Konceptstudie av variabel excentervikt

Juni 2017

Konceptstudie av variabel excentervikt

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Concept study of variable eccentric weight for

vibratory compactor

Joel Zelin

Soil compactors are used to compress the ground in order to stabilize and increase its sustainability when constructing for example roads or buildings. Steelwrist is a company that produces accessories for excavators with the aim to increase their efficiency. Their range of products contains an excavator mounted vibratory soil compactor. In their strive to make the compactor more sophisticated, Steelwrist wants to develop a concept with the ability to regulate the compaction force. The aim with this thesis is to design a solution for how to regulate the compaction force in an existent compactor, HC60, during operation.

The scope of this thesis contains a preliminary investigation to overview existing solutions, and two noticeable existing designs are further introduced in the report. Furthermore, the result from a concept generation is presented which later on was presented for the department of development at Steelwrist. At this meeting, it was concluded that one if the propositions should be developed as main concept, and another idea should be investigated as alternative concept.

The report accounts for the development of the concepts, conducted with computer aided design software Solidworks.

Finally, the resulting designs of two concepts are presented. Both concepts meet the specified requirements. Some simplified calculations are performed as well as FEM-analysis that confirm that the dimensions in the designs are sufficient. In a posterior part of the thesis, the results are analyzed and discussed, and recommendations for further work are made.

Keywords: Soil compactor, Eccentric weight, Rotating unbalance.

ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2017/09-SE Examinator: Lars Degerman

Ämnesgranskare: Henrik Hermansson Handledare: Markus Nilsson

I

Markvibratorer används för att packa ihop marken och stabilisera underlaget för att öka dess bärighet vid byggnationer av till exempel vägar eller hus. Företaget

Steelwrist har som affärside att tillverka tillbehör som effektiviserar användandet av grävmaskiner. I deras produktprogram ingår en maskinburen markvibrator. Som ett steg att göra vibratorn mer sofistikerad vill företaget ta fram koncept för att kunna variera vibrationskraften, en funktion som idag saknas. Målet med arbetet som redovisas i denna rapport är att ta fram en lösning på hur man kan variera kraften i en befintlig markvibrator av typen Steelwrist HC60 under drift.

Inom ramen för detta examensarbete har en förundersökning gjorts för att kartlägga vad som används idag och två intressanta lösningar presenteras i rapporten. Vidare redovisas resultaten av en påföljande konceptgenerering som gav upphov till flertalet idéer som senare presenterades för företagets utvecklingsavdelning. I samband med detta möte togs beslut om att konstruera ett av förslagen som huvudkoncept och att utreda en annan ide som alternativt koncept.

I denna rapport redovisas processen med konstruktionsarbetet som utförts med datorstödd design i form av CAD-programmet Solidworks. Resultat presenteras av två framtagna koncept som båda uppfyller kravspecifikationen. Några förenklade beräkningar av krafterna som systemet utsätts för är utförda, samt FEM-analyser som bekräftar att dimensionerna i konstruktionerna är tillräckliga. I en efterföljande analys och diskussion utvärderas resultaten samt ges förslag på fortsatt arbete.

II

Följande rapport redovisar mitt examensarbete som har utförts hos företaget Steelwrist i Sollentuna under våren 2017.

Det har varit ett lärorikt arbete på flera sätt och jag vill rikta ett varmt tack till min handledare Markus Nilsson som gav mig denna möjlighet att skaffa mina första erfarenheter som konstruktör, och som genom arbetet stöttat mig och litat på mig. Dessutom vill jag tacka personalen på företaget för den välkomnande atmosfär som bjudits och i synnerhet konstruktionsavdelningen där framför allt Erik och Axel tålmodigt och pedagogiskt tagit sig tid med mina frågor och delat med sig av sin expertis.

Vidare vill jag tacka min ämnesgranskare Henrik Hermansson som fick rycka in som moraliskt stöd när tvivel uppstod och som bistått med tips och idéer.

Till sist, ett stort tack till min familj som fått jobba extra hårt på hemmaplan och hjälpt till att göra arbetet möjligt!

Uppsala i maj 2017 Joel Zelin

III

1 Inledning ... 1

2 Teori ... 4

3 Utveckling av koncept ... 10

3.1 Kravspecifikation variabel excentervikt ... 11

3.2 Val av koncept ... 12

3.2.1 Koncept 1, Stiftkonceptet ... 12

3.2.2 Koncept 2, Tryck direkt på vikten ... 13

3.2.3 Koncept 3, Droppen ... 13

3.2.4 Koncept 4, Gängstång ... 14

3.2.5 Koncept 5, Kuggstång ... 14

3.2.6 Koncept 6, Länkaget ... 15

3.2.7 Koncept 7, Med styrpinne eller i spår ... 15

3.2.8 Koncept 8, Hydraulkonceptet ... 16

3.2.9 Slutgiltigt val ... 16

3.3 Stiftkonceptet ... 17

3.3.1 Beskrivning av mekanismen i stiftkonceptet ... 17

3.3.2 Så platseffektiva vikter som möjligt ... 19

3.3.3 De fasta vikterna ... 19

3.3.4 Den variabla vikten ... 20

3.3.5 Stigning på spiralspåret ... 22

3.3.6 Linjärstyrningen ... 25

3.3.7 Uppskattning av kraften på styrstiftet ... 26

3.3.8 FEM-undersökning på stiftet... 28

3.3.9 Typ av stift som klarar beräknad påfrestning ... 30

3.3.10 Monteringsordning ... 30 3.4 Hydraulkonceptet ... 31 3.4.1 Hydraulkolvens dimensioner ... 33 3.4.2 FEM-undersökning på kolvstången ... 34 3.4.3 Sviveln ... 34 3.4.4 Montering ... 35

4 Resultat ... 36

IV

5 Analys ... 38

6 Diskussion ... 39

7 Slutsats ... 41

7.1 Förslag på fortsatt arbete ... 41

8 Referenser ... 42

Figurförteckning

Figur 3.1 Markvibrator Steelwrist HC60. . . . . . 10

Figur 3.2 Koncept 1. Stiftkoncepte . . . . . . 12

Figur 3.3 Koncept 2. Tryck direkt på vikten. . . . . . 13

Figur 3.4 Koncept 3. Droppen. . . . . . 13

Figur 3.5 Koncept 4. Gängstång. . . . . . 14

Figur 3.6 Koncept 5. Kuggstång. . . . . . 14

Figur 3.7 Koncept 6. Länkaget. . . . . . 15

Figur 3.8 Koncept 7. Med styrpinne eller i spår. . . . . . 15

Figur 3.9 Koncept 8. Hydraulkonceptet. . . . . . . 16

Figur 3.10 Ursprunglig roterande del. . . . . . 17

Figur 3.11 Stift och stång i genomskuren axel. . . . . . 17

Figur 3.12 Principskiss stiftkonceptet. . . . . . 18

Figur 3.13 Tre vikter. . . . . . 18

Figur 3.14 Maxradien i ursprungsutförandet. . . . . . 19

Figur 3.15 Ny form på vikt. . . . . . 20

Figur 3.16 Variabel vikt med spiralspår. . . . . . 21

Figur 3.17 Roterande del vridbar 180°. . . . . . 21

Figur 3.18 Mått på spiralspår 180°. . . . . . 22

Figur 3.19 Viktundersökning i Solidworks. . . . . . 22

Figur 3.20 Metod för viktundersökning. . . . . . 23

Figur 3.21 Graf över vibrationskraft i förhållande till fasförskjutning. . . . . . 24

Figur 3.22 Mått på spiralspår 77o_{. . . . . . 25}

Figur 3.23 Slutligt utförande stiftkonceptet. . . . . . 25

Figur 3.24 Illustration av linjärstyrning. . . . . . 26

Figur 3.25 Stiftspårets djup. . . . . . 27

Figur 3.26 Stigning på spiralspår. . . . . . 27

Figur 3.27 FEM-undersöking på stift 421 N. . . . . . 29

Figur 3.28 FEM-undersöking på stift 1603 N. . . . . . 29

Figur 3.29 FEM-undersöking på 8 mm stift. . . . . . 30

V

Figur 3.33 Hydraulkonceptet. . . . . . 32

Figur 3.34 Vikten har stöd från axeln . . . . . . 32

Figur 3.35 FEM-undersökning på kolvstång. . . . . . 34

Figur 3.36 Monteringsalternativ för hydraulkonceptet. . . . . . 35

Figur 4.1 Stiftkonceptet monterat i huset. . . . . . 36

Figur 4.2 Hydraulkonceptet monterat i huset. . . . . . 37

Tabellförteckning

1

1 Inledning

Projektarbetet som beskrivs i denna rapport har utförs i samarbete med Steelwrist AB i Sollentuna, ett företag som fokuserar på att effektivisera arbetet med grävmaskiner med hjälp av avancerade tillbehör och redskap. Steelwrist AB har cirka 80 anställda och finns representerade på flera kontinenter. Företaget tillverkar främst tiltrotatorer, men även snabbfästen och andra avancerade hydrauldrivna redskap till

grävmaskiner.

