Omkonstruktion av lyftögla till ABB:s transformatorer

ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2020/010-SE

Examensarbete 15 hp Juni 2020

Omkonstruktion av lyftögla till ABB:s transformatorer

Faruk Kodzaga

Nils Enbom

i

Abstract

Reconstruction of a lifting lug for ABB:s power transformers

Faruk Kodzaga & Nils Enbom

Handledare: Annica Marmolin, Leif G. Olsson, Joakim X. Johansson Ämnesgranskare: Lars Degerman

Examinator: Matias Urenda Moris ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2020/010-SE

Being able to supply larger parts of the world with renewable energy and satisfy the increasing energy demand requires larger and more efficient power transformers. Larger transformers are causing problems within the transport area since most of the railway in Sweden has a maximal width that must not be exceeded. In order to lift up to 600 tons and at the same time stay within the load profile, requires innovative solutions to the lifting lugs that are being used to lift the transformers.

The aim with this study is to design a lifting lug that will be used to lift ABB: s transformers. Several requirements and wishes were first

established for the new design of the lifting lug. These were then used to generate concepts. Pugh´s matrix was used to compare the concepts to each other as well as the current lifting lug. The concepts with the highest points were chosen for further development. The chosen concepts were then constructed together with a representation of the transformer in CAD which were used for FEM simulations in Creo. In the end one concept was chosen for further development. Continuous FEM analyses were performed during the study to ensure that the right design and the right dimensions were used to develop the best possible concept at the end.

The best selected concept met all the requirements and most of the wishes for the lifting lug. In addition, the final dimensions were optimized to meet the weight classes 30-, 40-, 70-, 100- and 150 tons represented in two different tables in the result section of the study. Unfortunately, a prototype of the concept could not be manufactured due to the lack of time.

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet

UHR-enheten

Besöksadress:

Ångströmslaboratoriet 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

ii

Sammanfattning

För att kunna förse större delar av världen med förnybar energi och tillfredsställa det ökande energibehovet krävs större och bättre transformatorer. Större transformatorer leder till problem med transport då många av järnvägarna i Sverige har en maximal bredd som inte får överstigas. För att kunna lyfta upp emot 600 ton och samtidigt hålla sig inom lastprofilen behövs innovativa lösningar på lyftöglorna som används för att lyfta transformatorerna.

Syftet med denna studie är skapa ett koncept för en lyftögla som kan använda både

syntetiska- och stålvajrar för att lyfta ABB:s transformatorer. Först fastställdes ett antal krav och önskemål för designen av lyftöglan. Dessa användes sedan vid konceptgenereringen.

Med hjälp av Pughs matris jämfördes koncepten med varandra samt med den nuvarande lyftöglan som valdes som referens. De koncepten som hade högst poäng valdes för vidareutveckling. Koncepten konstruerades i CAD tillsammans med en representation av transformatorn som användes vid simuleringar i Creo. Slutligen valdes ett koncept för att vidareutvecklas. För att konceptet skulle klara alla krav som ställts utfördes rullande FEM analyser under studiens gång för att kunna testa olika dimensioner och designer av konceptet för att komma fram till ett så bra koncept som möjligt.

Resultatet av studien blev att det slutvalda konceptet uppfyllde alla ställda krav samt de

flesta önskemålen. Konceptets slutgiltiga dimensioner optimerades dessutom för att klara

viktklasserna 30-, 40-, 70-, 100- och 150 ton som redovisas med hjälp av två tabeller i

studiens resultatavsnitt. På grund av tidsbrist i studien kunde inte en prototyp av konceptet

tillverkas.

iii

Förord

Studien är en del av kandidatexamen för Högskoleingenjörsprogrammet i Maskinteknik på Uppsala Universitet och utfördes under vårterminen 2020. Vi vill börja med att tacka ABB och Annica Marmolin för möjligheten att göra vårt examensarbete hos företaget. Vi vill även tacka vår ämnesgranskare Lars Degerman för den hjälp och återkoppling vi fått under

studiens gång. Ett stort tack riktas även till Leif G. Olsson och Joakim X. Johansson som under arbetet har varit till stor hjälp som handledare på ABB. Slutligen vill vi även tacka Account Managern Knut Riise ifrån Certex med all den rådgivning som han under examensarbetets slut har bidragit med gällande internationella standarder för lyft, de slingor som används för lyft av ABB:s transformatorer och mycket mera.

Uppsala juni 2020

Faruk Kodzaga & Nils Enbom

iv

Innehållsförteckning

1 Introduktion ... 1

1.1 Bakgrund ... 1

1.2 Problembeskrivning ... 1

1.3 Syfte ... 2

1.4 Frågeställningar ... 2

1.5 Avgränsningar ... 2

2 Teori ... 3

2.1 Standarder för transport av tungt gods ... 3

2.2 CE-märkning ... 4

2.3 Svenska institutet för standarder (SIS) ... 5

2.4 European Commitee for Standardization (CEN) ... 5

2.5 Stål och syntetiska vajrar ... 6

2.6 Pughs matris ... 7

2.7 Finita Element-metoden, FEM ... 9

3 Metod ... 12

3.1 Design av studien ... 12

3.2 Litteraturundersökning ... 13

3.3 Datainsamlingsmetod ... 14

3.4 Dataanalys ... 14

3.5 FEM analys ... 14

3.6 Validitet och reliabilitet ... 14

3.7 Etiska ställningstaganden ... 15

4 Produktbeskrivning ... 16

5 Produktkrav ... 21

5.1 krav på lyftöglan ... 21

5.2 Önskemål för lyftöglan ... 22

6 Produktjämförelse ... 23

6.1 Siemens ... 23

6.2 GC TOP TECHNOLOGIES ... 23

6.3 IMEFY ... 24

6.4 BTW Electric ... 25

6.5 Hyosung Heavy Industries ... 26

7 Konceptgenerering ... 27

7.1 Konceptgenerering 1 ... 27

v

7.1.1 Koncept 1 ... 27

7.1.2 Koncept 2 ... 28

7.1.3 Koncept 3 ... 28

7.1.4 Koncept 4 ... 29

7.1.5 Koncept 5 ... 30

7.1.6 Koncept 6 ... 31

7.1.7 Utvärdering och analys av koncept ... 31

7.1.8 Diskussion gällande konceptgenerering 1... 32

7.2 Vidareutveckling samt verifiering med FEM ... 33

7.2.1 Koncept i CAD med FEM analys ... 33

7.2.2 Vidare utvärdering och analys av koncept 1, 2 och 6 ... 37

8 Utvärdering av konstruktionsförslag ... 39

8.1 Koncept 1 ... 39

8.1.1 övriga viktklasser inklusive 150ton utifrån koncept 1 ... 42

8.1.2 Dimensioneringstabell... 43

9 Analys ... 46

9.1 Kravuppfyllnad för koncept 1 ... 46

9.2 Problemformulering ... 47

9.2.1 Frågeställning 1 ... 48

9.2.2 Frågeställning 2 ... 48

9.2.3 Frågeställning 3 ... 49

10 Diskussion ... 50

10.1 Funktionalitet ... 50

10.2 Syntetiska och stålvajrar ... 50

10.3 Säkerhet och standarder ... 51

10.4 Reflektion (metoddiskussion)... 52

11 Slutsatser och fortsatt arbete ... 53

11.1 Slutsatser ... 53

11.2 Förslag på fortsatt forskning/arbete ... 53

Referenser ... 55

Bilagor ... 58

Bilaga 1 – produktkrav framställda med ABB ... 58

Bilaga 2: CAD ritningar för den slutgiltiga konstruktionen av koncept 1 samt förstorade bilder av figur 45 och 46. ... 65

Bilaga 3 – Scenario där en balk utsätts för vissa krafter och där färdigställda koder har

implementerats i Matlab. ... 71

vi

Bilaga 4 – Pughs matris för Konceptgenerering 1 ... 76

Bilaga 5 – Pughs matris för Konceptgenerering 2 ... 78

vii

Tabellförteckning

Tabell 1. Beskriver samtliga krav och önskemål för utveckling av den nya lyftöglan ... 22 Tabell 2. Dimensionering för lyftkroken vid de olika viktklasserna [mm] ... 44 Tabell 3. Dimensionering för lyftögat vid de olika viktklasserna [mm]... 45 Tabell 4. Tabell över samtliga krav och önskemål för den slutgiltiga konstruktionen av

koncept 1 som har blivit uppfyllda. ... 46

viii

Figurförteckning

Figur 1 ISO:s, CEN:s och SIS:s vardera arbetsområden och även deras samarbetsstruktur

