedja eller rem som sedan driver ett andra hjul. En skiss av en kedjetransmission visas i Figur 3.
Teori
Kraften i kedjan eller remmen kan beräknas med hjälp av följande formel (Jens-S, 2006): 𝑀 = 𝐹 ∗ 𝑅 (1)
Som kan skrivas om till:
𝐹 =𝑀
𝑅 (2)
Där M är momentet från till exempel en motor, F är kraften i kedjan eller rem och R är avståndet från centrum till delningsdiametern på hjulet. Figur 4 beskriver detta.
Figur 4. Kedje- eller remhjul med moment och kraft
3.4 Hydraulcylinder
Då en linjär rörelse ska utföras kan en hydraulcylinder användas. Den drivs av hydraulik samtidigt som den är stark och robust trots sin lilla storlek. Kraften som erhålls från cylindern kan beräknas om trycket P1 och P2 är känt samt diametrarna D1 och D2 på kolv och kolvstång. Se Figur 5. I ekvationerna 3 och 4 beskrivs de två olika krafterna som cylindern kan trycka respektive dra med (Eriksson & Karlsson, 1997):
𝐹𝑡𝑟𝑦𝑐𝑘𝑎𝑛𝑑𝑒 = 𝑃1 ∗ 𝜋𝐷12 4 (3) 𝐹𝑑𝑟𝑎𝑔𝑎𝑛𝑑𝑒 = 𝑃2 ∗ 𝜋(𝐷12− 𝐷22) 4 (4)
Teori
3.5 Grävmaskinsfäste
Det finns flera olika grävmaskinsfästen på marknaden men i det här arbetet ligger fokus på fästen med så kallad S-standard, symmetriska snabbfästesstandarden. Snabbfästen används för att snabbt och enkelt kunna byta mellan olika redskap, vanligtvis grävskopor. I standarden finns drygt tio olika storlekar på snabbfästen för att passa små som stora grävmaskiner. Figur 6 visar skisser över dessa snabbfästen. (Maskinleverantörerna, 2011)
Figur 6. Symmetriska snabbfästen (S-standarden) (Maskinleverantörerna, 2011)
Utöver dessa snabbfästen finns varianter som inte bara automatiskt kopplar på redskapet utan samtidigt kopplar in hydrauliken. De är väldigt användbara om redskapet till exempel har hydrauliskt driva borstar som direkt kan börja användas så fort den kopplats till snabbfästet. (Steelwrist AB, u.d.)
Konceptutveckling
4 Konceptutveckling
Det här kapitlet presenterar hur processen för konceptutvecklingen gick till, vilka koncept som togs fram samt det slutgiltiga konceptet. Det gjordes med hjälp av en kravspecifikation, brainstorming, beslutsmatriser men framförallt diskussioner med handledare på Holms.
4.1 Kravspecifikation
Utifrån den tidigare gjorda kravspecifikation i förstudien skapades en mer exakt version som visas i Tabell 1. Den viktigaste funktionen var fortfarande att frilägga kabelstammar med minimal risk för skador, men några andra ändrades. Till exempel ansågs stänkskydd vara ett krav istället för önskemål som det tidigare var.
Från förstudien fanns två förslag på principiella koncept som efter resonemang reducerades till ett; borste med uppsamlingskärl. Detta framförallt för att det passar in i Holms nuvarande sortiment och liknar deras befintliga produkter. En skopa skulle göra att de ska börja utforska en ny marknad vilket inte var lika aktuellt. (Nordkvist, et al., 2018)
Konceptutveckling
4.2 Konceptfas 1
Konceptgenereringen gick ut på att vidareutveckla det principiella konceptet, borste med uppsamlingskärl, genom att hitta olika sätt att lösa problemen. Koncepten nedan är inte nödvändigtvis de enda sätten att kombinera lösningarna utan de ska representera funktioner som sedan kan kombineras ihop på valfritt vis. Alla drivs av en hydraulmotor och har en detalj längst fram på uppsamlingskärlet som ska vara skonsamt mot kablarna vid eventuell kontakt. Tömningen av jorden som samlats upp sker genom att luckan längst bak öppnas med hjälp av en hydraulcylinder och sedan roteras kabelsopmaskinen för att allt innehåll ska välla ut. Koncepten visualiseras med både S40 och S60 grävmaskinsfäste för att visa på största storleksskillnaden mellan dessa. I verkligheten används bara ett snabbfäste per redskap.