1.1 Bakgrund

Markkomprimering är processen att mekaniskt öka densiteten på materialet i det översta markskiktet för att stabilisera underlaget och öka dess bärighet vid väg och husbyggen och rörgravar och liknande. Detta är viktigt vid byggnationer då det motverkar sättningar i marken, frostskador, ökar stabiliteten och kontrollerar vattenavrinning för att nämna några av de viktigaste anledningarna. Till detta används markvibratorn. Förutom vägvältar och andra stora maskiner som används för stora ytor, dominerar handstyrda markvibratorer de flesta byggarbeten idag med sin goda manöverbarhet i trånga utrymmen. Som komplement och för att minska risken för personskador och förslitningar kan man använda en maskinburen vibrator. Med en maskinburen markvibrator kan man bearbeta marken även vid svåråtkomliga miljöer såsom slänter, dessutom minskas behovet av människor i farliga miljöer innehållande hinder, avgaser, skred och andra risker, speciellt i rörgravar. Dessutom får ibland en grävmaskin vänta medan arbetsmoment utförs av en handstyrd

markvibrator vilket inte alltid är effektiv användning av grävmaskinen.

Grävmaskinsburna markvibrationer fungerar genom att en hydraulmotor monterad på en bottenplatta driver en roterande axel med en excentervikt. Denna vikt skapar en obalans som gör att bottenplattan vibrerar. Bottenplattan är sedan förbunden med grävmaskinen via gummikuddar för att minska fortplantning av vibrationerna till maskinen. Vibratorplattans tyngd tillsammans med vibrationerna är det som packar ihop underlaget vid anläggning. Olika underlag med olika sammansättning,

partikelstorlek och vattenhalt kan kräva olika behandling för att packas effektivt (Multiquip 2011). Amplituden på vibrationerna har visat sig vara betydande för komprimeringen, medan frekvensen tillåts variera inom ett intervall. Amplituden beror på vibratorns egenfrekvens och vikt som i detta arbete hålls relativt

oförändrade. Vibrationsfrekvensen är enkel att variera på en hydrauldriven vibrator, dock har varje system sin optimala frekvens. Tester utförda både i laboratoriemiljö och i fält tyder på att frekvenser mellan 25 och 40 Hz (1500-2400 rpm) har maximal komprimerande effekt. Förändringar inom detta intervall har visat sig ha mycket liten effekt (Atlas Copco 2014).

Behovet av att kunna variera vibrationskraften kommer ur en strävan från Steelwrist att ständigt göra sina produkter mer automatiserade och effektiva för användarna. Det befintliga utförandet på markvibratorn medför en arbetsmetod som ställer krav på operatören att avgöra när kompaktionen är tillräcklig och själv stänga av

2

1.2 Syfte

Som ett steg i att göra Steelwrist maskinburna markvibrator mer sofistikerad skall ett koncept för hur man kan variera vibrationskraften utefter rådande markförhållanden under drift tas fram. Därmed får man en mer avancerad produkt att erbjuda sina kunder, i enighet med företagets strävan att ligga i framkant av den tekniska utvecklingen.

1.3 Mål

Målet med arbetet är att konstruera en CAD-modell av en variabel excentervikt som passar i en Steelwrist HC60 markvibrator. Detta för att skapa en variabel

vibrationskraft under en konstant frekvens på 33 Hz (2000 rpm).

1.4 Avgränsningar

Beskrivning av markkompaktionens allmänna mekanik, teori och hur den bäst utförs lämnas utanför arbetet. Konstruktionen utgår från en befintlig markvibrator. Med någorlunda begränsade ändringar kan examensarbetet fokusera på att sänka vibrationskraften under drift då det inte går att uppnå högre kraft med befintlig hydraulmotor och excentervikt. Arbetet sker på konceptnivå, varför inga ritningar tas fram.

1.5 Metod

Projektet delas upp i följande delar: (i) Problemformulering med syfte och instuderingsfas, (ii) Konceptframtagning, (iii) Konstruktion i CAD och (iv) Rapportskrivning.

I instuderingsfasens slutskede sattes en kravspecifikation för konstruktionen för att tydliggöra vilka krav koncepten skall möta. Denna utformades i samråd med det beställande företaget.

Vid konceptframtagning och val av koncept användes systematiska metoder i samråd med handledarna utifrån företagets riktlinjer och rutiner. Arbetet underlättades av Ulrich och Eppingers femstegsmetod och SCAMPER. Dessa två metoder beskrivs närmare i kapitel 2, Teori. Avstämningsmöten hölls fortgående med Steelwrists utvecklingsavdelning där kommentarer och input samlades in.

Det koncept som efter utvärdering tillsammans med utvecklingsavdelningen på företaget bedömdes mest gynnsamt utvecklades sedan med hjälp av datorstödd design. Här efterfrågades från företagets sida i första hand en överskådlig CAD-modell som tydligt illustrerar konstruktionens funktion och delarnas dimensioner. Utformningen av koncepten medförde en del beräkningar, dessa redovisas fortgående i rapporten.

3

I konstruktionsfasen ingår en undersökning för att optimera designen på de ingående delarna följt av FEM-analyser på de delar där påverkan av krafter anses

dimensionerande.

Alla viktuppgifter som används i arbetet är framtagna ur CAD-modeller i Solidworks, där inte annat anges i rapporten.

4

2 Teori

I detta kapitel ges en kortare genomgång av två metoder för konceptgenerering som underlättat utvecklingsarbetet, och grunden till de huvudsakliga beräkningarna som arbetet bygger på. Slutligen presenteras resultatet av en nulägesanalys.

2.1 Femstegsmetoden

Ulrich och Eppingers femstegsmetod (Ulrich et al. 2012) är en arbetsmetod för att på ett systematiskt sätt underlätta och effektivisera arbetsprocessen med

produktframtagning. Nedan listas de fem stegen tillsammans med en kort beskrivning.

1. Klargör problemet

Bryt ner huvudproblemet i mindre delproblem för att tydliggöra och definiera vad arbetet skall fokusera på.

2. Söka externt

Här samlas information från liknande tidigare arbeten och relaterade ämnen in från utomstående källor. Detta kan inkludera sökandet i databaser, tryckt litteratur och tidskrifter.

3. Söka internt

Ta fram så många idéer som möjligt genom till exempel brainstorming. 4. Systematisera

Strukturera upp idéerna i matriser eller konceptträd och eventuellt hur de kan kombineras.

5. Utvärdera och reflektera

I detta steg reflekterar gruppen kring arbetet och utvärderar både resultatet och själva processen med arbetet.

Dessa fem steg kan komma att behöva tas om i olika utsträckning under arbetets gång och inte nödvändigtvis i just denna ordning.