(Svenska institutet för standarder 2020). ... 5

Figur 2 Sammanställningsprocessen för tillverkning av en stålvajer (Summers, 2010) ... 6

Figur 3. Materialens styrka (F) i förhållande till diameter (mm) och g/m (Ronstan industrial, 2020). ... 7

Figur 4 Exempel på hur Pughs Matris kan se ut (modern analyst, 2020) ... 8

Figur 5 Produktutvecklingens steg där FEM inkluderas inom designprocessen (Quek and Liu, 2003) ... 9

Figur 6. Visar hur en mesh ser ut i FEM med kubiska noder... 10

Figur 7 FEM analys innehållande singulariteter med röd färg. ... 11

Figur 8 Visualisering av en singularitet (Quora, 2020). ... 11

Figur 9. Samtliga faser som ingår i produktutvecklingsprocessen (Johannesson, Persson & Pettersson, 2013). ... 12

Figur 10 Reviderad bild på lyftöglan i form av ISO vy fäst i transformatorns balk. ... 16

Figur 11 Den nuvarande lyftöglan under ett lyft med syntetisk vajer. ... 17

Figur 12 ABB:s nuvarande konstruktion av lyftöglan ifrån två olika vyer. ... 17

Figur 13. Reviderad bild på placering av lyftöglorna samt dess förhållande till varandra i form av bokstäver och tyngdpunkten (center of gravity). ... 18

Figur 14. Reviderad bild på lyftöglan med beskrivning kring att maxvinkeln för vajerns position är 20 grader som figuren visar. ... 18

Figur 15. Reviderad ISO vy på transformatorn placerad i en transportvagn. ... 19

Figur 16. Tågets transportprofil med en totalbredd för transformatorn på 4100 millimeter och en höjd på 5252 millimeter. Observera att X är bredden i millimeter från spårmitten av transportprofilen. ... 20

Figur 17. Måtten som begränsar lyftöglan. ... 20

Figur 18. Siemens egen krafttransformator under distribution (Siemens, 2020). ... 23

Figur 19. En av GC TOP TECHNOLOGIES egen krafttransformator samt dess lyftögla (Constructionreviewonline, 2016). ... 24

Figur 20 en av företaget IMEFYs krafttransformatorer (IMEFY, 2020) ... 25

Figur 21. En av BTW Electrics egna krafttransformatorer inuti deras fabrik (BTW, 2020). ... 25

Figur 22. En av företaget Hyosung Heavy Industries egna krafttransformator. (TradePost USA, 2020) ... 26

Figur 23. En av konceptidéerna där lyftöglan sitter i balken med en näsa som följer lyftögats bred. Plåt skydd har även applicerats på kanten av lyftögat för att inte vajern vid lyft skall glida av. ... 27

Figur 24. En av konceptidéerna där lyftöglan fortsatt är placerad på balken men med en näsa i form av en rätvinklig triangel. Detta för att följa transportprofilens konstruktion samtidigt som lyftögat från koncept ett behålls. ... 28

Figur 25. En av konceptidéerna där lyftöglan är tänkt att vara placerad på tankväggen och där bland annat lyftögat är i form av en cylinder med diametern 260 millimeters och med längden 100 millimeter. ... 29

Figur 26. Ett koncept där lyftöglan är placerad på tankväggen och är formad som en

halvcylinder med triangulära stöd som används för att öka lyftkapaciteten. ... 29

ix

Figur 27. Det 5:e konceptet som består av en halvcylinder och en krok som låser fast vajern

vid lyft. ... 30

Figur 28. Ett koncept som är designat för att vara så simpelt som möjligt. Det består av en cylinder med en stålplatta på som förhindrar att vajern åker av. ... 31

Figur 29. Transformatorlådan för denna studie. ... 33

Figur 30. Koncept 1 innehållande pilar som visar lastfallet. ... 34

Figur 31. Koncept 1 vid simulering med 100 ton. Spänningen anges i MPa vid samtliga simuleringar. ... 35

Figur 32.Koncept 2 fastsvetsad på transformatorns ena balk. ... 35

Figur 33. Resultatet från simulering med koncept 2. ... 36

Figur 34. Koncept 6 som numera är fäst på balken för att minimera spänningen. ... 36

Figur 35. Koncept 6 innehållande spänningskoncentrationer som uppstår vid simulering. ... 37

Figur 36. Slutversionen av koncept 1. ... 40

Figur 37. Slutversionen av koncept 1 där stödplåten är fäst inuti balken. ... 40

Figur 38. Slutversionen av koncept 1 från sidan av transformatortanken. ... 41

Figur 39. Slutversionen av koncept 1 framifrån med Wireframe funktionen i CREO för att visualisera samtliga inkluderade komponenter i lyftöglan. ... 41

Figur 40 Slutversionen av koncept 1 från sidan med Wireframe funktionen i CREO för att visualisera samtliga inkluderade komponenter i lyftöglan. ... 42

Figur 41. Slutgiltig konstruktion av koncept 1 med en last på 100 ton och balktjocklek på 10 millimeter. ... 42

Figur 42. Slutgiltig konstruktion av koncept 1 vid 150 ton last, 20 millimeter tjock balk och 25 millimeter stödplåt inuti balken. ... 43

Figur 43 Standardlyftkroken för 100 ton klassen som dimensioneringsmall ... 43

x

Ordlista

I punkterna nedan beskrivs några av alla de begrepp som används i rapporten.

Maskindirektivet: Maskindirektivet anger samtliga säkerhets- och hälsokrav för alla maskiner som inom EU är i drift.

Harmoniserande standard: En harmoniserad standard är en standard som är framtagen utifrån ett direktivs krav. I detta fall maskindirektivet. Genom att följa en harmoniserad standard uppfylls därmed direktivets krav.

Syntetiska vajrar: Denna studie behandlar ett antal olika lyftslingor och vajrar som används vid lyft. För att förenkla har samlingsnamnet ”syntetiska vajrar” använts för att beskriva de flesta slingor och vajrar av syntetiskt material som till exempel Dyneema och polyester roundsling med mera som nämns i rapporten.

Elasticitetsmodul: Elasticitetsmodulen är en materialberoende parameter inom

hållfasthetslära som beskriver förhållandet mellan mekanisk spänning och deformation.

SUB-modellering: SUB-modellering är en metod för att effektivisera lösningstiden utan att resultatet för en modell vid FEM simuleringar påverkas. Detta kan ske genom att till exempel ta bort hål, radier och mycket mera ifrån modellen innan simulering sker.

Inkrementell Produktutveckling: Inkrementell produktutveckling innebär att en del små förbättringar av en redan befintlig produkt förbättras i syfte att förbättra en produkt över tid istället för att ta fram en helt ny produkt.

Assembly: En assembly är en samanställning av komponenter eller ”parts” i ett CAD

program. Det kan till exempel vara en grill som består av en mängd olika delar och sedan när man sätter samman det blir det en assembly.

Randvillkor: Villkor på en funktions uppförande vid definitionsområdets rand vid lösning av differentialekvation. I detta fall menas till exempel hur olika delar fästs samman i en

assembly eller var kraften placeras i simuleringen.

1

1 Introduktion

I detta avsnitt presenteras bakgrunden till studien med målet att fånga läsarens

uppmärksamhet samt att förklara ämnet. Efter det ges en problematisering av de nuvarande problemen och slutligen anges även studiens syfte och frågeställningar samt avgränsningar.