Koncept 1 som illustreras i Figur 8 är ett fast uppsamlingskärl där tömningen visualiseras till vänster i figuren. Drivningen är placerad i mitten för att maximera den effektiva borstbredden, men det medför att det blir ett litet mellanrum i mitten dit borstarna inte når. Hydraulmotorn är placerad längst upp och driver en kedjetransmission som i sin tur ger drivkraft åt borstarna. Transmissionen består av två hjul och en kedja.
Konceptutveckling
Koncept 2 visas i Figur 9 och har ett avtagbart uppsamlingskärl för att utvidga användningsområdena. Då kan maskinisten plocka av uppsamlingskärlet när det är lämpligt att till exempel borsta på sidan av kabelschaktet. Drivningen är placerad i mitten av samma anledningar som för koncept 1, men skillnaden är att armen i koncept är 2 bärande. Detta för att kunna plocka bort sidoplåtarna, minska komplexiteten och smidigare kunna utnyttja hela bredden på maskinen.
Figur 9. Koncept 2
Koncept 3 som illustreras i Figur 10 har liknande egenskaper som koncept 2 när det kommer till utseende på uppsamlingskärl och tömning. Skillnaden är att driften är placerad på sidan av borsten för att ge en bättre borstning i mitten. Detta medför att armen inte är bärande vilket innebär att borstpaketet behöver något annat för att fixeras. Sidopaneler på den bärande strukturen tillsammans med en genomgående axel löser det problemet.
Konceptutveckling
Koncept 4 åskådliggörs i Figur 11. Den har ett avtagbart uppsamlingskärl men där den bärande strukturen är betydligt smalare än de tidigare koncepten då detta ger borstning utan uppsamlingskärl större flexibilitet. Drivningen är placerad på sidan av borsten vilket återigen medför att det krävs sidopaneler som axeln fästs i.
Figur 11. Koncept 4
I Tabell 2 visas den första beslutsmatrisen som gjordes. Där jämfördes de fyra koncepten för att kunna avgöra vilken eller vilka koncept som skulle vidareutvecklas. Som tabellen visar blev poängen jämnt fördelat vilket tyder på att koncepten inte skiljer sig mycket från varandra.
Tabell 2. Beslutsmatris 1
Valet blev att kombinera det bästa från de fyra koncepten för att skapa nya bättre varianter. De nya koncepten presenteras i kapitel 4.3.
Konceptutveckling
4.3 Konceptfas 2
I denna konceptfas skapades ytterligare två varianter genom att kombinera funktioner från tidigare koncept. Metoden påminner om en så kallad morfologisk matris som är ett verktyg vid konceptgenerering (Ullman, 2010).
Koncept 5 var som några föregående koncept en borste med avtagbart uppsamlingskärl. Detta för att kunna använda borsten separat. Uppsamlingskärlet ska vara enkelt att montera av och på och låses med fyra sprintar. Tömningen sker baktill på uppsamlingskärlet genom en lucka som öppnas med hjälp av en hydraulcylinder. Nackdelen med detta är att om endast borsten önskas användas måste hydrauliken till cylindern kopplas ur samt ta bort sprintarna. Drivningen är centrerad för att möjliggöra en effektiv arbetsbredd. Detta illustreras i Figur 12.
Konceptutveckling
Koncept 6 liknar koncept 5 när det kommer till den centrerade drivningen. Tömningen sker mellan kärlet och borsten. Uppsamlingskärlet förflyttas uppåt med hjälp av hydraulcylindern för att möjliggöra borstning utan uppsamling på ett enkelt vis. Maskinisten behöver aldrig ändra något manuellt på maskinen. Koncept 6 visas i Figur 13 och Figur 14.
Figur 13. Koncept 6
Konceptutveckling
En andra beslutsmatris, som visas i Tabell 3, gjordes med samma kriterier som tidigare. Matrisen visar att både koncept 5 och 6 är bättre än de som gjordes i konceptfas 1. Samtidigt är båda koncepten enligt matrisen nästintill lika bra, då de fick liknande poäng.