5

2.2 SCAMPER

SCAMPER är en metod för att främja kreativt tänkande vid konceptgenerering (Baxter 1995). SCAPER står för:  Substitute  Combine  Adapt  Magnify/Minify  Put to other uses  Eliminate/Elaborate  Rearrange/Reverse

Genom att stegvis tänka hur dessa punkter kan förbättra en produkt, finns det

möjlighet att på ett systematiskt sätt hitta ett stort antal lösningsförslag för ändringar på en produkt för att förbättra den.

Till exempel, för att göra en produkt billigare att tillverka kan man tänka sig att göra den lättare, mindre, ta bort onödiga features eller använda enklare material. Ibland kan dock motsatsen vara effektivare, att göra den större för att lätta på toleranser eller underlätta åtkomlighet vid montering.

Enligt metoden bör en rad frågor ställas, nedan återfinns exempel på detta.

Huvudmålet med frågorna är att generera så mycket idéer och tankesätt som möjligt. I detta stadium finns inga dåliga idéer.

Exempel på frågor som kan ställas:

 Substitute

o Vilka andra material skulle funka eller ge andra egenskaper? o Vilka andra produkter går att använda?

o Hur kan man byta attityder och känslor gentemot produkten, vad händer då?

 Combine

o Går det att kombinera produkten med något annat för att skapa något nytt?

o Går det att kombinera resurser för att skapa nytt angreppsätt på problemet?

6  Adapt

o Hur kan man anpassa produkten för att fylla nya funktioner? o Vad annat liknar denna produkt?

o I vilka andra sammanhang kan man sätta denna produkt?

o Kan man ändra problemställnngen så att nya lösningar fungerar på nya ställen?

 Magnify/Minify (Modify)

o Vad kan förstoras/förminskas (ändras) för att ändra produktens egenskaper, användning eller tillverkning?

 Put to other uses (Purpose)

o Går produkten att använda i ett annat sammanhang, annan industri osv?

o Vem mer kan använda denna produkt? o Kan man använda restprodukter till något?  Eliminate/Elaborate

o Vad kan uteslutas eller tonas ner (i fråga om material, features osv) för att göra den mindre/snabbare/tyngre/roligare?

o Vad händer om allt som inte hör till kärnfunktionen stegvis tas bort?  Rearrange/Reverse

o Tänk tvärt om, vad händer om man gör exakt motsats till vad som gjorts tidigare?

o Vad får man om hela komponenter eller egenskaper byts ut?

o Vänd produkten upp och ner, ut och in, kör den baklänges. Vilka nya funktioner uppkommer?

7

2.3 Uppställningar för beräkningar

Eftersom man här utgår ifrån en befintlig markvibrator, begränsas teorin till att endast innefatta den roterande vikten. Det som är intressant är den vertikala kraften mot underlaget som fås av centrifugalkraften i vertikalled mot underlaget:

𝐹 = 𝑚𝑎 = 𝑚𝑟𝜔2_{, (2.1)}

där

F = kraftens storlek

m = excenterviktens massa a = acceleration

r = tyngdpunktens avstånd till rotationscentrum

𝜔 = vinkelhastighet.

Denna kraft (F) betecknas som vibrationskraften i arbetet.

Hydraulmotorn som driver markvibratorn är av typen kugghjulsmotor. Om man bortser från friktion så har dessa motorer ett linjärt samband mellan hydraultryck, deplacement och vridmoment enligt följande (Schaeffler 2014):

𝑝𝑉 = 𝑀 (2.2)

där

p = tryck

V = deplacement M = vridmoment.

Med tryck angivet i bar och deplacement angivet i cm3 fås vridmomentet direkt i Nm genom:

𝑝_𝜋×20𝑉 = 𝑀. (2.3)

Sambandet mellan stigningen (pitch) och diametern på en spiral ger stigningen i grader enligt:

8 Andra viktiga samband som utnyttjas i arbetet är

𝑀 = 𝐽𝛼 (2.5) och 𝐹𝑟 = 𝑀 (2.6) där M = vridmoment J = tröghetsmoment α = vinkelacceleration r = radie F = kraft.

Omräkning från rpm till SI-enheten rad/s görs med

𝑟𝑝𝑚₃₀𝜋 _{= 𝑟𝑎𝑑 𝑠}⁄ . (2.7)

2.4 Nulägesanalys

Vibrationer kan skapas på ett flertal sätt. Som ett resultat av förstudien beskrivs nedan två av de mest intressanta lösningarna innefattande roterande obalans.

2.4.1 Exempel 1: Ammann

Än så länge är maskinburna markvibratorer relativt enkla i sitt utförande. En förekommande lösning från maskintillverkaren Ammann, är att ha två

viktuppsättningar på samma axel varav den ena är en stor vikt fixerad mot axeln och den andra består av två mindre vikter som är vridbara 180o på axeln (Ammann 2017). På den fasta vikten sitter en medbringare, som för med sig de rörliga vikterna med olika fasförskjutning beroende på åt vilket håll axeln roterar. Antingen är vikterna i fas med varandra för stor vibrationskarft, eller så tar de rörliga vikterna delvis ut kraften från den fasta vikten för mindre vibrationskraft.

Enkelheten i denna lösning innebär två problem. För det första begränsas variationen av kraften till enbart två lägen. För det andra kan ett sådant system lida av fenomenet självsynkronisering, där den lösa vikten själv ställer sig i fas med den fixerade enligt minsta motståndets lag (Vipac Vibrator 1982). Vidare kan kraften inte varieras under drift.

2.4.2 Exempel 2: Swepac

En annan intressant lösning är den som återfinns i vägvältar och i handstyrda

markvibratorer. Här används två axlar med excentervikter som roterar åt motsatt håll. Då tar vikterna ut varandra helt i vissa riktningar och förstärker varandra i andra, under samma rotationscykel, se Figur 2.1. I vägvältar används detta till att

9

exempelvis förhindra vibrationer i längdled vilket kan skapa vågor i nylagd asfalt (Atlas Copco 2014). I handstyrda markvibratorer används tekniken för framdriften då man kan få redskapet att hoppa antingen uppåt/framåt eller uppåt/bakåt.

Figur 2.1 Illustration av de resulterande krafternas riktning med två mot varandra roterande excentervikter under ett varv. Vid position 1 och 3 tar vikternas

centrifugalkraft ut varandra och vid position 2 och 4 förstärker de varandra. Pilarna representerar den resulterande vibratorkraftens riktning.

I vägvältar riktas krafterna genom att hela vibratorelementet roteras så att kraften hamnar i önskad riktning. Av utrymmesskäl passar detta inte i maskiner med

vibratorplattor, utan här ändras riktningen istället genom att ändra fasförskjutningen mellan de två vikterna. Ett sätt att göra detta på är svenska Swepacs lösning (Swepac 2017), där man låter två axlar med fast monterade vikter vara sammankopplade med drev. Det ena drevet är vridbart 180° och förbinds med axeln med hjälp av ett stift som ligger an mot ett spiralspår på insidan av drevet. Utformningen tillåter stiftet viss rörelse i axialled genom ett avlångt spår i axeln, vilket tillsammans med spiralspåret reglerar drevets fasförskjutning gentemot axeln.

10

3 Utveckling av koncept

Under förstudien fördes kontinuerligt anteckningar som lade grunden för skisser av koncept. Det befintliga utförandet av Steelvrist HC60 markvibrator ges i Figur 3.1. Ett möte innehållande konceptgranskning hölls den 11 april med

utvecklingsavdelningen på Steelwrist. Totalt 8 skisser på koncept presenterades och diskuterades Istället för en klassisk Pughmatris presenterades en variant där

konceptens utmärkande egenskaper listades utan inbördes vikt. Tanken med detta var att deltagarna gavs möjlighet att i en diskussion värdera dessa egenskaper utifrån sin egen expertis. Mötet var lärorikt och mycket diskuterades, även kravspecifikationen och huruvida systemet bör innehålla en eller två axlar.