1.1 Bakgrund

I dagens samhälle använder världen mer energi än någonsin förr (Nettbureau, 2020). Länder som Kina och Indien har idag kraftigt växande ekonomi som leder till att en större andel av befolkningen i dessa länder kommer tillhöra medelklassen. I takt med detta ökar

elanvändningen för dessa människor som får ekonomisk möjlighet att använde de saker som i mer utvecklade länder ses som självklara. För att nå de miljömål som sattes i Paris behöver många länder övergå mer till förnybara energikällor. Transformatorer är nödvändiga vid El- transmission för att minska förluster vid långa avstånd. I takt med att energikraven blir större måste också transformatorerna bli större. Att transportera dessa stora transformatorer skapar nya krav på säkerhet och kvalitet i transportlösningar. I Sverige är maxbredden på tåg 3,6 meter (Trafikverket, 2013). Vissa företag har produkter som kräver större lastprofiler och därmed kan undantag finnas. ABB:s största lastprofil har en maxbredd på 4,8 meter och för att komma under denna gräns krävs innovativa lösningar för hur man lyfter transformatorerna.

1.2 Problembeskrivning

Vid tillverkning och transport av transformatorer är det viktigt att kunna möjliggöra effektiva lösningar för ABB samt deras kunder. Kunder överallt i världen som använder sig av olika rutiner ska kunna transportera och använda de.

ABB strävar hela tiden efter att implementera nya hållbara lösningar till sina produkter som i slutändan skall gynna samtliga inblandade. För att minska slitage på utrustning och skapa bättre ergonomiska förhållanden för sina arbetare har ABB övergått till modernare syntetiska

lyftslingor istället för de gamla stålvajrarna. Syntetiska vajrar har idag många fördelar jämfört med stålvajrar, till exempel att de är lättare samt säkrare att hantera (Ronstan Industrial, 2020).

Däremot har detta lett till problem då de syntetiska vajrarna inte matchar deras tidigare konstruktion som är implementerad på varje transformator. ABB:s tidigare konstruktion som idag kallas för Lifting Lug (Lyftögla) utvecklades under 90-talet utan någon vidare

dokumentation av konstruktionen.

För att ABB skall kunna transportera deras transformatorer får inte lyftöglan vara bredare än

den nuvarande konstruktionen av Lyftöglan men att den ändå måste klara av en större vajer,

utan att risken för olycksfall vid transport förekommer.

2

Denna studie kommer att grunda sig i ABB:s givna problemområden där varje Lyftögla skall klara minst 100 ton. Detta utan att överstiga dimensionskrav för transport via järnväg samt kunna använda både syntetiska- och stålvajrar för att som tidigare nämnt kunna användas globalt med olika lyftmetoder.

Studien är i detta fall viktig då den utforskar möjligheten till att i slutändan skapa en säkrare och mer standardiserad metod för transport.

1.3 Syfte

Syftet med denna studie är att skapa nya koncept för lyftöglan som passar för både syntetiska- och stålvajrar.

Den bästa konceptlösningen för lyftöglans utformning skall i framtiden appliceras på ABB:s transformatorer för att förenkla transporter och förbättra arbetsmiljön.

1.4 Frågeställningar

• Hur bör lyftöglan utformas för att uppfylla användarnas krav på funktionalitet?

• Vad krävs av konstruktionslösningen för att den skall kunna användas för både syntetiska- och stålvajrar?

• Hur skall lösningen utformas för att uppfylla internationella standarder för säkerhet och gällande lagstiftning?

1.5 Avgränsningar

Tillåtna dimensioner kommer att begränsas av storleken på transformatorerna och tillåten

storlek vid transport. All analytisk hållfasthetsberäkning gällande lyftöglan kommer att

avgränsas på grund av dess komplexa geometrier som kräver att svåra differentialekvationer

skall kunna lösas.

3

2 Teori

Under detta avsnitt behandlas samtliga relevanta teorier och fakta som bakgrund till att kunna besvara studiens frågeställningar. Avsnittet innefattar teori om standarder, stål- och syntetiska vajrar, pughs matris samt finita elementmetoden.

2.1 Standarder för transport av tungt gods

Flera miljoner företag och organisationer applicerar och använder europeiska samt globala standarder inom sina produkter och tjänster. Samtliga standarder som finns applicerade runt omkring i världen skapar en tryggare, enklare och en effektivare värld för människor att leva i genom att som tidigare nämnt säkerställa att produkter som används både inom industri och privatlivet är säkra och trovärdiga till användning (CEN, 2020).

För att minimera risken till att olyckor uppstår vid lyft och transport av ABB:s transformatorer måste konstruktörer följa relevanta standarder. Ett fåtal standarder och riktlinjer ifrån både Maskindirektivet 2006/42/EG samt harmoniserande standard för lyft EN 13155 har valt att användas till studien. Standarderna som används i studien nämns nedan.

Enligt 337 § i Maskindirektivet (2006/42/EG) skall konstruktören säkerställa enligt följande att ” maskiner, deras komponenter och alla tillämpliga konfigurationer ska tåla de påfrestningar de kan utsättas för under de avsedda användningsförhållandena under alla faser av maskinens liv.”

Enligt 340 § i Maskindirektivet (2006/42/EG) skall ”dimensionering av linor, kedjor och kättingar grundas på den riskbedömning som görs av tillverkaren av den lyftande maskinen eller

lyftredskapet. ”

Enligt 342 § i Maskindirektivet (2006/42/EG) skall ”fasthållningsdon vara konstruerade och tillverkade för att undvika att last tappas oavsiktligt.”

Enligt 348 §, kommentar 4.1.2.8.4 i Maskindirektivet (2006/42/EG) skall ” om det föreligger risk för att last faller av lastbäraren, skall maskinen konstrueras och tillverkas så att detta

förebyggs.”

Tidigare nämnda standarder anses relevanta för studien då samtliga av dessa kan appliceras i denna studie.

Följande två standarder ifrån Europastandard (SS-EN 13155+A2:2009), har också valts att användas till studiens syfte att förbättra nuvarande konstruktion av lyftöglan.

Enligt Europastandarden avsnitt 5 gällande säkerhetskrav och/eller åtgärder, del 5.1.1.1 skall ”

lyftredskap ska vara konstruerat för att motstå en statisk belastning av tre gånger bärförmågan

utan att lasten frigörs även om kvarstående deformation uppstår.” samt att ” lyftredskap ska

4

vara konstruerat för att motstå en statisk belastning av två gånger bärförmåga utan kvarstående deformation.”

Enligt Europastandarden (SS-EN 13155+A2:2009), avsnitt 5 gällande säkerhetskrav och/eller åtgärder, del 5.1.1.2 skall ” Lyftredskap avsedda för lutning ska vara konstruerade för en

lutningsvinkel som överskrider den maximala arbetsvinkeln med minst 6°. Lyftredskap som inte är avsedda för lutning ska vara konstruerade för en lutningsvinkel av minst 6°.”

2.2 CE-märkning

Arbetsmiljöverket kräver att varje leverantör eller importör intygar att deras tillverkade produkter uppfyller hälso-, miljö- och säkerhetskrav som ställs utifrån de europeiska

standarderna (Arbetsmiljöverket, 2018). På grund av att de stora transformatorerna inte faller inom kraven till att CE-märkas, är detta någonting som ABB inte utför ifall det inte specifikt efterfrågas av kunden. Vid de fall när CE-märkning efterfrågas gäller det att den placeras synligt, lättläst och beständigt för att leverantörerna av produkten samt ABB:s kunder skall kunna ta del av informationen kring den specifika produkten.

Vid tillverkning av produkter som behöver en CE-märkning för att kunna transporteras vidare ut till bland annat Europa krävs det att följande sex punkter från den Europeiska Kommissionen noggrant fullföljs.

1. Identifiera tillämpliga direktiv samt harmoniserade standarder.

2. Kontrollera de produktspecifika kraven.

3. Identifiera ifall en oberoende bedömning behöver göras av ett anmält organ.

4. Testa produkten och kontrollera dess överensstämmelse.

5. Att upprätthålla de tekniska dokumentationerna kring produkten tillgänglig.

6. Applicera CE-märkningen och utarbeta en EU-försäkran kring om överensstämmelse.

Observera att vid produkter där högre säkerhetsrisk framträder, krävs att CE-märkningen

fastställs tillsammans med någon utanför företaget som tar fram produkten, till exempel från en

självständig organisation (Arbetsmiljöverket, 2018).