Tabell 3. Beslutsmatris 2
Diskussioner och resonemang med handledare på Holms mynnade ut i att koncept 6 valdes som det slutgiltiga. Detta för att det är möjligt att enkelt lyfta upp kärlet och sedan borsta om så önskas. En nackdel kan vara att sikten försämras när kärlet är uppfällt. Men detta anses inte vara ett problem då sikten ändå är begränsad idag och en montör står i schaktet för att assistera maskinisten och observera utförandet (Nordkvist, et al., 2018). Om användaren inte vill använda uppsamlingskärlet överhuvudtaget kan det enkelt tas bort. Detta medför att uppsamlingskärlet blir en konfiguration som kan väljas till av en köpare vilket kan möjliggöra en större marknad.
Detaljkonstruktion
5 Detaljkonstruktion
Detaljkonstruktionen påbörjades med det slutgiltiga konceptet som underlag. Mycket fokus låg på att göra detaljerna lätta att producera och montera. Detta för att minimera kravet på svetsfixturer, minska produktionstiden samt få ett konsekvent resultat. Därför har delar som ska svetsas ihop designats med spår och klackar för att underlätta fixering innan svetsning. Figur 15 illustrerar ett exempel på styrspår och klack.
Detaljkonstruktion
5.1 Borstarm
Borstarmen är den bärande enheten för borsten vilket innebär att den måste vara stark. Det finns inga lastfall att utgå ifrån då produkten inte finns och därmed har uppskattning på hållfasthet gjorts tillsammans med konstruktörer på Holms. Detta medförde att 10 mm S355MC plåt valdes som material. För att minska produktionstiden är även denna del designad med styrspår och klackar för att snabbt och enkelt kunna placera delarna på rätt plats innan svetsning. Det finns också utstickande sidor som pilen i Figur 16 pekar på, där en svetsfog på ett enkelt och intuitivt sätt kan läggas. Plattorna laserskärs och gängas, dessutom bockas den övre detaljen. Bockningen ger inte bara önskad form utan ökar styvheten eftersom yttröghetsmomentet ökar. Det finns även två öppna delar i över- och underkant på armen som sedan täcks av löstagbara kåpor, detta för att möjliggöra montering av drev och kedja vilket också gör att användaren har goda servicemöjligheter som till exempel byte av kedja.
Detaljkonstruktion
5.2 Borstpaket
Borstpaketet, som visas i sin helhet i Figur 17, är det som monteras på drivaxeln och kommer utföra borstningen. Den består av många små detaljer som är kompakt designade för att möjliggöra en så smal borste som möjligt. Detta är viktigt då de är kassetter som enkelt kan bytas ut då det kan vara olika bredd på kabelschaktet.
Figur 17. Borstpaket som enkelt kan tillverkas i olika bredder
I Figur 18 visas delarna som ingår i paketet. Den röda medbringarhylsan är den delen som överför kraften och rotationen från drivaxeln till medbringaren. Medbringaren är den gula hexagon-formade detaljen. Medbringaren minimerar glappet i drivningen och är tillverkade i plast för att ha en dämpade funktion. I infästningshålen till medbringaren sitter hylsor för att minimera belastningen på plasten från skruvarna.
Detaljkonstruktion
5.3 Adapterplatta
Adapterplattan som visas i Figur 19 har två funktioner. Den primära är att vara den bärande strukturen mellan uppsamlingskärlet och borsten. Plattan skruvas med sex stycken M12 bultar i uppsamlingskärlet. Skruvförband används istället för svetsning för att minska produktionstiden men framförallt ger det möjlighet till att byta till olika uppsamlingskärl med olika bredder för olika kabelschakt. Den sekundära funktionen möjliggör borstning utan uppsamling vid uppfällt läge.
Detaljkonstruktion
5.4 Uppsamlingskärl
Uppsamlingskärlet är designat likt tidigare detaljer med styrspår och klackar. Dessa åskådliggörs i Figur 20. Dessutom har den också utstickande kanter för att möjliggöra en snabb och enkel svetsprocess. Den är tillverkad i 8 och 5 mm S355MC för att klara de påfrestningar den kan utsättas för under arbete. För att enkelt byta mellan olika uppsamlingskärl är den skruvad i adapterplattan som beskriv i kapitel 5.3. Den är väldigt lätt att göra breddvarianter på och återigen är detta för att det finns många olika bredder på kabelschakt. Som åskådliggöras i Figur 20 är uppsamlingskärlet djupare i nederkant, detta för att den ska kunna fyllas med till exempel sand och grus på ett effektivt sätt. I nedre framkant sitter ett rör vars funktion är att minska påfrestningarna på kablarna vid kontakt.
