EXAMENSARBETE
Analys och design av komponenter till SBU 8000 med rotator
Johan Forslund 2013
Civilingenjörsexamen Maskinteknik
Luleå tekniska universitet
Institutionen för teknikvetenskap och matematik
- i - Sammanfattning
Rapporten beskriver ett examensarbete som utförts som en avslutning på Civilingenjörsprogrammet inom maskinteknik med inriktningen konstruktion på Luleå tekniska universitet, LTU. Examensarbetet utfördes i samarbete med Jama Mining Machines AB av Johan Forslund, delvis på plats i Skelleftehamn och delvis på LTU. Målet är att öka hållfastheten på två av Jama Mining Machines komponenter som återfinns i bommen på skrotaren SBU 8000 med rotator.
Detta genom att ändra de specifika komponenternas konstruktion. En grundläggande nulägesanalys av de befintliga komponenterna genomförs för att identifiera vilka förbättringar som är nödvändiga till den nya designen. Den nya konstruktionen utvecklas genom en strukturerad produktutvecklingsprocess som inspirerats av Ulrich & Eppinger. Den nya konstruktionens ökade hållfasthet verifieras med statiska beräkningar enligt finita elementmetoden i programmet SolidWorks, ett CAD (Computer Aided Design) program. Krafterna till beräkningsuppställningar uppskattar endas teoretisk, inga experiment utförs för att beskriva de korrekta krafterna. Därför är spänningar som redovisas i rapporten inte de verkliga spänningarna som återspeglas i komponenterna. Beräkningsuppställningarna används istället för att göra direkta jämförelser mellan den befintliga konstruktionen och de nya koncepten från produktutvecklingsprocessen. Den ökade hållfastheten verifieras som en procentuell minskning av den maximala spänningen från den befintliga konstruktionen. Det slutgiltiga konceptets konstruktion utvecklas på detaljnivå.
Avslutningsvis levereras förslag på tillverkningsritningar av den nya konstruktionen till Jama Mining Machines.
- ii - Abstract
This report describes a master thesis for a Master of Engineering exam with focus on mechanical engineering and design at Luleå University of Technology, LTU. The thesis is performed in collaboration with Jama Mining Machines AB by Johan Forslund, partly located in Skelleftehamn and partly at the University. The goal is to increase the strength of two of Jama Mining Machines components found in the boom of the scaler SBU 8000 with rotator. The strength is increased by changing the design of the specific components. An analysis of the current situation for the current design is carried out to identify the necessary improvements for the new design. The development of the new design uses a structural product development process that is inspired by Ulrich & Eppinger.
To verify the improvement of the new design strength static calculations by the finite element method is used in SolidWorks, a Computer Aided Design program. The forces used in the calculations is only a theoretical approximation, no experiments are conducted to describe the correct forces. Therefore are the stresses that are presented in the report not the real stresses that are reflected in the components. The calculations are instead used for comparisons between the current design and the new concepts from the product development process. The increased strength of the new design is verified as a percental decrease of the maximum stress compared with the current design. The final concepts design is developed at detailed level and presented to Jama Mining Machines as a proposition on manufacturing drawings for the new design of the specific components.
- iii - Förord
Examensarbetet har varit motiverande att åta sig då det är ett verkligt problem och utvecklingen är nödvändigt. Jama Mining Machines är ett relativt litet företag som är hårt pressade att ständigt utveckla sina produkter. Jag upplever därför att jag har blivit väl mottagen som examensarbetare för att bidra till utvecklingen av deras produkter. Jag har även blivit väl bemött i Renströms gruva då jag besökt dem. Återkopplingen har varit bra under arbetet då Jama Mining Machines valt att tillverka mina komponenter och Renström köpt dem. Jag har blivit lovat ett studiebesök för att observera komponenterna i drift vilket jag ser fram emot.
Här avlutas mina fem års studier på Luleå tekniska universitetet. Det är med blandade känslor man säger förväll till studierna, föreningarna och alla tokigheter. Det man ser fram emot mest är att slippa CSN som arbetsgivare och få en riktig ingenjörslön.
Jag vill tacka:
Samtliga på Jama Mining Machines.
André Strid, SEAB, handledare.
Hans-Åke Häggblad, Luleå tekniska universitetet, examinator.