I samband med konceptgranskningen fastslogs nedanstående kravspecifikation, innehållande bland annat kravet att kunna variera kraften från maximal till hälften, samt att konceptet skall utgå från bara en axel.

Figur 3.1 Markvibrator Steelwrist HC60. Överst till vänster, hela vibratorn sedd från sidan, observera vibratorplattan som vibratorelementet är fastskruvat i. Överst till höger, sedd framifrån, här syns vibrationsdämpande gummikuddar som förbinder vibratorplattan med resten av maskinen. Nere till vänster, vibratorelementet med bortkopplad hydraulmotor och nere till höger syns vibratorelementet i

11

3.1 Kravspecifikation variabel excentervikt

Viktdata för HC60 i nuvarande utförande återfinns i Tabell 3.1, här kallas modellen MSHV1500. Dessa vikter ligger till grund för kraven för konceptet som skall tas fram.

Tabell 3.1 Givna data för HC60. Observera att kgf inte är en SI-enhet. 1 kgf=9,8 N (Steelwrist, internt material).

Balansvikt: 21 kgl

Roterande del: 32,2 kg *

Tyngdpunkts avstånd till rotationscentrum: 53,1 mm

RPM / frekvens: 2000 / ~33Hz

Max vibrationskraft i dagens utförande: 49 kN

Husets vikt: 83 kg *

Vibratorelemetets vikt inkl hus: 169 kg *

* Vikter är tagna ur Solidworks och avrundade.

Funktionalitet

Skall kunna ändra vibrationskraften från 49 kN till 25 kN under drift med bibehållen frekvens, och innefatta enbart en roterande axel.

Storlek

Skall kunna monteras i en HC60 utan att störa funktionen eller manöverbarheten. Får ej sticka ut över vibratorplattan.

12

Vikt

Den roterande delen får inte överstiga befintliga vikter i fråga om vibrationskraft. Den får heller inte understiga befintligt masströghetsmoment mer än 10%. Detta för att bibehålla svänghjulseffekten.

Hela vibratorelementets vikt får inte skilja mer än 10% gentemot

ursprungsutförandet för att inte påverka egenfrekvensen och amplituden på vibrationerna för mycket.

Kraftförsörjning

Drivs av befintlig hydraulmotor, Permco M5000.

3.2 Val av koncept

Nedan presenteras kort de åtta koncept som presenterades på konceptgranskningen. Alla förslag utom det sista bygger på att ha någon form av tryckstång i centrum av den roterande axeln.

3.2.1 Koncept 1, Stiftkonceptet

Detta koncept bygger på en kombination av exemplen från nulägesanalysen. Två vikter sitter på samma axel varav en är vridbar. Man varierar vibrationskraften genom att ändra vikternas fasförskjutning gentemot varandra enligt Figur 3.2. Vikten vrids med ett stift som är variabelt i axialled genom en tryckstång i den roterande axeln. Stiftet ligger an i ett spiralspår på insidan av vikten som gör att vikten vrids när stiftet förs framåt/bakåt.

Figur 3.2 Koncept 1. Till vänster syns vikternas ändlägen för maximal och minimal vibrationskraft. Till höger syns mekanismen till vridningen av vikten.

Detta koncept har många detaljer, kräver relativt avancerad bearbetning men har fördelen att vikternas förankring är enkel och även enkel lagring av axeln i båda ändar.

13 3.2.2 Koncept 2, Tryck direkt på vikten

Genom att fästa vikten direkt på axeln genom en led och utforma vikten så

tryckstången kan trycka direkt på vikten, kan tyngdpunkten (CM) enkelt förflyttas. Se Figur 3.3.

Figur 3.3 Koncept 2. Tryck direkt på vikten.

Detta koncept har fördelen med få detaljer och kräver enkla bearbetningsmetoder. Största nackdelen är att den är svår att lagra upp och hur man får dubbelverkande rörelse.

3.2.3 Koncept 3, Droppen

Vidareutveckling av Koncept 2, här har vikten utformats så centrifugalkraften drar ut vikten till ändläge och tryckstången används till att trycka tillbaka den. Vikten har även en stoppkant så den stannar på plats när den nått innersta ändläget, se Figur 3.4.

Figur 3.4 Koncept 3. Droppen.

Fördelar är få detaljer och att enkelverkande tryckstång tillsammans med centrifugalkraft reglerar vikten.

14 3.2.4 Koncept 4, Gängstång

Genom att låta tryckstången vara utformad som en kuggstång i änden kan man överföra stångens translationsrörelse till rotation av en gängstång. På denna

gängstång skruvas vikten således in eller ut från rotationscentrum och varierar på så vis vibrationskraften. Se Figur 3.5.

Figur 3.5 Koncept 4. Gängstång.

Nackdelen med konceptet är att tryckstången antagligen kräver stor rörelse för att vrida gängstången många varv för att flytta vikten. Dessutom är infästningen av gängstång och vikt svår.

3.2.5 Koncept 5, Kuggstång

Detta koncept utgår återigen från en kuggstång enligt Koncept 4, men här sitter vikten på ett drev som vrids med hjälp av kuggstången. När drevet vrids vrids vikten in eller ut från rotationscentrum, se Figur 3.6.

Figur 3.6 Koncept 5. Kuggstång.

Fördelen med konceptet är att det tillåter en styrning med hög precision.

Nackdelar är att det är svårt att dimensionera drevet så det håller för kraften, samt infästning i axeln kan vara svårt.

15 3.2.6 Koncept 6, Länkaget

Detta koncept påminner om Koncept 2 och 3. Här sitter vikten fast i tryckstången genom ett länkage som medför att man kan använda en dubbelverkande tryckstång för att alltid ha vikten i rätt position, se Figur 3.7.

Figur 3.7 Koncept 6. Länkaget.

Fördelen med konceptet är att man kan använda dubbelverkande tryckstång. Dock är det en nackdel att det finns fler rörliga delar och flera leder där det kan uppstå glapp.

3.2.7 Koncept 7, Med styrpinne eller i spår

Se Figur 3.8, vikten glider radiellt längs ett spår eller en styrskena och dras in och ut av ett länkage till tryckstången.

Figur 3.8 Koncept 7.Med styrpinne eller i spår.

16 3.2.8 Koncept 8, Hydraulkonceptet

Genom att leda in hydraulolja direkt i en kanal i centrum av den roterade axeln kan en kolvstång monteras radiellt på axeln med en cylinder som excentervikt. Här varieras vibrationskraften genom att med oljetryck pressa vikten in mot

rotationscentrum, se Figur 3.9.

Figur 3.9 Koncept 8. Hydraulkonceptet.

Största fördelen med Koncept 8 är designen utan tryckstång inuti axeln och få rörliga delar. En svag punkt kan dock vara hur man överför hydraultryck till den roterande axeln.

3.2.9 Slutgiltigt val

Vid generering av ovanstående koncept var huvudfrågan hur man kan variera en tyngdpunkts förhållande till en roterande axel. Koncepten togs fram innan någon kravspecifikation var fastlagd. Under konceptgranskningsmötet utformades och fastslogs kravspecifikationen vilket satte koncepten i nya perspektiv. Kravet att utgå från befintlig konstruktion medförde att de koncept med svårigheter att ha kraftiga lager på var sida vikten, snabbt sållades bort.

Tydlig vinnare och de fem på mötet närvarande konstruktörers favorit var

stiftkonceptet. Dess design medför en robust förankring av vikten då den endast skall vridas runt en axel. Dessutom ansågs den platseffektiv med möjlighet att rymmas i det befintliga vibratorelementets hus utan större ändringar. Hydraulkonceptet var också omtyckt med sin nytänkande design och få rörliga delar.

Således beslutades under konceptgranskningen att utveckla både stiftkonceptet och hydraulkonceptet, och att stiftkonceptet skulle ges prioritet och hydraulkonceptet skulle utredas som alternativt koncept.