5

2.3 Svenska institutet för standarder (SIS)

SIS är en förkortning av svenska institutet för standarder som ingår i den globala

standardiseringen, ISO och CEN. Standardiseringsnätverket som bildas av SIS, ISO och CEN arbetar med att skapa internationella standarder. SIS används idag inom Sverige för att främja landets konkurrenskraft och samtidigt åstadkomma hållbara utvecklingar inom både industri och akademi (SIS, 2020).

Genom att svenska organisationer ingår i SIS:s kommittéer kan de med hjälp av deras kunskap vara med och påverka samt bevaka nya standarder som träder fram, samtidigt som tidigare befintliga standarder även kan revideras utifrån dagens omständigheter. Detta uppnås genom att SIS samarbetar med ISO och CEN för att ta fram standarder tillsammans, det kan då vara standarder som i framtiden kommer användas av ABB. Standarder skapar en bättre handel, kommunikation och även en starkare inre marknad. Detta arbete fokuseras inte enbart på att nås inom Sverige och Europa, utan även globalt som i detta fall kan ses från figur 1 (SIS, 2020).

Figur 1 ISO:s, CEN:s och SIS:s vardera arbetsområden och även deras samarbetsstruktur (Svenska institutet för standarder 2020).

2.4 European Commitee for Standardization (CEN)

CEN är en kommitté som arbetar med att sammanföra, utveckla och definiera samtliga

nationella standarder från 34 av de europeiska länderna som till exempel inom konstruktion,

transport av transformatorer, säkerhet, hälsa, med mera. De flesta standarderna uppstår i

början från industrier medan andra standardiserings projekt kan komma från konsumenter,

sammanslutningar eller från europeiska lagstiftningar (CEN, 2020).

6

2.5 Stål och syntetiska vajrar

För att säkerställa att lyft sker säkert tillverkas stål- och syntetiska vajrar enligt gällande standarder. Stålvajrar finns idag i en mängd olika sorters dimensioner och variationer. Dess egenskaper och struktur framställs genom att separata ståltrådar tvinnas ihop med flera för att bilda en kardel. Denna kardel är därefter tvinnad runt en kärna för att slutligen bli en vajer.

Illustration kring sammanställning av en stålvajer förklaras mera noggrant med hjälp av figur 2 (Summers, 2010).

När stålvajrar används vid lyft böjs de runt till exempel trummor och skivor för att de inte ska böjas för snävt vilket kan orsaka skador i vajern. Denna böjning som uppstår i stålvajrar leder till en signifikant förlust av styrkan hos vajrarna. Den yttre diametern på en stålvajer bär det mesta av lasten och utsätts för dragspänning medan den inre komprimeras och utsätts för

tryckspänning. Samtidigt som stålvajrarna utsätts för böjning sker även inre långsamma skador i materialet på grund av att de separata ståltrådarna hela tiden skrapar mot varandra (Ronstan Industrial, 2020).

En stålvajer tillverkad med färre och större sammanbundna trådar utsätts snabbare för skador i materialet jämfört med en stålvajer som är tillverkad med flera och finare ledningar. Finare och fler ledningar inom en stålvajer resulterar till ökad tolerans vid böjning (Ibid).

ABB:s distributionspartner använder idag vid Norrköpings hamn syntetiska slingor av materialet Dyneema som levereras av Certex, Sveriges ledande leverantör av helhetslösningar inom lyft, stållinor och service. Syntetiska vajrar tillverkas idag av olika sorters material, allt från Kevlar, Vectran, Zylon, Dyneema med mera. Idag börjar industrier allt mera gå över till syntetiska vajrar gjorda av materialet Dyneema på grund av dess höga elasticitetsmodul, robusta UV skydd och nötningsbeständiga fibrer (Ronstan Industrial, 2020).

Figur 2 Sammanställningsprocessen för tillverkning av

en stålvajer (Summers, 2010)

7

Syntetiska vajrar har historiskt sett varit väldigt känsliga för värme och nötning vilket i sin tur har haft påverkningar på vajerns styrka i de syntetiska fibrerna. Med hjälp av ständig utveckling i form av nya förbättrade lösningar som skyddshylsor, beläggningar, kemiska behandlingar och fler avancerade molekylstrukturer har de syntetiska vajrarnas känslighet till värme och

nötningar minskats (Ronstan Industrial, 2020).

Idag finns det klara fördelar med att använda syntetiska vajrar istället för stål. Om man jämför de viktmässigt kan syntetiska vajrar lyfta ungefär 15 gånger mer per kilo (Certex, 2020). Men även om man jämför med samma diameter har de syntetiska vajrarna stora fördelar. De är inte känsliga för rost eller böjning och de är mycket lättare (Ibid). I figur 3 visas hur styrkan för stålvajrar jämförs med syntetiska. Vid samma diameter klarar de likvärdig vikt men om de jämförs med vikt för själva vajern är den syntetiska klart överlägsen. Vid höga vikter kan syntetiska slingor deformeras tillfälligt under lyften vilket leder till att de blir bredare. En Dyneema slinga med 90 millimeter i diameter kan vid lyft av 400 ton bredda ut sig till ca 130 millimeter i diameter (Ronstan Industrial, 2020).

Figur 3. Materialens styrka (F) i förhållande till diameter (mm) och g/m (Ronstan industrial, 2020).

2.6 Pughs matris

Pughs Matris är en metod som utvecklades 1980 av Stuart Pugh och möjliggör till att ett flertal olika produktidéer jämförs och ställs emot varandra utifrån förbestämda kriterier och dess betygsättning. En av de flera fördelarna med Pughs Matris är dess förmåga att kunna hantera en mängd olika beslutskriterier. Stuart Pugh kallade sin ursprungliga metod för controlled

convergence där koncepten i jämförelse med en referens enbart betygsätts utifrån hur väl de uppfyller kraven. Under senare år har Pughs matris utvecklats till att även innehålla viktade kriterier, dvs. att beslutskriterierna blir tilldelade ett värde mellan 1–5 för att beskriva hur viktiga kriterierna är i förhållande till varandra, ett ses som minst viktigast medan värdet fem ses som mycket viktigt. Dessa viktade värden appliceras därefter när utvärderingen av Pughs matris utförs. (Burge, 2009)

Enligt Ullman (2010) har Pughs Matris följande sex steg, se figur 4 för vidare illustration.

1. Identifiera och definiera tydligt kriterierna för urvalet.

8

2. Lista de olika konceptidéerna som skapats genom konceptgenereringen och bestäm ett referenskoncept. Referensen kan antigen vara en redan tillgänglig produkt eller en av de konceptidéerna som deltagarna tillsammans anses är den bästa och som sedan ställs i förhållande till de övriga.

3. Fastställ produktkrav.

4. Rangordna produktkravens vikt.

5. Utvärdera hur väl de olika koncepten uppfyller de ställda produktkraven med ett +, - eller 0. Med + menas att konceptet uppfyller kravet bättre än referensen, - indikerar att konceptet uppfyller kravet sämre än referensen och 0 indikerar att de är lika bra.

6. Summera totala poängen för varje koncept och utse vilket/vilka som är bäst.

Observera att inom denna studie kommer samtliga krav att vara viktade, för att generera bästa möjliga underlag till konceptvalen.

Figur 4 Exempel på hur Pughs Matris kan se ut (modern analyst, 2020)

9

2.7 Finita Element-metoden, FEM

Finita elementmetoden, även kallad för FEM är ett datorbaserat beräkningsverktyg som används av forskare och ingenjörer för att modellerna samt simulera avancerade

ingenjörslösningar inom varierande områden. Utvecklingen av metoden anses ha startats av Ray Clough. Ray presenterade metoden tillsammans med sina kollegor i en vetenskaplig uppsats med titeln ”Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures” (Aeronautical, 1956).

FEM kan användas inom områden som transport, kommunikation, bostadsbyggande och mycket mera där ingenjörer, designers och forskare sofistikerat går igenom modellering, simulering, visualisering, analys och prototyptillverkning för att säkerställa att samtliga produkter som framställs klarar dess förbestämda kriterier för olika sorters påfrestningar (Quek and Liu, 2003), se figur 5.