Detaljkonstruktion
5.5 Standardkomponenter
Ett antal standardkomponenter som presenteras nedan valdes från tidigare erfarenheter, beräkningar och diskussioner.
Hydraulmotor
Hydraulmotorns längd var i fokus då placeringen innebar att minsta bredden på basenheten redan var bestämd. En kortare hydraulmotor hade kunnat göra basenheten smalare. Av den anledningen söktes efter hydraulmotorer med liknande data som Holms befintliga hydraulmotorer fast med mindre storlek. Istället valdes den minsta hydraulmotorn Holms använder idag, som är av märke Eaton och kan leverera ett maximalt varvtal och moment på 385 varv per minut respektive 540 Nm. Den hydraulmotorn visas i Figur 21.
Eftersom att det inte finns några lastfall för den här typen av produkt valdes det att inte göra några beräkningar på hydraulmotorn. Den hydraulmotor som valdes används idag på befintliga och liknande maskiner och därför ansågs den vara tillräcklig.
Om prototypen ska utvecklas vidare och det anses viktigt att den maximala bredden minskas föreslås att en så kallad bent axis-motor som illustreras i Figur 22 tillsammans med utväxling utreds.
Detaljkonstruktion
Transmission
Drivningen mellan hydraulmotor och borstar kan ske på många sätt, men de två aktuella var kedjedrift eller remdrift. Kedjedriften valdes då den är stark och samtidigt smal vilket var avgörande. Dessutom kan länkar ur kedjan tas bort om den skulle sträckas efter användning. Drivningen åskådliggörs i Figur 23.
Detaljkonstruktion
För att bestämma kedjans storlek gjordes en beräkning på hur mycket kraft som motorn skulle kunna belasta kedjan med. Motorn kan som mest leverera ett moment på 540 Nm. Ett kedjehjul med storlek 10B-1 och 20 kuggar har en radie på cirka 50 mm. Med den informationen och ekvationen (2) från kapitel 3.3 kunde kedjekraften beräknas till 10,8 kN. En rostfri kedja 10B-1 klarar 10B-14,5 kN, vilket gav en säkerhetsfaktor på 10B-1,34 som ansågs vara tillräcklig. Båda kugghjulen valdes till samma kuggantal vilket gör att det inte blir någon utväxling. (Jens-S, 2006)
𝐹 = 𝑀 𝑅 =
540
50 ∗ 10−3 = 10,8 𝑘𝑁 (5)
Efter en tids användning kommer kedjan att sträckas vilket gör att den måste justeras för att fungera korrekt. Dessutom underlättar monteringen av kedja och kedjehjul om det enkelt går att spänna kedjan efteråt. En kedjespännare som justeras genom att motorn flyttas upp eller ned konstruerades. Den justeras genom att de fyra skruvarna som håller adapterplattan lösgörs, sedan spänns de två justerskruvarna längst ut för att flytta adapterplattan uppåt. När önskad kedjespänning uppnås låses adapterplattan igen. Kedjespännaren visas förstorad i Figur 24.
Detaljkonstruktion
Kullager
Drivaxeln som borstpaketen monteras på är lagrad av två stycken Y-lagerenheter, se Figur 25. Lagerhuset och kullagret köptes separat för att de skulle vara utrustade med önskade tätningar. För att klara klimatet innebar det att kullagret har kraftiga tätningar på båda sidor som är både olje- och nötningsbeständigt vilket ansågs vara nödvändigt för att fylla sin funktion under en längre tid. (SKF, 2013)
I och med att Y-lagerhuset monteras med fyra skruvar krävs ingen avancerad bearbetning av lagerbanor som måste vara av hög noggrannhet för att fungera.