17

3.3 Stiftkonceptet

För att resonera sig fram till lämplig design används den ursprungliga designen av den roterande delen i markvibratorn som utgångspunkt, se Figur 3.10. Följande data gäller för befintlig rotordel:

Axelns diameter (vid vikten) 87 mm, längd 272 mm och och vikt ca 10 kg.

Vikten som är monterad mitt på axeln är 94 mm bred och 210 mm i diameter. Hålet för axeln sitter 44 mm från viktens centrum.

Figur 3.10 Den ursprungliga roterande delen med excentervikten monterad mitt på axeln.

3.3.1 Beskrivning av mekanismen i stiftkonceptet

Ett spiralspår på insidan av vikten ligger an mot ett stift som är variabelt i axialled med hjälp av en stång. För att inte stiftet skall kantra i spåret på axeln behöver vikten hålla i stiftet i båda ändar. Detta innebär att det finns två spiralspår i vikten och att kraften fördelas på två punkter, se Figur 3.11 och 3.12.

18

Figur 3.12 Principskiss över hur ursprungsvikten skulle se ut som ställbar enligt stiftkonceptet.

För att fördela kraften jämnt över axeln och förhindra oönskad obalans, bör tre vikter användas. Två fasta vikter på vardera sida om en vridbar, se Figur 3.13. Ett sätt att variera från full kraft till halv kraft är att låta den mellersta vikten utgöra ¼ av den totala vikten och vara vridbar 180o, medan de två fasta vikterna utgör ⅜ av den totala vikten var.

19 3.3.2 Så platseffektiva vikter som möjligt

Den variabla viktens bredd påverkar stigningen på spiralspåren. Spåren skall hinna vridas tillräckligt och dessutom lämna minst stiftets diameter i marginal på båda sidor inklusive påföringsspår på ena sidan.

Därmed är det önskvärt att utforma de fasta vikterna så att de blir smala och den variabla vikten bred nog att spiralspåren får tillräcklig stigning, med bibehållen vibrationskraft.

I ursprungsutförandet är maximala radien på den roterande delen 149 mm. Detta mått får ej överskridas för att säkerställa god marginal mot omgivande huset, se Figur 3.14.

Figur 3.14 Maxradien i ursprungsutförandet.

3.3.3 De fasta vikterna

För att göra de fasta vikterna så smala som möjligt ändras formen utifrån den maximala radien 149 mm från rotationscentrum. Formen återges i Figur 3.15 nedan. En av de fasta vikterna i Figur 3.13 har ⅜ av urspungsviktens bredd och väger 7,8 kg. Detta ger en vibrationskraft på ca 18,2 kN enligt Ekvation 2.1. Den nya

maximerade vikten utformas för att få samma vibrationskraft på mindre axiellt utrymme. (z-led)

20

Figur 3.15 Ny form på vikt för maximal vibrationskraft på minimalt axiellt utrymme. Tyngdpunkt 63 mm från rotationscentrum.

Med en excentricitet på 63 mm behöver vikten väga 6,5 kg för att ha 18,2 kN vibrationskraft enligt Ekvation 2.1.

𝑥 = 18,2 𝑘𝑁

0,063𝑚×(2000𝑟𝑝𝑚₃₀𝜋)2.

𝑥 = 6,5𝑘𝑔.

Bredden på vikten anpassas så den väger 6,5 kg. Detta uppnås med en bredd på 25 mm enligt Solidworks.

3.3.4 Den variabla vikten

Den variabla vikten i Figur 3.13 har ¼ av ursprungsvikten, nämligen 5,2 kg, och har 12,1 kN vibrationskraft.

Utifrån detta konstrueras en variabel vikt som passar i urspungshuset. Denna görs 42 mm bred för att få plats med 1mm teflonbrickor på vardera sida för att minska friktionen mot de fasta vikterna när vikten vrids. Här används samma geometri som tidigare, men med given bredd ändras ytterdiametern till att ge vikten 12,1 kN vibrationskraft.

Med ytterdiameter 225 mm sitter tyngdpunkten ca 45 mm från rotationscentrum och viktens massa blir ca 6 kg, vilket enligt Ekvation 2.1 ger rätt vibrationskraft:

6𝑘𝑔 = 12,1 𝑘𝑁

21

Spiralspåren i vikten utformas med påföringsspår från ena sidan för montering och stiftets diameter i marginal i godset på vardera sida, se Figur 3.16.

Figur 3.16 Variabel vikt med spiralspår 180o.

Dessa vikter monteras ihop till en roterande del som passar i ursprungshuset, se Figur 3.17.

Figur 3.17 Roterande del med två fasta vikter på vardera sida om en vridbar vikt 180o. Till vänster inställd på maximal vibrationskraft och till höger halv

vibrationskraft.

I detta utförande är vikternas totala massa ca 19 kg. För att komma upp i kravet i specifikationen på 21 kg kan material läggas till på båda sidor om rotationsaxeln, utan att vibrationskraften påverkas.

22 3.3.5 Stigning på spiralspåret

När den vridbara vikten är 42 mm bred och det lämnas 6 mm på vardera sida återstår 30 mm av viktens bredd för spåret att stiga på. Följaktligen blir stigningen för 180o spår då 60 mm, se Figur 3.18.

Figur 3.18 Mått på spiralspår 180o. (0,5 varv).

Med Ekvation 2.4 kan detta uttryckas i grader: 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (60₂ /87) = 19°.

En 19o stigning ger mycket friktion mellan stift och spiralspår och hög belastning på stift och stång i axialled. Önskvärt vore en stigning överstigande 45o_.

För att maximera stigningen på spiralen utförs en ny viktundersökning i Solidworks där de fasta vikterna görs smala och den variabla så bred som möjligt. Här

maximeras även ytterdiametern på alla vikter till 298 mm och endast tjockleken varieras, se Figur 3.19.

Figur 3.19 Viktundersökning i Solidworks.

För att mäta ut vikternas gemensamma tyngdpunkt används Solidworks mätverktyg. De gulsvarta markeringarna i Figur 3.20 visar vikternas individuella tyngdpunkter, och den grönvita visar den gemensamma tyngdpunkten.

23

Figur 3.20 Metod att mäta gemensam tyngdpunkt i Solidworks. Här 135o

förskjutning mellan vikterna som ger avståndet 24,6 mm till rotationsaxeln. Det ljusgrå fältet är den variabla vikten.

Med mätverktyget i Solidworks mäts avståndet från rotationsaxeln till den gemensamma tyngdpunkten. Detta tillsammans med vikternas massa ger vibrationskraften genom Ekvation 2.1.

Med denna utformning överstiger den maximala vibrationskraften 49 kN.

Mittenvikten behöver ställas i ett utgångsläge med en fasförskjutning som resulterar i 49 kN. Detta antyder att det går att uppfylla kravet på vibrationskraften med mindre vridning än 180o.

De fasta vikterna görs endast 15 mm breda för att ge mittenvikten så mycket utrymme som möjligt. För att uppnå totalvikten på 21 kg minskas diametern på mittenvikten till 273 mm.

Olika vinklar ställs in och den gemensamma tyngdpunkten mäts in med Solidworks, sedan används Ekvation 2.1 i ett excelark för att räkna ut resultatet som sammanställs i Tabell 3.2 och illustreras med graf i Figur 3.21.

24

Tabell 3.2 Resultattabell viktundersökning.

Fasförskjutning grader Avstånd mellan gemensam tyngdpunkt och rotationspunkt mm. Resulterande vibrationskraft kN 0 59,4 54,6 45 55,1 50,7 50 54,1 49,8 54 53,4 49,1 55 53,0 48,8 90 43,0 39,6 120 31,8 29,3 125 29,8 27,4 126 29,4 27,0 127 29,0 26,7 130 27,8 25,6 131 27,4 25,2 132 27,0 24,8 135 25,8 23,7

Figur 3.21 Vibrationskraft i förhållande till fasförskjutning.

I intervallet 54o till 131o förskjutning mellan vikterna får vikterna vibrationskraften 49 kN till 25 kN. 77o _{vridning motsvarar 0,214 varv. Mittenvikten är här 62 mm}

25

Figur 3.22 Spiralspår vid 77o vridning.