Rickard Lindgren, Jama Mining Machines, kontaktperson.
Mats Johansson, New Boliden, kontaktperson i Renström.
Luleå, juli 2013
Johan Forslund
- iv - Nomenklatur
Variabel Benämning Enhet
Acceleration
n Antal st
R Avstånd m
Brottgräns Pa
D Diameter m
E Elasticitetsmodulen Pa
E Energi J
Q Flöde ⁄
f Frekvens
𝛿 Förlängning m
v Hastighet ⁄
I Impuls ⁄
F Kraft N
l Längd m
m Massa kg
x Masscentrum m
𝜏 Moment Nm
r Radie m
L Rörelsemängdsmoment Nms
𝜎 Spänning Pa
s Sträcka m
Sträckgräns Pa
t Tid s
I Tröghetsmoment
ε Töjning -
Vinkel rad
𝜔 Vinkelhastighet rad/s
Innehållsförteckning
1. Inledning ... 1
1.1. Jama Mining Machines ... 1
1.2. Skrotaren SBU 8000 ... 1
1.3. Bommen ... 2
1.4. Examensarbetets omfattning ... 3
2. Tillvägagångssätt ... 4
2.1. Nulägesanalys ... 4
2.2. Konceptgenerering ... 4
2.3. Konceptval ... 4
2.4. Detaljerad design... 4
3. Nulägesanalys ... 5
3.1. Teori... 5
3.1.1. Perfekt slag ... 5
3.1.2. Slag med hjälp av bommen ... 7
3.1.3. Felaktig stöt ... 12
3.1.4. Brytning med hydraulhammare ... 14
3.2. Modeller ... 15
3.2.1. Produktion ... 15
3.2.2. Beräkning ... 16
3.2.3. Sammanställning ... 18
3.2.4. Approximationer i beräkningsmodeller ... 20
3.3. Beräkningar ... 21
3.3.1. Rakt perfekt slag ... 22
3.3.2. Vinklat perfekt slag ... 22
3.3.3. Vinkelrätt perfekt slag ... 23
3.3.4. Slag med hjälp av bom ... 24
3.3.5. Felaktig stöt ... 24
3.3.6. Brytning i bommens riktning ... 25
3.3.7. Brytning i bommens rotationsriktning ... 26
3.4. Resultat beräkningar ... 27
3.4.1. Tiltleden ... 27
3.4.2. Hammar-infästningen... 29
3.5. Övriga observationer ... 29
3.5.1. Tiltleden ... 30
3.5.2. Hammar-infästningen... 32
4. Konceptgenerering ... 34
4.1. Kravspecifikation ... 34
4.2. Koncept... 35
4.2.1. Koncept: ”Enklare bockad 1” ... 35
4.2.2. Koncept: ”Enklare bockad 2” ... 36
4.2.3. Koncept: ”Utan bockar” ... 37
4.2.4. Koncept: ”Delad” ... 38
4.2.5. Koncept: ”Bakvänd” ... 40
4.3. Konceptevaluering ... 41
4.3.1. Koncept: ”Enklare bockad 1” ... 41
4.3.2. Koncept: ”Enklare bockad 2” ... 41
4.3.3. Koncept: ”Utan bock” ... 41
4.3.4. Koncept: ”Delad” ... 41
4.3.5. Koncept: ”Bakvänd” ... 41
5. Konceptval ... 42
5.1. Konceptutveckling ... 42
5.1.1. Koncept: ”Enkelt bockad”... 42
5.1.2. Koncept: ”Delad 1” ... 43
5.1.3. Koncept: ”Delad 2” ... 45
5.2. Slutgiltigt konceptval ... 46
5.2.1. 012-matris ... 47
5.2.2. Konceptbedömning ... 47
6. Detaljerad design ... 49
6.1 Ny tiltled ... 49
6.2 Ny hammar-infästning ... 51
7. Slutsats och diskussion ... 53
7.1. Beräkningar ... 54
7.2. Fortsatt arbete ... 54
8. Referenser ... 56
Bilagor
Bilaga A – Matlab script för beräkning av bommens tröghetsmoment ...
Bilaga B – Mesh dagens tiltled ...
Bilaga C – Mesh dagens hammar-infästning ...
Bilaga D – Beräkningsuppställningar ”Enkelt bockad” ...