Figur 5 Produktutvecklingens steg där FEM inkluderas inom designprocessen (Quek and Liu, 2003)

FEM är i grund och botten en matematisk och numerisk beräkningsmetod som hjälper till vid komplexa problem som hade varit svåra att göra för hand. FEM hjälper främst till med att lösa komplexa partiella differentialekvationer som kan bli för komplicerade för att lösa med

traditionella metoder. Genom att därmed följa de fyra stegen för modellering samt simulering via FEM underlättas arbetet med att identifiera och lösa samtliga komplexa problem (Quek and Liu, 2003).

1. Modellering av konstruktionen med hjälp av CAD.

2. Meshing.

10 3. Ange rätt material för konstruktionen.

4. Ange gränsvärden, initiala samt lastningsförhållanden för konstruktionen.

För att kunna simulera en modell, gäller det att ha en befintlig design av konceptet i ett CAD program för att kunna gå vidare med att lösa de komplexa problemen. Meshing är en metod inom FEM som används för att dela upp konstruktioners geometri till mindre delar, så kallade element eller celler. Meshing är väldigt viktigt inom simulering av FEM då det används för att dela upp komplexa former i olika element, se figur 6 som sedan enkelt kan lösas med hjälp av polynomfunktioner. Med fler element i meshen kan noggrannare resultat uppnås, men fler element leder till tyngre beräkningar för datorn vilket kan skapa tidskrävande processer. För de som använder sig av FEM kan det då vara ett val mellan noggranna resultat och långsamma simuleringar. FEM:s inbyggda inställningar delar upp ens konstruktion i volymelement i form av kuber eller pyramider för att uppnå bästa resultat. För ökad precision kan personen mata in egna värden på maximala tillåtna storleken på elementen för att få ett noggrannare resultat.

Figur 6. Visar hur en mesh ser ut i FEM med kubiska noder.

Innan simulering av modellen startas gäller det att rätt material är valt, det vill säga att

framförallt elasticitetsmodulen och sträckgräns är angett i programmet. I denna studie kommer konstruktionsstål med elasticitetsmodulen 2,1 × 10

kPa, sträckgräns 355 MPa, med dess stora seghet och goda svetsbarhet att användas som material för konstruktion av den nya lyftöglan.

Det fjärde och sista steget innan simulering av modellen som sker är att definiera samtliga

gränsvärden, det vill säga hur och vart modellen är fastspänd, mängden last som den utsätts för

och dessutom definiera vart lasten i modellen uppstår (Quek and Liu, 2003).

11

Vid analys av ens finita elementmodell kan singulariteter uppstå i form av röda prickar, se figur 7 för tydligare visualisering. Dessa röda prickar som uppstår i modellen symboliserar värden som går mot oändligheten. Singulariteterna kan skapa områden med extremt hög spänning vilket leder till problem vid visualisering av resultaten. Mindre spänningar kan ses som försumbara i jämförelse med dessa extrempunkter vilket kan vara missvisande se figur 7 (Sönnerlind, 2015).

Figur 7 FEM analys innehållande singulariteter med röd färg.

Felaktigt definierade randvillkor är en stor anledning till att singulariteter uppstår. Det kan därmed vara viktigt att se över sina randvillkor om extrema spänningar uppstår. Den mest effektiva lösningen för att minska mängden singulariteter i finita elementmodeller är att vid modellering av konstruktionen implementera funktioner som radier eller SUB-modellering. Ofta kan singulariteter ignoreras om personen som utför analysen inte lyckas eliminera alla

singulariteter men detta kan dock leda till mindre noggranna resultat (Sönnerlind, 2015).

Figur 8 beskriver vad singularitet är, det vill säga att singularitet kan förknippas med ett svart hål där den oändliga densiteten och gravitationen är ekvivalent med en oändlig spänning vid till exempel en skarp kant (Sönnerlind, 2015).

Figur 8 Visualisering av en singularitet (Quora, 2020).

12

3 Metod

Under detta avsnitt behandlas tillvägagångssätt samt metoder som ska användas för att kunna besvara studiens syfte och dess frågeställningar. Avsnittet innefattar även metodval,

datainsamlingsmetod, validitet och reliabilitet som grund till hela studien.

3.1 Design av studien

Frågeställningarna har besvarats med en blandning av kvalitativa och kvantitativa metoder. Den kvalitativa undersökningen har utförts genom observationer för att skapa en bild av hur

transport fungerar och vilka problem som finns med den nuvarande lösningen. Den kvantitativa metoden har utförts genom att bland annat simulera och testa samtliga utvalda koncept i CREO under konceptgenereringsfasen. Studien har även bidragit med ett iterativt arbetssätt, det vill säga att konceptlösningar via Creo kontinuerligt har testats, utvärderats och modifierats för att framställa den slutgiltiga lösningen av lyftöglan. Att testa och simulera koncepten har bidragit till att första och andra frågeställningen senare i studien har kunnat besvaras. För att svara på den tredje frågeställningen har en kvantitativ undersökning med hjälp av ABB:s

underleverantörer Certex utförts i syfte att framställa relevant data kring internationella standarder och krav som krävs för att designa en lyftögla som kan klara av att transportera en produkt med en vikt upp till 600 ton. Dessutom har en marknadsanalys under studiens gång utförts för att jämföra ABB:s nuvarande modell med de övriga företag som arbetar inom samma bransch såsom till exempel företaget Siemens.

Nedan visas en figur tagen från Produktutveckling - effektiva metoder för konstruktion och design (2004) som beskriver samtliga inkluderade faser i utförande av en

produktutvecklingsprocess där första fasen inom strategi fram till detaljkonstruktion har varit aktuellt under hela studiens arbete. Samtliga användbara faser inom figuren har dessutom legat som grund för hela studiens tidsplan.

Figur 9. Samtliga faser som ingår i produktutvecklingsprocessen (Johannesson, Persson & Pettersson, 2013).

13

Produktspecifikation var därefter nästa steg inom produktutvecklingsprocessen där uppgiften var att skapa en kravspecifikation för framtagning av den nya lyftöglan. Produktspecifikationens kriterier har tagits fram under studiens gång och kriterierna har delats upp i två kategorier, krav och önskemål. Krav är kriterier som måste uppfyllas medan önskemålen uppfylls mer eller mindre av olika lösningar då de inte måste uppfyllas. Produktspecifikationen har därefter använts som utgångspunkt för den senare fasen av konceptgenereringen.

Produktspecifikationen har dessutom ändrats under studiens gång på grund av att studenternas kunskap inom både ABB:s produkt och studien i sig hela tiden har ökats. Kriterierna som har tagits fram för lyftöglan beskriver den färdigställda produktens beteende och egenskaper som den har. Dimensionerna för samtliga framtagna koncept har begränsats av de tillåtna

dimensioner som gäller för järnvägar och för andra sorters transporter samt av transformatorns storlek (Johansson, Persson & Petterson, 2004).

Efter att produktspecifikationen hade tagits fram övergick studien till konceptgenereringsfasen.

Vid konceptgenereringen gjordes en första ansats till lösning för lyftöglans

konstruktionsproblem med hjälp av anställda inom ABB Power Grids och som bestod av

brainstorming. De dellösningsalternativ som togs fram med hjälp av brainstorming har i slutet av studien sammanställts till ett totallösningsalternativ för den nya lyftöglan som då uppfyller samtliga krav ifrån produktspecifikationen (Johansson, Persson & Petterson, 2004).

När ett antal konceptförslag hade tagits fram värderades samtliga emot varandra med hjälp av Pughs matris. Produktkraven rangordnades i syfte med att bestämma vilka som var viktigast och se vilka av de samtliga konceptförslagen som uppfyllde de ställda kraven bäst i jämförelse med den nuvarande lösningen. För att därmed få fram den bästa lösningen sammanställdes samtliga poäng ifrån matrisen. När konceptet med högst poäng hade valts var nästa steg att

vidareutveckla konceptet till en prototyp i CAD för att sedan med hjälp av FEM se att samtliga krav hade uppfyllts. På grund av den rådande tidsbristen för studien har en prototyp i ABB:s verkstad inte kunnat tillverkas.