Detta motsvarar 53,3o enligt Ekvation 2.4: 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (233,8₂ /87) = 53,3°.

I detta utförande får den roterande delen behålla sina ursprungsegenskaper och är variabel mellan 49 kN och 25 kN, med stigning på spiralspåret överstigande 45o, se Figur 3.23.

Figur 3.23 Slutligt utförande med 77o vridning och 53,3o stigning på spår. Här inställd på max vibrationskraft 49 kN.

3.3.6 Linjärstyrningen

För att reglera stången när axeln roterar används ett dubbelt vinkelkontaktlager från till exempel SKF (SKF 2014) tillsammans med en dubbelverkande hydraulisk kolv. Lagret är fäst med en låsring på vardera sidan. För att illustrera lösningen används en lagerdummy med korrekta yttermått och en hydraulkolv av egen design, se Figur 3.24. Delarna är överdimensionerade för att säkerställa funktionaliteten utan att överstiga maximala mått enligt kravspecifikationenen.

26

Figur 3.24 Illustration av linjärstyrning.

Lagret är fäst med låsring på vardera sidan och tätningarna för hydrauliken är

dimensionerade utifrån en verklig hydraulkolv. Till vänster i Figur 3.24 syns även de splines i axeln där hydraulmotorn skall sitta.

3.3.7 Uppskattning av kraften på styrstiftet

För att tydliggöra krafternas storleksordning görs undersökningar utifrån två angreppsvinklar:

1. Accelerationen vid start från stillastående till maxvarv 2000 rpm på 1 sekund. Detta fås av Ekvation 2.7 delat på 1 sekund, vilket motsvarar

vinkelacceleration α:

2000𝑟𝑝𝑚₃₀𝜋

𝑠 = 210𝑟𝑎𝑑/𝑠2.

2. Utifrån hydraulmotorns maximala vridmoment.

Axeln har diameter 87 mm, dvs avståndet till det aktuella tvärsnittet på stiftet från rotationcentrum är r = 43,5 mm. Enbart den variabla vikten i Figur 3.24 har ett masströghetsmoment på J= 0.13 kgm2 med avseende på rotationsaxeln, enligt Solidworks. Tack vare spiralspåret hamnar den största kraften på stiftet i samma riktning som stiftspåret i axeln, i z-led i Figur 3.25. I detta läge kommer stiftet utsättas för böjning. 18,5 mm av stiftet är utan stöd från spåret i z-led, när

tryckstången har diameter 50 mm och drivaxeln 87 mm. Detta är en kritisk situation där påfrestningen på stiftet blir som störst och är därmed dimensionerande.

27

Figur 3.25 Stiftspåret i axeln är 18,5 mm djup.

Observera att det är den grå axeln i figurerna som driver systemet. Stången är

dimensionerad att hålla djupet på stiftspåret lågt. Kraften i z-led på stiftet kommer av den variabla viktens masströghetsmoment överfört via spiralspåret. Stigningen på viktens spiralspår är 53,3o, se Figur 3.26.

Figur 3.26 Förtydligande av z-led, y-led och stigning på spiralspår.

Från stillastående till 2000 rpm på 1 sekund:

För att ge J en acceleration på 210 rad/s2 _{krävs enligt Ekvation 2.5 således ett}

vridmoment M motsvarande

𝑀 = 𝐽𝛼 = 0,130𝑘𝑔𝑚2_{× 210𝑟𝑎𝑑/𝑠}2 _{= 27,3 𝑁𝑚.}

Ur vridmomentet räknas kraftens tangentiella storlek vid stiftet (r = 43,5mm) ut genom Ekvation 2.6:

𝑀 = 𝐹𝑟 → 𝐹 = 𝑀_𝑟 = 27,33𝑁𝑚_0,0435𝑚= 628𝑁.

Detta fördelat på två punkter blir 314 N per punkt. Uppdelningen av 314 N i y-led till z-komposanten fås med trigonometri:

tan 53,3° × 314𝑁 = 421𝑁.

28

Utifrån maximalt vridmoment från hydraulmotorn:

Hydraulmotorn som skall driva vibratorn är av typen kugghjulsmotor, har ett deplacement på 52,80 cm3 och skall arbeta vid 150 bars tryck.

Enligt Ekvation 2.3 ger denna motor ett teoretiskt maximalt vridmoment på 125 Nm: 150 × 52,8/63 = 125 𝑁𝑚.

Motorn driver förutom den variabla vikten även axeln och de fasta vikterna. Hela den roterande delen minus den variabla vikten har ett tröghetsmoment på Jf = 0,1 kgm2

enligt Solidworks. För att ge Jf en acceleration på 210 rad/s2 krävs således enligt

Ekvation 2.5, ett vridmoment M motsvarande

𝑀 = 𝐽𝑓𝛼 = 0,1𝑘𝑔𝑚2× 210𝑟𝑎𝑑/𝑠2 = 21 𝑁𝑚.

Detta dras av från motorns vridmoment. Ur motorns kvarvarande vridmoment räknas kraftens storlek vid stiftet (r = 43,5mm) ut genom Ekvation 2.6:

𝑀 = 𝐹𝑟 → 𝐹 = 𝑀_𝑟 = _0,0435𝑚104𝑁𝑚 = 2390𝑁.

Detta fördelat på två punkter blir 1195 N per punkt. Uppdelningen av 1195 N i y-led till z-komposanten ger:

tan 53,3° × 1195𝑁 = 1604𝑁.

Resultaten av dessa två undersökningar ger en uppfattning om vilken kraft som kan påverka stiftet under drift.

3.3.8 FEM-undersökning på stiftet

Böjningen av stiftet i z-led anses dimensionerande. Följande förenklade uppställning belyser påfrestningen utifrån detta och krafter i övriga riktningar försummas. Stiftet i undersökningen har diameter 6 mm.

Utifrån start/stopp på en sekund

Vänstra tvärsnittet är fast förankrat, medan en kraft på 421 N påverkar stiftets spets 18,5 mm från det förankrade tvärsnittet, se Figur 3.27. Detta simulerar böjning från viktens maximala kraft på stiftet utifrån en acceleration på 𝛼 = 210 𝑟𝑎𝑑/𝑠2 _enligt

29

Figur 3.27 FEM-undersökning 421 N på en 6 mm stift.

Den största uppmätta spänningen är 333 MPa (von Mises). Detta visar vilka

påfrestningar stiftet måste tåla för att hålla för start från stillasående till maxvarv på 1 sekund.

Utifrån motorns 104 Nm

Vänstra tvärsnittet är fast förankrat, medan en kraft på 1603 N påverkar stiftets spets 18,5 mm från det förankrade tvärsnittet, se Figur 3.28. Detta simulerar böjning från viktens maximala kraft på stiftet utifrån motorns maximala vridmoment enligt ovan.

Figur 3.28 FEM-undersökning 1603 N på en 6 mm stift.

Den största uppmätta spänningen är 1272 MPa (von Mises). Detta visar vilka påfrestningar stiftet måste tåla för att hålla för hydraulmotorns maximala vridmoment.

Att använda ett 8 mm stift skulle ge en avsevärt högre säkerhetsfaktor. I Figur 3.29 visas en FEM-underökning där 1603 N påverkar ett 8 mm stift.

30

Figur 3.29 FEM-undersökning 1603 N på en 8 mm stift.

Den största uppmätta spänningen när man undersöker ett 8 mm stift med 1603 N är 550 MPa (von Mises). Observera att om man ökar diametern på stiftet så påverkas stigningen på spiralspåret i vikten. Spiralspåret har enligt ovan dimensionerats för ett 6 mm stift med 6 mm gods i marginal på var sida om spiralspårets operativa del. Används ett 8 mm stift med samma marginaler ändras stigningen på spåret negativt och riskerar att hamna under 45° med nuvarande design.