Figur 25. Y-lagerenhet (SKF, 2013)
Glidlager
Vid gångjärnet där adapterplattan kopplas samman med borstarmen används två stycken glidlager. De är belagda med brons och har små fickor som håller kvar smörjmedlet vilket gör den anpassad för smutsiga miljöer som denna. Dessa glidlager illustreras i Figur 26. (SKF, 2010)
Detaljkonstruktion
Hydraulcylinder
Hydraulcylinderns uppgift är att flytta adapterplattan mellan två ändlägen. För att veta hur stark cylindern behöver vara genomfördes överslagsberäkningar. Med hjälp av friläggningen i Figur 27 och ekvationerna (3) och (4) i kapitel 3.4 gjordes följande beräkningar:
𝑀𝑒𝑑𝑠𝑜𝑙𝑠 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒𝑘𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑘𝑟𝑖𝑛𝑔 𝑂 = 𝑥 ∗ 𝐹 − 𝑦 ∗ 𝑚𝑔 (6)
Figur 27. Krafter och avstånd som användes vid beräkning
Där x är kortaste avståndet mellan punkten O och hydraulcylindern, F är kraften i hydraulcylindern, y är avståndet mellan punkten O och masscentrum, m är massan på uppsamlingskärlet inklusive vikt på uppsamlad jord och grus, samt g som är gravitationskonstanten. Avståndet y uppskattades med hjälp av masscentrum av det tomma uppsamlingskärlet och den uppsamlade massan. Det ger att:
𝐹 =𝑦 ∗ 𝑚𝑔
𝑥 =
0,450 ∗ 250 ∗ 9,81
Detaljkonstruktion
En hydraulcylinder som Holms använder idag, se Figur 28, har slaglängd 160 mm, kolvdiameter 50 mm, kolvstångsdiameter 25 mm samt ett maximalt tryck på 230 bar vilket ger dessa krafter:
Figur 28. Hydraulcylinder som används i prototypen
𝐹𝑡𝑟𝑦𝑐𝑘𝑎𝑛𝑑𝑒 = 𝑃1 ∗ 𝜋𝐷1 2 4 = 2,3𝑒7 ∗ 𝜋 ∗ 0,0502 4 ≈ 45160 𝑁 (8) 𝐹𝑑𝑟𝑎𝑔𝑎𝑛𝑑𝑒 = 𝑃2 ∗ 𝜋(𝐷1 2− 𝐷22) 4 = 2,3𝑒7 ∗ 𝜋(0,0502− 0,0252) 4 ≈ 33870𝑁 (9)
Som beräkningarna visar har hydraulcylindern tillräckligt med kraft för att kunna utföra det efterfrågade arbetet med en säkerhetsfaktor på 4,6. Dessutom stämmer slaglängden bra överens med rörelsen som ska utföras och därför valdes denna hydraulcylinder.
5.6 Tillverkningsunderlag
Det avslutande steget i detaljkonstruktionen var att framställa tillverkningsunderlag så att prototypen skulle kunna tillverkas. Alla ritningar gjordes i Creo utifrån modellerna som skapats tidigare i arbetet. För att ritningarna skulle se likadana ut som Holms exporterades därför två ritramar från SolidWorks som sedan justerades för att fungera i Creo. Den första ritramen var till för skurna, bearbetade eller bockade detaljer medan den andra hade en så kallad BOM-tabell för sammanställningsritningar. De befintliga detaljer som Holms redan har i sitt sortiment behövde inga nya ritningar, och det gällde likadant för standardkomponenterna som köptes in. Ett antal toleranser var tvungna att anges på de bearbetade ritningarna. De var till exempel för låsringar, lager och kilar. Toleranserna valdes med hjälp av Verkstadshandboken (1997), och erfarenheter som tidigare införskaffats.
Resultatet av all ritningsframtagning blev i slutändan:
• PDF-dokument med ritning skapades för varje ny detalj • DXF-fil om plåt skulle laserskäras
Resultat
6 Resultat
Resultatet av arbetet blev en första prototyp av kabelsopmaskinen som gjordes med 3D-modeller och tillverkningsunderlag för att kunna tillverka och testa den. I Figur 29, Figur 30 och Figur 31 visas 3D-modellen av den färdiga prototypen. Alla nya ritningar finns i tillhörande bilagor.
För att enkelt kunna byta mellan grävskopa och kabelsopmaskin är det möjligt och förberett att välja till hydrauliska snabbfästen som kopplar in all hydraulik automatiskt när maskinisten kopplar kabelsopmaskinen till grävmaskinen.