3.2 Litteraturundersökning

Litteraturundersökningen utgick främst från vetenskapliga artiklar och litteraturböcker för att

skapa en grund inom hållfasthetslära, produktutveckling, internationella standarder samt

information gällande syntetiska- och stålvajrar. Med tanke på att studien har behandlat

inkrementell produktutveckling har dessutom information i form av tidigare CAD modeller,

ritningar samt dimensioneringsdokument från den nuvarande transformatorn och lyftöglan

använts. Allt material ifrån ABB gav därmed effektivare arbetsstruktur och skapade dessutom

bättre konceptidéer. De databaser som har använts för inhämtning av vetenskapliga artiklar och

rapporter var Diva samt IEEE.

14

3.3 Datainsamlingsmetod

Inom datainsamlingsmetoden valdes intervjuer och litteraturstudier med personal ifrån ABB för att kunna besvara studiens tre frågeställningar. Relevanta internationella standarder inom detta område togs fram med hjälp av Certex för att tas i hänsyns till under de olika

konceptgenereringsfaserna. Covid-19 gjorde det dessvärre omöjligt att vara på plats i ABB:s fabrik och därmed har inga intervjuer skett utan enbart diskussion med handledare. För att möjliggöra skapandet av nya koncept enligt internationella standarder och att även skapa lösningar som är säkra och uppfyller de krav som ställdes av ABB har litteraturstudierna fokuserats kring standarder och FEM analys. Rullande möten med en konstruktör på ABB hölls för att säkerställa FEM analysernas reliabilitet.

3.4 Dataanalys

På grund av Covid-19 och dess begränsningar till att vara på plats på ABB i Ludvika skedde samtliga möten med handledarna via Skype förutom introduktionen som skedde på plats. Ett fåtal observationer gjordes på plats innan Covid-19 bröt ut och därefter har bilder och tidigare CAD modeller använts för att se den nuvarande öglan och transformatorn. Möten med

handledare och observationerna har i detta fall genererat information ifrån anställda som har mera erfarenhet kring tunga lyft med tanke på att de arbetar dagligen med ABB:s

transformatorer. Handledarnas synpunkter har använts i några av de flertal konceptlösningar som tagits fram under studien och som även har hjälpt till med att besvara några av studiens frågeställningar.

3.5 FEM analys

Efter att konceptlösningarna hade tagits fram enligt kravspecifikationen poängsattes de i Pughs matris för att kunna bedöma vilka koncept som var bäst. För att kunna bekräfta att koncepten klarade kriterierna gällande hållfasthet och säkerhet konstruerades de i CAD för att sedan kunna utföra FEM analyser i form av simuleringar i Creo. Analyserna fortsattes därefter under hela processen när koncepten vidareutvecklades för att se vilket koncept som var bäst samt vilka dimensioner på det valda konceptet som gav bäst resultat.

3.6 Validitet och reliabilitet

Validitet innebär att studera rätt saker genom exempelvis att litteraturundersökningen handlar om de ämnesområden som problematisering, syfte och frågeställningar anger.

Datainsamlingsmetod överensstämmer därefter med problematisering och frågeställningar

(Blomkvist & Hallin, 2017). Den teori som studerades i arbetet valdes utifrån frågeställningar

och syfte. Genom att studera standarder både globalt och inom Sverige kunde studien utföras

med en stabil grund. Teori gällande FEM analys och produktutveckling studerades även för att

se till att koncepten togs fram med rätt metoder samt att FEM analyserna utfördes på rätt sätt.

15

Reliabilitet handlar om att man studerar informationen eller data på rätt sätt. Vid observationer är det viktigt att välja dagar som väl representerar verksamheten (Blomkvist & Hallin, 2017).

Den nya lyftöglan som togs fram har konstruerats i CAD och därmed kan andra individer återskapa den, vilket ökar reliabiliteten. Vid produktutveckling sker många kreativa steg vid konceptgenereringsfasen, vilket gör att svårigheten för att uppnå identiska resultat skulle öka ifall studien upprepas.

3.7 Etiska ställningstaganden

I studien har etiska ställningstaganden tagits i beaktning i form av att de grundläggande huvudkraven för forskningsetiska principer följs (Vetenskapsrådet, 2002). Utifrån de principer som vetenskapsrådet har skapat, tar studien hänsyn till anonymitet i form av att företaget har samtyckt om att ABB:s företagsnamn och vissa anställda inom företaget får nämnas i studien.

Gällande informationskravet så har företaget noggrant och tydligt beskrivit studiens syfte samt uppdrag för deltagarna. De som har intervjuats i studien har enligt informationskravet blivit informerade om studiens syfte genom att ge de en kort förklaring angående vad intervjun skall användas till.

Studien har genomförts på ett objektivt förhållningssätt under samtliga produktutvecklingsfaser, även om företaget till en viss del har styrt det slutliga utseendet av produkten.

Bilder och andra dokument som tilldelats av företaget genom deras interna databas har inte

använts i rapporten i de fallen som data varit sekretessbelagd.

16

4 Produktbeskrivning

Detta avsnitt beskriver den nuvarande modellen av lyftöglan med hjälp av både figurer samt formler. Målet med avsnittet är att skapa en tydlig bild över hur lyftöglan och dess konstruktion i dagsläget fungerar. Detta för att få en klarare förståelse innan avsnittet kring de nya

produktkraven för lyftöglan presenteras.

På grund av ökad energianvändning i världen tillverkar idag ABB större transformatorer än någonsin förr. Som tidigare nämnt i avsnitt 1.1 ställer detta krav på deras nuvarande

transportmetoder. På grund av att de stora transformatorerna inte faller inom kraven till att CE- märkas, är detta någonting som ABB inte utför ifall det inte specifikt efterfrågas av kunden. Vid de fall när CE-märkning efterfrågas gäller det att den placeras synligt, lättläst och beständigt för att leverantörerna av produkten samt ABB:s kunder skall kunna ta del av informationen kring den specifika produkten. I samband med att de nya transformatorerna tillverkas ska ABB skapa en ny lyftögla som är dimensionerad enligt internationella standarder för att nå de krav som ställs för säkerhet och hållbarhet. Ny teknologi har även skapat möjligheten att lyfta med syntetiska vajrar som är lättare och starkare än de gamla stålvajrarna som lyftöglan ursprungligen dimensionerats för.

Figur 10 visar den nuvarande designen av lyftöglan. Den består av två delar, lyftögat och lyftkroken. Lyftkroken svetsas fast i transformatorns utsida vid lämpliga positioner, vilket kan variera från fall till fall för att skapa jämnvikt vid lyftet. Lyftögat fästs sedan på lyftkroken för att möjliggöra lyft med stålvajer. Stålvajrarna kräver en viss diameter för att inte brytas vid lyft, diametern som krävs visas i figur 12. Hålet i lyftkroken används vid lyft av olika delar i både produktens samtliga tillverkningsfaser och även för att kunna spänna fast den vid transport ut till ABB:s kunder.

Figur 10 Reviderad bild på lyftöglan i form av ISO vy fäst i transformatorns balk.

Lyftöga

Lyftkrok

17

Problemet med dagens konstruktion är att de syntetiska vajrarna är större än stålvajrarna som tidigare användes samt att de syntetiska vajrarna kan bredda ut sig vid lyft. I figur 11 visas ett lyft med en syntetisk vajer där vajern ser ut att kunna glida ur lyftöglan, vilket är en stor risk för säkerheten och kan därmed inte tillåtas att ske.

Figur 11 Den nuvarande lyftöglan under ett lyft med syntetisk vajer.

Det finns två nödvändiga mått på lyftögat och lyftkroken som kommer att påverka

produktkraven för lyftöglan. Diametern på lyftögat är dimensionerad till 260 millimeter för att undvika brott som kan ske om stålvajrarna böjs för snävt. Djupet på lyftkroken är dimensionerat för att de syntetiska vajrarna ska få plats i kroken, vilket visas i figur 12.

Figur 12 ABB:s nuvarande konstruktion av lyftöglan ifrån två olika vyer.

18

I figur 13 visas ett exempel på hur tyngdpunkten kan variera, vilket påverkar var lyftkrokarna placeras. Det optimala läget uppnås då a = b = c = d, i andra fall måste någon av de andra fallen i figur 13 gälla. Lyftöglorna belastas olika mycket på olika sidor när tyngdpunkten är förskjuten.

För att överkomma detta måste lyftöglorna ha en viss överdimensionering för att klara eventuella förskjutningar av vikt.