Bilaga E – Beräkningsuppställningar ”Delad 1” ...
Bilaga F – Beräkningsuppställningar ”Delad 2” ...
Bilaga G – Sammanställningsritning ny tiltled ...
Bilaga H – Sammanställningsritning ny hammar-infästning ...
Bilaga I – Gantt-schema ...
- 1 -
1. Inledning
Examensarbetet genomförs som en avslutning för programmet Maskinteknik med inriktning konstruktion; en civilingenjörsutbildning på Luleå tekniska universitet. Syftet med examensarbetet är att studenten, Johan Forslund, ska applicera sina kunskaper som han skaffat sig under sin tid på Luleå tekniska universitet. Samtidigt är målet att ta fram möjliga lösningar och underlag som är gynnsamma för Jama Mining Machines i framtiden.
1.1. Jama Mining Machines
Jama Mining Machines är ett aktiebolag som konstruerar och tillverkar maskiner specifikt anpassade för gruvindustrin. Företaget kan spåras 70 år tillbaka i tiden och har ständigt arbetat i nära kontakt med det norrländska gruvskiktet. Jama Mining Machines har ett pågående projekt att uppdatera bommen på sina 8000-maskiner. Examensarbetet genomförs som en del av det pågående projektet.
1.2. Skrotaren SBU 8000
En av Jama Mining Machines flaggskepp i produktkatalogen är skrotaren SBU 8000, Figur 1.
Figur 1. Skrotaren SBU 8000, [1].
Maskintypen skrotare används för att öka säkerheten i gruvor runt om i världen. När man spränger nya gruvgångar för att bryta malm sitter ofta lösa stenar kvar i taket och på väggarna.
Lämnas de lösa stenarna kvar kan det vara förenat med livsfara om en av stenarna rasar ner på en arbetare. För att undvika sådana scenarier används därför skrotaren. Innan en ny gruvgång kommer i bruk används skrotaren för att lossa på de lösa stenarna i tak och på väggar. Efter att samtliga stenar
- 2 -
lossats förstärks gruvgången genom att betong sprutas på väggarna samt att betongen förseglas med förstärkningsbultar. En skiss på skrotaren SBU 8000 illustreras i Figur 2.
Figur 2. Skiss av SBU 8000, [2]. 1. Hydraulhammare, 2. Bom, 3. Hytt, 4. Motorer.
Stenarna hamras lös av en hydraulhammare, 1 i Figur 2. Hydraulhammaren hålls och styrs av bommen, 2. Med hjälp av bommen kan operatören styra hydraulhammaren till rätt position för att utföra arbetet. Operatören sitter i hytten, 3, där maskinen styrs. En dieselmotor används som drivmedel för förflyttningen av skrotaren. När skrotaren förflyttats till platsen som skall säkras stängs dieselmotorn av och en elmotor används istället som drivmedel. Elmotorn bidrar till en bättre arbetsmiljö i gruvan då inga avgaser släpps ut. Motorerna återfinns vid position 4 i Figur 2.
1.3. Bommen
Som en option till skrotaren SBU 8000 kan en rotator väljas. Rotatorn sitter på bommen och gör det möjligt att rotera verktyget runt bommens egen axel. Det medför en smidigare rörelse av verktyget vilket i sin tur gör att man kan skrota snabbare. Examensarbetet kommer fokusera på utvecklingen av bommen med rotator. Bommens ingående komponenter med rotator illustreras i en mer ingående skiss nedan, Figur 3.
Figur 3. Bommen på SBU 8000 med rotator. Komponenternas benämning återfinns i Tabell 1.
Benämningen på de ingående komponenterna i bommen hittas i Tabell 1. Namnen på komponenterna kommer att refereras till genom hela rapporten.
- 3 -
Tabell 1. Ingående komponenter i bommen med rotator.
Nr. Komponent 1. Hydraulhammaren 2. Hammar-infästning 3. Tiltled
4. Rotator 5. Rotatorfäste 6. Vertikalarm 7. Horisontalarm
1.4. Examensarbetets omfattning
Som en del av det hårda arbetsförhållandet i gruvorna har Jama Mining Machines upptäckt att två komponenter i bommen med rotator löper större risk att haverera. De specifika komponenterna är tiltleden och hammar-infästningen. Två komponenter som sitter längst fram i bommen och håller i hydraulhammaren. Komponenterna illustreras som en 3D-modell i Figur 4.