För snabb tömning av uppsamlingskärlet används en hydraulcylinder som snabbt kan lyfta och fälla ner kärlet. Detta möjliggör att maskinen har fler användningsområden än bara vid arbete i kabelschakt. Inte bara omkringliggande området där det grävs kablar utan även helt andra platser där det är smalt och väghållning skulle behövas. Den tillverkade prototypen visas i Figur 32 och Figur 33
Resultat
Figur 30. Färdig modell av prototypen
Resultat
Diskussion och slutsatser
7 Diskussion och slutsatser
Strömavbrott på grund av en avgrävd kabel är något de flesta upplevt och är något som kostar mycket pengar samtidigt som det är tidskrävande (Nordkvist, et al., 2018). Att minimera risken för kabelbrott samt minska tiden som arbetet tar är kabelsopmaskinens främsta egenskaper. Med dess långa arm, enkelt utbytbara borstkit och uppsamlingskärl kan kabelsopmaskinen användas i de flesta kabelgravarna. Centrumdriften möjliggör en effektiv borstbredd som är absolut nödvändig för att täcka hela schaktet.
En del antaganden är gjorda på det tidigare arbetet, då den rapporten endast bygger på två intervjuer från ett och samma företag. Hade fler intervjuer genomförts är det möjligt att slutprodukten haft andra egenskaper än vad som nu tagits fram. Till följd av detta har tid lagts på att göra maskinen flexibel för att ta del av de funktioner och storlekar som önskas.
Mycket tid har spenderats på konceptgenereringen med föregående arbete från förstudien inräknat. Vidare har det under detta arbete inte lagts lika mycket tid på konceptgenerering som i förstudien. Detta för att få fram en så bra prototyp som möjligt under den korta tiden. För att komma framåt i arbetet ansågs det krävas testning vilket medförde att en första prototyp var rätt steg. Trots den korta projekttiden anses inte resultatet ha ändrats drastiskt då många har fått delge sina åsikter från både tidigare projektet samt anställda på Holms. Tidigare arbete kom fram till att en grävskopa med fällbar borste skulle fungera ungefär lika bra som det valda konceptet med uppsamlingskärl. Anledningen till varför uppsamling valdes istället hade till största del att göra med Holms och deras nuvarande produkter och hur den nya maskinen ska passa in där.
Valet av material baserades framförallt på kostnad och vilka leverantörer som fanns tillgängliga men också hållfasthet. Då inga beräkningar på hållfastheten gjorts har relativt tjocka plåtar valts om man jämför med befintliga produkter hos Holms. Materialet skulle vara starkt men samtidigt billigt och då valdes stålet S355MC som Holms redan idag använder. Troligtvis är flertalet detaljer överdimensionerade vilket innebär att när prototypen testas skulle några lastfall behöva tas fram. Utifrån lastfallen kan beräkningar göras för att minska vikt och pris på varje detalj. Produkten anses bidra till en bättre arbetsmiljö för de som arbetar med kabelgrävning då arbetet kommer gå fortare samt att arbetet inte behöver göras med lika stor försiktighet. Det kommer också bidra till färre kabelbrott vilket är något alla invånare skulle ha nytta av. En annan bidragande faktor är bytet mellan redskap som tar några sekunder och effektiviteten blir väldigt mycket högre.
Diskussion och slutsatser
Frågeställningar
• Vilket koncept från tidigare projekt väljs för fortsatt produktutveckling?
Av de två koncepten som förstudien föreslog valdes borste med uppsamlingskärl då den ansågs passa bättre in i Holms befintliga sortiment av redskap. Förstudien föreslog att testning av en befintlig produkt skulle göras för att ge bättre förståelse. Det gjordes tyvärr inte då vädret inte tillät testning och det fortfarande var tjäle i marken.
• Hur designas prototypen för att passa Holms nuvarande tillverkningsmetoder?
Många av Holms konstruktioner använder sig idag av laserskärning, bockning, svetsning och därför gjordes så få bearbetade detaljer som möjligt eftersom dessa måste köpas in. Designen har anpassats för att så mycket som möjligt ska gå att tillverka på Holms. De svetsade konstruktionerna gjordes med styrspår och klackar för att underlätta fixeringen i samband med svetsning.
• Vilka standardkomponenter ska väljas?