Figur 13. Reviderad bild på placering av lyftöglorna samt dess förhållande till varandra i form av bokstäver och tyngdpunkten (center of gravity).

En annan konsekvens av att tyngdpunkten är förskjuten kan vara att avståndsförhållandet mellan lyftöglorna som visas i figur 13 leder till att exempelvis lyftöglan vid position c i exemplet ovan får en annan vinkel mellan vajern och kroken än lyftöglan i position d. Högre vinkel leder därmed till högre vridning och böjning i kroken, vilket skapar spänningar i bland annat svetsen.

Idag har ABB beräknat att 20 grader är den största tillåtna vinkeln för att undvika för höga spänningar som visas i figur 14.

Figur 14. Reviderad bild på lyftöglan med beskrivning kring att maxvinkeln för vajerns position är 20 grader som figuren visar.

19

Transporten från ABB sker via tåg och därmed finns det vissa krav för att transformatorn ska få plats på tåget. I figur 15 visas ett exempel på när en transformator sitter i en tågvagn. För att transformatorn ska kunna lyftas i och ur vagnen måste lyftöglan vara placerad tillräckligt högt upp på transformatorn för att den inte ska slå i vagnen. Det måste även vara tillräckligt med utrymme mellan kanten på vagnen och lyftöglan för att vajrarna ska kunna lyftas av och på. På grund av att storlekarna på en transformator kan skiljas utifrån vissa kundorder varierar

utrymmet för transformatorerna i transportvagnen vilket sätter krav på att lyftöglan inte är för stor. Idag har detta lösts delvis genom att vissa lyftkrokar har en löstagbar näsa, det vill säga att den delen som sticker ned framför lyftögat går att ta bort och sätta fast för att underlätta lyft med vajer.

Figur 15. Reviderad ISO vy på transformatorn placerad i en transportvagn.

Största bredd på en transformator är 4100 millimeter och högsta höjd är 5252 millimeter.

Transformatorprofilen går inte att köra i dagsläget, vilket gör att trafikverket i uppdrag från ABB

idag kontinuerligt arbetar för att kunna lösa detta. Maxprofilen som visas i figur 16 togs fram för

att Trafikverket skulle ha några riktlinjer att utgå ifrån när ombyggnationer eller reparationer

utefter bansträckan Ludvika – Norrköping utförs. Observera i detta fall att tågsträckan till

Norrköping är den enda sträcka inom Sverige som utförs via tåg då transformatorerna därefter

transporteras vidare ut i världen med hjälp av fartyg.

20

Figur 16. Tågets transportprofil med en totalbredd för transformatorn på 4100 millimeter och en höjd på 5252 millimeter.

Observera att X är bredden i millimeter från spårmitten av transportprofilen.

I figur 17 visas området från transformatorlådan till kanten av transportprofilen, det vill säga det fria området där lyftöglan och balkarna befinner sig. Utifrån detta område sattes måtten på lyftöglan för att inte hamna utanför det tillåtna området.

Figur 17. Måtten som begränsar lyftöglan.

21

5 Produktkrav

Under detta avsnitt redogörs kortfattat hur produktkraven har framställts och vilka

produktkraven är. Inom avsnittet kommer även önskemål att presenteras men huvudsyftet med avsnittet är att skapa en ytterligare förståelse och förberedelse inför konceptgenereringen som kommer längre fram i studien.

Tillsammans med studiens samtliga handledare har följande krav samt önskemål tagits fram för ABB:s lyftögla, se tabell 1.

5.1 krav på lyftöglan

Det första produktkravet som skall gälla för den nya lyftöglan är att den dimensioneras för att hantera en vikt på 100 ton med en maximal lyftvinkel på 20 grader. För att säkerställa att lyftöglan följer de standarder som nämndes i teorin ökas den maximala lyftvinkeln vid

beräkningar i detta fall till 26 grader. Samtidigt gäller det att den nya utvecklade lyftöglan inte ökar den totala transportbredden för att i slutändan kunna få plats i transportprofilen.

För att enkelt koppla på och av både stål- och syntetiska vajrar är ett annat produktkrav att ett område på minst 150 millimeter kring lyftöglan är fritt ifrån andra komponenter. För att åstadkomma detta anpassas storlek och placering på lyftöglan. Det sista produktkravet för lyftöglan gäller storleken i nödvändiga delar av konstruktionen. På grund av att stålvajrarna är känsliga för böjning måste lyftögat vara 260 millimeter i diameter för att undvika att hög

spänning och minimera risken för skador i vajern. Dessutom måste lyftkrokens öppning vara 100

millimeter för att rymma de syntetiska vajrarna, vilket kan ses med hjälp av måtten i figur 12. Se

bilaga 1 för vidare information kring produktkraven.

22

5.2 Önskemål för lyftöglan

Bortsett från de föregående kraven har även ett antal önskemål tagits fram, så kallade ”nice to have” krav som de kallas i bilaga 1. Ett av önskemålen var att dimensionera lyftöglan till att klara en kapacitet på 150 ton för att säkerställa att produkten klarar ABB:s framtida nyutvecklade och större transformatorer. För att underlätta av och påtagning av vajrarna vill lyftöglorna även kunna placeras så högt som möjligt i vertikal led. I detta fall gäller det även att önskemålet inte ökar transportbredden, vilket var ett av de tidigare nämnda produktkraven. Övriga önskemål för lyftöglan är att den skall kunna dimensioneras för olika laster som till exempel 30, 50, 100 och till 150 ton. Det sista önskemålet som har tagits fram är att kunna bevara hålet i lyftkroken som används vid tillverkningen, se figur 12 för illustration av hålet. Den nuvarande lyftkroken svetsas fast under ett tidigt skede av tillverkningen för att med hjälp av hålet i kroken därefter kunna användas vid lyft av sidoväggarna, vilket i sin tur underlättar sammanställningen av

transformatorn. Hålet används även som ankringspunkt vid transport av transformatorn.

Tabell 1. Beskriver samtliga krav och önskemål för utveckling av den nya lyftöglan

Krav Önskemål

Klara en belastning på 100 ton vid en maximal lyftvinkel på 26 grader

Klara 150 ton vid 26 grader

Inte öka den totala transportbredden Placera lyftöglan så högt som möjligt Fritt område på minst 150 millimeter kring lyftöglan Dimensioneras för olika vikter

Ha ett lyftöga med minst 260 millimeter i diameter. Bevara hålet på lyftkroken som används under tillverkning och transport.

Öppning för vajern på minst 100 millimeter

23

6 Produktjämförelse

Under detta avsnitt redogörs kortfattat vilka ABB:s konkurrenter inom branschen Power Grids är samt hur deras lyftöglor är designade och placerade på respektive företags transformatorer.

Detta avsnitt skall till studien skapa en bättre förståelse kring vilka variationer som en lyftögla kan komma att ha och även vara ett ytterligare steg framåt i riktning till studiens

konceptgenereringsfas.

6.1 Siemens

I över hundra år har industriföretag och eldistributörer förlitat sig i Siemens för deras effektiva och pålitliga krafttransformatorer. Siemens är ett av de ledande företagen när det kommer till transformatorer och erbjuder service i fler än 190 länder runt jorden. De erbjuder

specialtilverkade transformatorer från 20kV till 1100 kV (Siemens Gas and Power GmbH & Co, 2020). Figur 18 visar ett exempel på när lyftöglan på en transformator från Siemens används vid transport. Lyftöglan har en cylindrisk form och är placerad högt upp på en vågrät balk på

transformatorn.

Figur 18. Siemens egen krafttransformator under distribution (Siemens, 2020).

6.2 GC TOP TECHNOLOGIES

Företaget GC Top Technologies är Sydafrikas största leverantör av både transformatorer och likriktare. Med hjälp av deras skickliga och välutbildade design- samt produktionspersonal har de möjligheten att tillverka krafttransformatorer upp emot 1000 MVA och 1200 kV, vilket kräver att robusta lyftöglor finns på deras transformatorer för att kunna transporteras vidare till

företagets kunder (Constructionreviewonline, 2016).

I figur 19 visas en av företagets transformatorer med en lyftögla i form av en utåtriktad cylinder

med en fastsvetsad rektangulär platta på kanten. Den rektangulära plattan används troligen för

24

att vajrarna inte ska kunna lossna och därmed minimera risken för att både transformatorn och personal skadas (Constructionreviewonline, 2016).