3.3.9 Typ av stift som klarar beräknad påfrestning

En härdad stålpinne av typen DIN 6325 finns bland andra hos Wurth. Materialet i denna standard är 100cr6 eller motsvarande (Make-ag 2017), och kan härdas upp till sträckgräns 2000 MPa (Ovako 2017).

3.3.10 Monteringsordning

Vid montering monteras först hela hydraulkolven som sedan låses fast på lagret med låsringen innan den skruvas fast i sidan av huset, se Figur 3.30.

31

3.4 Hydraulkonceptet

Tack vare det begränsade utrymmet i huset behövs en stor vikt för att möta kraven. Figur 3.31 visar en skiss över formen för en vikt som på 75 mm förflyttning kan gå från maximala 60 kN vibrationskraft till noll, exklusive axel och fästanordningar. Denna maximerade form behölls i stora drag och endast tjockleken anpassades till önskad kraft.

Figur 3.31 Form på excentervikt för hydraulkonceptet.

På den befintliga axeln fästs en kolvstång med diameter 40 mm radiellt på mitten. För att få en uppfattning om dimensionerna hos tätningarna i en hydraulkolv studeras en befintlig kolv, se Figur 3.32.

Figur 3.32 Del av exempelkolv för att tydliggöra dimensioner. Nedtill syns den bruna cylindertätningen mellan två svarta stödlager. Här med kolvstång 30 mm till 55 mm cylinder (ej med på bild).

32

Två stödlager och en tätning till kolven med innermått i cylinder 55 mm är

tillsammans ca 30 mm höga. I en dubbelverkande hydraulkolv behövs två sådana, dessa går dock att specialanpassa och göras något mindre. Vill man ha 30 mm slaglängd upptar således hydraulkolven närmare 100 mm totalt. Skillnaden mellan kolvstångens diameter och cylinderns innerdiameter kan sättas efter behag, dock krävs alltid en minsta tillåtna skillnad för att få plats med tätningarna.

Kolvstången fästes på axeln med 4 st m8 skruvar underifrån som tätas med lämpliga tätningar. Denna infästning är inte optimerad, utan behöver utarbetas grundligare. En oljekanal går genom kolvstången och axeln, se Figur 3.33.

Figur 3.33 Hydraulkonceptet. Till vänster med vikten inställd på max vibrationskraft. Till höger är vikten inställd på minsta vibrationskraft och i genomskärning, här syns oljekanalen och två av skruvarna som håller kolvstången. Tätningar och stödlager symboliseras av de kopparfärgade ringarna.

Observera att vikten är utformad för att hela tiden ha stöd från axeln för att förhindra oönskad rotation, se Figur 3.34.

33 3.4.1 Hydraulkolvens dimensioner

Enbart vikten väger 20,3 kg. Viktens tyngdpunkt ligger 53,4 mm från rotationsaxeln vid max kraft och 23,4 mm från rotationsaxeln, när den är inställd på minsta kraft.

Med vikten inställd på maximal kraft

Med vikten i sin yttersta position blir kraften från enbart vikten ca 48 kN enligt Ekvation 2.1:

20,3𝑘𝑔 × 0,0534𝑚 × (2000𝑟𝑝𝑚₃₀𝜋)2 ∼ 48𝑘𝑁.

För att under drift orka trycka tillbaka vikten in mot axeln igen, behöver ytan i hydraulkolven dimensioneras så att maskinens arbetstryck 20 MPa orkar övervinna 48 kN.

Ytan som behövs är således: 48000 N / 20 N/mm2 _{= 2400 mm}2_.

Eftersom kolvstången med diameter 40 mm har area 1257 mm2, så måste cylindern ha 1257 + 2400 = 3657 mm2. Detta ger en diameter 2r: 3657 / 𝜋 = r2 → r = 34 mm. Med 70 mm diameter på cylindern, det vill säga en tvärsnittsarea på 2591 mm2, klarar maskinen det vid 20 Mpa.

Med vikten inställd på minsta vibrationskraft

För att trycka tillbaka en enkelverkande kolv, alltså när vikten skall föras ut från rotationscentrum med hjälp av centrifugalkraften, räknar man med att en

grävmaskins hydraulsystem har ett latent tryck på ca 50 bar som måste övervinnas (Wall, A 2017).

Med vikten inställd på minsta vibrationskraft är centrifugalkraften från enbart vikten ca 21 kN enligt Ekvation 2.1:

20,3𝑘𝑔 × 0,0234𝑚 × (2000𝑟𝑝𝑚₃₀𝜋)2 ∼ 21 𝑘𝑁.

21000 N / 2591 mm2 = 8,1 MPa.

34 3.4.2 FEM-undersökning på kolvstången Utifrån motorns maximala vridmoment 123 Nm.

Detta maximala vridmoment räknas om till tangentiell kraft mellan de två stödlagren, 90 mm från rotationscentrum, med Ekvation 2.6

𝑀 = 𝐹𝑟 → 𝐹 = 𝑀_𝑟 = 104𝑁𝑚_0,090𝑚= 1156𝑁.

Tyngdpunkten ligger i verkligheten närmare rotationsaxeln, 90 mm är mitt i ytan som stöder vikten vid full kraft, detta simulerar en förenkling av ett extremfall.

1156 N applicerad 90 mm från ett förankrat tvärsnitt på en stång 40 mm diameter i en FEM-simulation, visar att här finns god marginal för vad en vanlig stång av stål med sträckgräns 620 MPa håller för, se Figur 3.35.

Figur 3.35 FEM-undersökning 1156 N på en 40 mm kolvstång.

Högsta uppmätta spänning är knappt 33 MPa (von Mises).

3.4.3 Sviveln

Hydraultrycket överförs till den roterande axeln med en så kallad hydraulisk svivel, från till exempel Rotary Systems (Rotarysystems 2017). En svivel består i huvudsak av två delar som är tätade gentemot varandra och tillåts rotera. De finns anpassade för olika ändamål, med eller utan kullager. Ena delen skruvas fast i axeln och roterar med den, och till den andra delen som står stilla ansluts hydraulledningen.

I CAD-modellen används en dummy med rätt dimensioner för att illustrera denna. Viktigt är en svivel som klarar grävmaskinens hydraultryck på 20 MPa och 2000 rpm enligt kravspecifikationen.

35 3.4.4 Montering

Vid montering blir det väldigt trångt mellan vikten och axeln. Detta kräver att delarna monteras ihop i viss ordning. I Figur 3.36 presenteras två alternativ till montering. Till vänster monteras hydraulkolven på traditionellt vis och sedan skruvas hela paketet med vikt (motsvarande cylinder) och kolvstång fast i axeln med fyra skruvar. Till höger monteras kolvstången först, sedan vikten och sist

cylindertätningen ovanifrån.

36

4 Resultat

Konceptutvecklingen resulterade i två koncept som här presenteras var för sig.

4.1 Stiftkonceptet

I Figur 4.1 presenteras stiftkonceptet monterat i det ursprungliga huset. Till höger visas huset i genomskärning och axeln med vikterna syns. Den variabla vikten är genomskinlig för att visa spiralspåret, vikten är här inställd för maximal

vibrationskraft. Vinkelkontaktlagret för linjärstyrningen sitter med en låsring på vardera sida, anslutningarna för hydraulledningarna bör båda sättas på ovansidan för bättre skydd än nuvarande design.

Figur 4.1 Stiftkonceptet monterat i huset.

37

4.2 Hydraulkonceptet

I Figur 4.2 presenteras hydraulkonceptet monterat i det ursprungliga huset. Till höger visas huset i genomskärning och axeln med vikten som är genomskinlig för att visa hudraulkolven. Vikten är här inställd för maximal vibrationskraft. Till höger syns sviveln till vilken hydraulledningen ansluts.

Figur 4.2 Hydraulkonceptet monterat i huset.

Svivelns ytterhölje roterar visserligen inte men bör ändå tillåtas viss rörelse och inte vara fast monterad i sidan. Här behöver en tätning konstrueras för att förhindra att smuts tränger in mellan sidan och sviveln.