Hydraulmotor- och cylinder är komponenter som Holms använder idag. De som fanns i lager passar väl in i prototypen vilket gjorde valet enkelt.
Kedja och kedjehjul valdes efter att det konstaterats att en rostfri kedja behövs för att utstå fukt och smuts. Enklare beräkningar gjordes för att bestämma vilken storlek på kedja och kedjehjul som krävdes.
Lagren kommer utsättas för fukt och smuts. Därför valdes lager som hade kraftiga tätningar eller sådana som inte tar skada i en sådan miljö. Drivaxelns diameter kunde endast varieras lite då medbringaren var tvungen att passa vilket gjorde att kullagrets storlek redan var bestämd.
Framtida arbete
För att kunna ta produkten till produktion är det viktigt att göra många och hårda tester på prototypen för ta reda på vad som skulle behöva ändras på inför en eventuell serieproduktion. Det finns med största sannolikhet saker som med små modifikationer bli mycket effektivare i en serieproduktion. Möjligheten till olika längdvarianter på både borstar och uppsamlingskärl är något som skulle kunna arbetas vidare med för att billigt och enkelt variera mellan de vanligaste grävbredderna. Det skulle även vara intressant att ge prototypen till ett företag som
Diskussion och slutsatser
Diskussion av resultat
Redan innan prototypen är färdigbyggd kan några ändringar på detaljer fastställas. Fler detaljer skulle ha gjorts helt symmetriska för att minimera risken för feltillverkning. Ett exempel på det är basenheten som nu kan bockas åt fel håll. Det hade kunnat undvikas om fyrkantshålet och spåret funnits på båda sidor. Om de ändringarna inte gör tillverkningen avsevärt dyrare bör de utföras. En anordning som gör att kabelsopmaskinen kan stå själv när den förvaras skulle ha skapats. Som prototypen ser ut nu kommer borstarna belastas och mest troligt bli plastiskt deformerade.
Resultatet anses vara bra då handledare på Holms gillar prototypen samt att produkten möter kravspecifikationen då alla kraven uppnås och även de flesta önskemålen. Vid granskning av tillverkningsunderlaget med handledarna upptäcktes få fel vilket tyder på att ritningarna är välgjorda. Ännu ett tecken på det är att varken leverantörer eller anställda på Holms klagat på ritningarna vid tillverkning. Drivningen som innehåller bland annat kedja, kedjehjul, lager och drivaxel bedöms hålla hög nivå och anses vara den enhet som behöver ändras minst inför en eventuell serieproduktion.
Kabelsopmaskinen som helhet anses vara bra, men det är fortfarande en helt oprövad första prototyp. Vid testning av prototypen kommer resultat om den fungerar som tänkt eller inte och vad som måste förändras. Om den förfinas så att alla funktioner fungerar anses kabelsopmaskinen ha hög marknadspotential.
7.1 Slutsatser
Produkten anses bidra till en snabbare och säkrare kabelgrävning samt bidrar till en bättre arbetsmiljö. För att minska tiden som krävs för redskapsbyte rekommenderas att använda hydrauliska snabbfästen. För fortsatt utveckling krävs utförliga tester och utvärderingar.
Referenser
Referenser
Anon., 1911. https://commons.wikimedia.org. [Online] Available at:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Roller_chain_drive_(Army_Service_Corps_Trainin g,_Mechanical_Transport,_1911).jpg
[Använd 21 05 2018].
Eriksson, N.-O. & Karlsson, B., 1997. Verkstadshandboken. 14 red. Stockholm: Liber AB. HAWE, 2017. www.hawe.com. [Online]
Available at: https://www.hawe.com/fluid-lexicon/hydraulic-motor/ [Använd 19 04 2018].
Jens-S, 2006. Kedjor och kedjehjul, Norrköping: u.n.
Kayani, O. K. & Sohaib, M., 2011. Generic Simulation Model Development, Linköping: Linköpings universitet.
Kou, T.-C., Huang, S. H. & Zhang, H.-C., 2001. Design for manufacture and design for 'X' :
Concepts, applications and perspective, u.o.: Elsevier Science Ltd.
Maskinleverantörerna, 2011. Symmetriska snabbfästen för grävmaskiner, Stockholm: u.n. Nordkvist, A. o.a., 2018. Utveckling av kabelkanalsopmaskin: Projektarbete vid Holms
Industri i Motala, Linköping: u.n.