Figur 19. En av GC TOP TECHNOLOGIES egen krafttransformator samt dess lyftögla (Constructionreviewonline, 2016).

6.3 IMEFY

Företaget IMEFY är ett familjeföretag som under de senaste 50 åren har tillverkat transformatorer i olika storlekar till över 70 länder runt jorden. Företagets både unga,

dynamiska och specialiserade arbetsgrupper arbetar dagligen för att bli en av de världsledande företagen inom tillverkning av transformatorer genom att kontinuerligt erbjuda kvalité,

trovärdighet, råd samt banbrytande teknik till deras kunder (Constructionreviewonline, 2016).

Företagets forsknings- och utvecklingsavdelning arbetar ständigt med att utveckla deras

transformatorer. I figur 20 visas ett av IMEFYS krafttransformatorer där lyftöglorna är placerade

på taket av transformatorn. I samma figur ser lyftöglan relativt simpel ut i jämförelse med andra

lyftöglor. Möjlig orsak till att lyftöglan är placerad på taket och är något mindre i storlek kan

bero på att transformatorn väger mindre samt att den enligt konstruktionen på transformatorn

inte skulle kunna placeras på produktens sidoväggar (Constructionreviewonline, 2016).

25

Figur 20 en av företaget IMEFYs krafttransformatorer (IMEFY, 2020)

6.4 BTW Electric

Företaget BTW Electric grundades år 1958 och är ett av de största tillverkningsföretagen inom både krafttransformatorer och moderna högteknologiska kraftutrustningar i Kina. BTW Electric har under deras tid inom branschen slagit en del rekord som att till exempel tillverka den första 1000MVA/1000kV transformatorn i världen. Figur 21 visar en av BTW Electrics egna

transformatorer där lyftöglorna är placerade på sidoväggarnas balkar med en elliptisk form. Då transformatorn i storlek är betydligt större jämfört med figur 20, innebär det att lyftöglan behöver en mera robust konstruktion för att kunna klara av spänningar som uppstår vid transport av företagets transformatorer (Constructionreviewonline, 2016).

Figur 21. En av BTW Electrics egna krafttransformatorer inuti deras fabrik (BTW, 2020).

26

6.5 Hyosung Heavy Industries

Hyosung är ett av de ledande företagen när det kommer till tung elektronisk utrustning och de levererar produkter till hela världen. Hyosung har satsat mycket på framtidens teknologi när det kommer till att bygga bättre elnät och grönare lösningar som minskar våra utsläpp. De bygger transformatorer på upp till 765kV, vilket liknar storleken på de som ABB tillverkar

(Constructionreviewonline, 2016). Figur 22 visar ett av Hyosungs transformatorer under transport på järnväg. Lyftöglan är placerad högt upp på transformatorväggen, vilket kan ses i den röda cirkeln i figur 22.

Figur 22. En av företaget Hyosung Heavy Industries egna krafttransformator. (TradePost USA, 2020)

27

7 Konceptgenerering

Detta avsnitt presenterar samtliga designkoncept som har framställts av deltagarna i studien, det vill säga både lyftöglor som är placerade på transformatorns balkar eller på transformatorns tankvägg. Avsnittet fortsätter därefter med utvärdering av samtliga konceptidéer i form av en Pughs matris för att säkerställa att rätt konceptval har tagits fram. Avsnittet avslutas därefter med en diskussion gällande det valda konceptvalet och kring konceptidéer som inte togs med i studien.

7.1 Konceptgenerering 1

Vid den första konceptgenereringsfasen har ett flertal lämpliga koncept för denna studie framställts, vilket redovisas i följande avsnitt. Med hjälp av Pughs matris har samtliga koncept poängsatts utifrån den befintliga lyftöglan som redovisades i avsnitt fyra för att ta fram ett flertal koncept för vidareutveckling och analys.

7.1.1 Koncept 1

Koncept 1 liknar väldigt mycket ABB:s nuvarande design, se figur 10 där den största skillnaden har gjorts på lyftöglans näsa. Koncept 1 sitter som tidigare fast inuti balken, är högre

positionerad jämfört med den nuvarande lösningen och sticker endast ut till lyftögats bredd.

Med anledning av att ett av produktkraven var att konstruera en lyftögla som inte stack ut alldeles för mycket, innehåller koncept 1 en tunn plåt i form av en halvcirkel vid sidan som följer lyftögats diameter på 260 millimeter. Lyftögats diameter på 260 millimeter gör att säkerheten ökar radikalt då vajern vid transport aldrig kan glida av lyftögat, samtidigt som besparing av transportbredden även uppstår. För att kunna montera ihop lyftöglan på balken finns det önskade 84 millimeters hålet fortfarande kvar samtidigt som lyftöglan även placeras högre upp i balken, se figur 23.

Figur 23. En av konceptidéerna där lyftöglan sitter i balken med en näsa som följer lyftögats bred. Plåt skydd har även applicerats

på kanten av lyftögat för att inte vajern vid lyft skall glida av.

28

7.1.2 Koncept 2

Koncept 2 är placerad på balken där den stora skillnaden ligger vid näsans konstruktion

samtidigt som lyftögat med sin inkluderade säkerhet fortsatt är sig lik utifrån koncept 1. Näsans konstruktion är formad som en rätvinklig triangel samtidigt som dess form skapar möjlighet för att kunna placera hela lyftöglan högre upp, vilket som tidigare nämnt var ett av produktkraven.

Det önskade 84 millimeter hålet finns fortfarande kvar på lyftkroken som i sin tur underlättar monteringen av den tunga lyftöglan på transformatorbalken, se figur 24.

Figur 24. En av konceptidéerna där lyftöglan fortsatt är placerad på balken men med en näsa i form av en rätvinklig triangel.

Detta för att följa transportprofilens konstruktion samtidigt som lyftögat från koncept ett behålls.

7.1.3 Koncept 3

Koncept 3 skiljer sig väldigt mycket från de tidigare två koncepten. Koncept 3 är sammansatt av tre olika geometriska former som ger sin fullständiga konstruktion. De tre geometriska formerna är ett rätblock i mitten som symboliserar konstruktionens huvuddel, en rätvinklig triangel

ovanpå för att ge extra stöd samt möjliggöra det krav som ställs på 84 millimeters hålet och slutligen av en cylinder med höjden 100 millimeter och diametern 260 millimeter. Vid kanten av cylindern finns dessutom ett skydd för att inte vajern vid transport och lyft skall kunna glida av.

Observera att koncept 3 är tänkt att placeras på tankväggen, se figur 25 för vidare visualisering.

29

Figur 25. En av konceptidéerna där lyftöglan är tänkt att vara placerad på tankväggen och där bland annat lyftögat är i form av en cylinder med diametern 260 millimeters och med längden 100 millimeter.

7.1.4 Koncept 4

Koncept 4 är designad för att sitta på tankväggen mellan balkarna. För att konstruktionen skall klara stålvajrarna är den likt de tidigare koncepten försedd med ett cylindriskt lyftöga där vajern placeras vid lyft. På den sidan som är motsatt transformatorn är det en cylindrisk stålplatta placerad med en större diameter vars syfte är att förhindra att vajrarna åker av lyftöglan vid transport. För ökat stöd är konceptet försett med triangulära stöttor ovanför lyftögat, se figur 26.

Figur 26. Ett koncept där lyftöglan är placerad på tankväggen och är formad som en halvcylinder med triangulära stöd som

används för att öka lyftkapaciteten.

30

7.1.5 Koncept 5

Koncept 5 är designat för ökad säkerhet vid lyft. Även detta koncept sitter på tankväggen och har ett cylindriskt lyftöga för att tillåta lyft med olika vajrar. Detta koncept har tagit inspiration från den nuvarande designen men här förlängs näsan på lyftkroken för att helt omsluta vajern vid lyft. Näsan är tänkt att vara löstagbar, det vill säga att näsan kan tas av och på före samt efter lyft för att sätta vajern på plats och sedan hålla den där, se figur 27.

Figur 27. Det 5:e konceptet som består av en halvcylinder och en krok som låser fast vajern vid lyft.