38

5 Analys

Båda koncepten uppfyller kravspecifikationen i fråga om funktionalitet, storlek och vikt.

För vibrationskraften finns, speciellt i stiftkonceptet, utrymme att med små ändringar gå utanför kraven både uppåt och nedåt, vilket visar att konstruktionslösningarna också är direkt applicerbara på andra storlekar av markvibratorer.

Vad gäller storlek är det enda negativa att stiftkonceptet växer onödigt långt åt sidan/axiellt, även om om det ryms inom specifikationen. Linjärstyrningen är stor och onödigt skrymmande, vilket tas upp i diskussionen nedan. Hydraulkonceptet skiljer sig storleksmässigt inte från ursprungsutförandet, den enda synliga skillnaden är hydraulanslutningen på ena sidan huset. Båda koncepten bygger på omarbetningar av de befintliga delarna och passar i ursprungshuset, vilket är en fördel. Detta tas upp i diskussionen ytterligare angående ursprungshuset.

Viktkravet på den roterande delen uppfylls av båda koncepten. Detta beror främst på att den nya designen på vikterna medför en effektivare viktfördelning och bättre utnyttjande av utrymmet. Här finns även möjlighet att omfördela vikt på båda sidor rotationsaxeln vid behov utan att påverka vibrationskraften.

Även totalviktskravet klarar båda koncepten väl. Stiftkonceptets totalvikt är 175 kg vilket är väl inom kravet på 169 kg ± 10 %. Här finns även förutsättningar hos stiftkonceptet att slimma utförandet vidare för att spara vikt om man skulle önska. Hydraulkonceptets totalvikt blev lika som ursprungsutförandets. Detta lämnar gott om marginal för eventuella framtida ändringar.

39

6 Diskussion

Resultatet visar att en variabel excentervikt kan konstrueras på flera sätt. Båda koncepten som presenteras kan tillverkas med bearbetningsmetoder liknande de som redan utförs på Steelwrist. Konstruktionen har hunnit till konceptnivå och båda koncepten skulle behöva förfinas innan underlag för prototyptillverkning kan tas fram.

För stiftkonceptet konstaderades att stiftet behövde dimensioneras upp från 6 till 8 mm diameter för att erhålla acceptabel säkerhetsfaktor mot brott. Ett ännu grövre stift skulle vara gynnsamt men spiralspåret kan komma att behöva designas om vad gäller stigningen på spiralspåret. Stigningen kan också göras mer gynnsam med smalare fasta vikter, eller genom att göra stiftspåret i axeln något spiralformat i motsatt riktning. Det senare kräver dock mer avancerad och därmed fördyrande bearbetning av axeln.

Uppställningen av krafterna i rapporten utgår från motorns maximala teoretiska vridmoment. I verkligheten kanske man inte ska ha ett stift som är starkare än motorn, utan nyttja stiftet som sprängstift för att rädda mer vitala komponenter så som motor och lager från överbelastning. Själva spiralspåret i vikten utsätts också för stor påfrestning. Vid behov skulle man kunna tillverka en härdad hylsa med

spiralspåret i som fästs inuti vikten. Infästningen av de fasta vikterna behöver utarbetats, men skulle antagligen innefatta kilförband och fästbrickor i stil med ursprungsutförandet.

Hydraulkonceptet fungerar konceptuellt, men den begränsade projekttiden medförde att konstruktionen inte kunde genomarbetas fullt ut. Kolvstången bör fästas på bättre sätt och utformas så att tätningen blir så enkel och stark som möjligt. I

hydraulkonceptet behöver inte vikten föras på axeln från sidan, vilket ger det möjlighet att fräsa ned axeln på den sidan där kolvstången sitter. Detta skulle ge större utrymme till stödlager och tätningar då just dessa kan antas vara en kritisk del i konceptet. Vidare måste hydrauliken dimensioneras för bättre marginal till

grävmaskinens maxtryck på 200 bar, för att undvika onödig belastning på hydraulsystemet.

Tack vare att de nya vikterna har en större diameter än ursprungsvikten kan inte vikt och axel monteras ihop utanför huset, utan vikterna måste monteras på axeln inuti huset. Detta är inte omöjligt men ändå besvärligt. En ny design av ett öppningsbart hus skulle kringgå detta.

Det var svårt att följa den angivna metoden i projektplanen och en riktig Pughmatris presenterades aldrig. SCAMPER underlättade vid konceptgenereringen, men inte så mycket som först antytts. Femstegsmetoden användes snarare från början till slut genom hela arbetet och inte bara vid konceptgenereringen, då det mera kan efterliknas en fortgående process. Det är dock svårt att redovisa exakt för hur

metoderna använts då båda, speciellt den sistnämnda, står för en naturlig och intuitiv arbetsgång. Det framgick att dessa metoder kan behöva användas regelbundet för att bättre utnyttja dess potential.

Att frångå projektplanen och konstruera inte bara ett utan två koncept var ett beslut som fattades gemensamt under en kontinuerlig dialog med handledaren, och även ämnesgranskaren gav sitt godkännande till detta. Detta medförde ändringar i

40

prioriteringen för att ge båda koncepten tillräcklig tid. Hydraulkolven till

linjärstyrningen blev till exempel alldeles för grovhuggen och stor, här finns dock goda möjligheter att slimma utförandet vilket nämns i analysen.

41

7 Slutsats

Resultaten visar att målet för examensarbetet är uppfyllt. Två koncept har presenterats, som förutom att de uppfyller kravspecifikationen, båda besitter god utvecklingspotential.

Båda framtagna koncept kan variera vibrationskraften steglöst mellan 49 kN och 25 kN under drift. De håller sig inom kraven vad gäller storlek och vikt med goda marginaler och möjligheter till att med små ändringar gå utanför kraven för att möta nya krav från andra storlekar på markvibratorer.

Författaren skulle främst vilja framhålla hydraulkonceptet med sin enkelhet och få rörliga delar. Här finns potential att få fram en robust och kostnadseffektiv lösning.

7.1 Förslag på fortsatt arbete

Nästa steg skulle vara att arbeta igenom ett av koncepten mer grundligt och ta fram underlag för en prototyp som kan provköras och utvärderas. Detta skulle också innefatta en ombyggnation av själva huset till vibratorelementet i nuvarande produkt för att underlätta både tillverkning och montering.

42

8 Referenser

Tryckta:

Baxter (1995), Product design, Chapman and Hall, UK (ISBN 0748741976) Schaeffler (2014), Technical pocket guide, Schaeffler Technologies, Germany Ulrich, K. Eppinger, S (2012), Product design and development, McGraw-Hill, USA (ISBN 978-0-07-340477-6)

Elektroniska:

Ammann (2017), Add-on compactors, www.ammann-group.com (2017-05-27)

Atlas Copco (2014), Dynapac compaction and milling handbook,

www.atlascopco.com (2017-05-27)

Make-ag (2017), Datablad DIN6325 Dowel pins, http://www.make-ag.ch (2017-06-15)

Multiquip (2011), Soil compaction handbook, www.multiquip.com (2017-05-27)

Ovako (2017), Materialdata 100cr6, https://steelnavigator.ovako.com (2017-06-15) Rotarysystems (2017), Rotary unions, http://rotarysystems.com (2017-05-25)

SKF (2014), Rullningslager, katalog, www.skf.com (2017-05-27)

Stehr (2017), Excavator mounted compactors, http://en.stehr.com (2017-05-27)

Swepac (2017), Reservdelskatalog, www.spareparts.swepac.se (2017-05-27)

Patent:

Vipac Vibrator AB (1982), A vibrator for compacting soil and the like EP 0054529

A1, Europeiskt Patent nr EP0054529 A1

Muntlig:

Wall, A. (2017), Samtal om hydrauliksystem med hydraulikkonstruktör på Steelwrist (Muntlig information, 2017-05-03)