SKF, 2010. skf.com. [Online]
Available at:
http://www.skf.com/binary/12-120169/SKF%20bushings%20thrust%20washers%20and%20strips%201%20EN.pdf SKF, 2013. skf.com. [Online]
Available at: http://www.skf.com/binary/12-129182/13728%20EN%20Y-bearing%20and%20Y-b%20units.pdf
Steelwrist AB, u.d. www.steelwrist.se. [Online] Available at:
https://steelwrist.com/wp-content/uploads/Steelwrist_CompanyBrochure_LOW_SE.pdf [Använd 2018].
TATA Steel, 2014. TATA steel europe. [Online] Available at:
https://www.tatasteeleurope.com/static_files/Downloads/General%20Industry%20Strip/Strip %20Products/English/Tata%20Steel%20-%20YMPRESS%20S355MC%20-%20data%20she et.pdf
Bilagor
Rev Ändring Datum Sign Godk. av
1 247738
1 HYDRAULCYLINDER
2 249374
1 BASENHET
3 249375
2 BORSTKIT
4 249376
1 ADAPTERPLATTA UPPSAMLING
5 249377
1 UPPSAMLINGSKÄRL
6 249386
1 DRIVAXEL
7 249388
1 ADAPTERPLATTA MOTOR
8 249394
1 KÅPA NEDRE
9 249395
1 KÅPA NEDRE
10 249400
1 AXEL GÅNGJÄRN
11 249401
2 BRICKA
12 249404
1 AXEL
13 249406
1 KEDJEHJUL
14 249407
1 KEDJEHJUL
15 249409
2 STÄNKSKYDD
16 1070010
2 PLATTKIL
17 1070017
1 PLATTKIL
18 1080025_SGA35
2 LÅSRING SGA35
19 1130124
1 HYDRAULMOTOR
20 1726207-2RS1_FY-507-M
2 Y-LAGER
27 AA_SKRUV_MC6S_12X35
4 SKRUV
28 AA_SKRUV_MCS_12X25
14 SKRUV
29 AA_SKRUV_MCS_12X35
6 SKRUV
30 AA_SKRUV_MCS_20X80
1 SKRUV
31 AA_SKRUV_MCS_5X12
6 SKRUV
32 AA_SKRUV_MCS_6X50
2 SKRUV
33 AA_SKRUV_MCS_6X60
2 SKRUV
34 AA_SKRUV_MCS_8X10
4 SKRUV
35 PRMF_353935
2 BUSSNING
A A E
Kg
Skala/Scale Toleransklass/Tolerances Konstr.av/Designed by Rev. Jämför med/Compare to Överordnad ritning Ritad av/Drawn by Datum/DateGodk.av/Approved by
Vikt/Weight
Benämning/Title
Generella toleranser för ej direkt toleranssatta mått
Rev Ändring Datum Sign Godk. av
A.Lundqvist & A.Nordqvist
A.Lundqvist & A.Nordqvist
ISO 2768-mK 2018-04-09 1:1 (47,5) (97,5) ( 28 ) ( 55 ) ( 54 )
Medbringarhylsa
DE-01
249390
ITEMNO PART NUMBER QTY DESCRIPTION
1 238492
1 PLATTA
2 249389
1 HYLSA MEDBRINGARE
SECTION A-A SCALE 1:2 2 1 C a 4Övriga mått enligt geometrifil All remaining dimensions according to geometry file
E
Kg
Skala/Scale Toleransklass/Tolerances Konstr.av/Designed by Rev. Jämför med/Compare to Överordnad ritning Ritad av/Drawn by Datum/DateGodk.av/Approved by
Vikt/Weight
Benämning/Title
Generella toleranser för ej direkt toleranssatta mått
Rev Ändring Datum Sign Godk. av
A.Lundqvist & A.Nordqvist
A.Lundqvist & A.Nordqvist
ISO 2768-mK 2018-04-09 1:2 (208) (237,96) 2
Bricka borstkärna
DE-01
249392
S355MCÖvriga mått enligt geometrifil All remaining dimensions according to geometry file
Rev Ändring Datum Sign Godk. av
(200) 50 R3 (9x) 80 (8x) 12° (8x) 3 (200) (740) (230) (837,79) (244,21) SCALE 1:10