Figur 4. En 3D-modell på komponenterna examensarbetet fokuserar på. Benämning i Tabell 1.
Examensarbetets huvudsakliga mål är att öka de specifika komponenternas livslängd genom att ändra dess konstruktion. I dagsläget finns inga dokumentationer över komponenternas genomsnittliga livslängd. Det gör att inget mål för den nya konstruktionens livslängd kan sättas.
Eftersom spänningarna i komponenterna är i direkt relation med livslängden sätts istället målet att halvera den högsta spänningen som verkar på dagens konstruktion. En minskning med 40 % anses som acceptabelt. Den maximala spänningens minskning skall verifieras med hållfasthetsberäkningar av lastfall som återspeglar gruvornas arbetsmiljö. Den nya konstruktionen skall vara direkt applicerbar på den befintliga SBU 8000 med rotator. Det betyder att hydraulhammarens infästning på hammar-infästningen samt att rotatorns infästning på tiltleden skall vara den samma som på den befintliga konstruktionen. Man vill även att samma hydraulcylinder ska användas, detta för att underlätta reservdelshanteringen. Avslutningsvis skall tillverkningsritningar på den nya konstruktionen skapas och levereras till Jama Mining Machines. De tillverkningsmetoder som är tänkt för att producera den nya konstruktionen skall vara gynnsamma för en liten kvantitet produkter.
- 4 -
2. Tillvägagångssätt
I utvecklingen av den nya konstruktionen används en strukturerad produktutvecklingsprocess som inspirerats av Ulrich & Eppinger [3]. Med ett strukturerat arbetssätt är det lättare att finna den egentliga kärnan till problemet med konstruktionen samt verkligen fokusera på rätt sak i utvecklingen. Examensarbetet kommer använda SolidWorks som CAD- (Computer Aided Design), ritnings- och beräkningsverktyg. Detta eftersom SolidWorks är det program Jama Mining Machines använder idag. På så sätt får Jama Mining Machines större möjlighet att ta del av resultat, modeller och ritningar som tagits fram i examensarbetet.
2.1. Nulägesanalys
En omfattande analys av nuläget skall göras. De krafter som komponenterna utsätts för från hydraulhammaren samt från hur operatörerna använder skrotaren skall beräknas. Därefter skall modeller på de befintliga komponenterna tas fram som kan användas till hållfasthetsberäkningar.
Beräkningarna utförs enligt finita elementmetoden (FEM) för statiska lastfall. Ett antal beräkningsuppställningar med olika lastfall som motsvarar vad komponenterna utsätts för i verkligheten skall tas fram. Till sist skall beräkningar göras för att verifiera att de högsta spänningarna uppkommer där brott och haveri vanligtvis sker på komponenterna i verkligheten.
2.2. Konceptgenerering
En kravspecifikation på vad komponenterna i den nya lösningen skall klara kommer att krävas.
Kraven kan vara baserade på materialdata, tillverkningskrav, önskningar från operatörerna med mera. Specifikationen kommer att uppdelas i "Krav" och "Önskemål", beroende på vad komponenterna måste uppfylla och vad man gärna vill att de ska uppfylla. Kravspecifikationen används sedan för att utvärdera olika framtagna koncept gentemot varandra för att se vilken lösning som uppfyller kraven och önskemålen bäst.
2.3. Konceptval
När det kommer till att välja ett slutgiltigt koncept kan det vara en känslig process. Personliga känslor och tankar kan finnas med vilket i sig kan leda till att man väljer ett koncept som egentligen är sämre än ett annat. För att undvika detta används en strukturerad process under valet med viktade kriterium, enligt [3]. Kriterierna är genererade från kravspecifikationen samt en intern prioriteringsordning vid nykonstruktion på Jama Mining Machines. På så sätt kommer det konceptet som bäst möter kriterierna att väljas. I konceptvalet kommer samma typ av beräkningar som i nulägesanalysen göras på de olika koncepten. Ser man en minskning av spänning jämfört med den befintliga konstruktionen verifieras en ökad livslängd på den nya konstruktionen. Den nya konstruktionen rankas då mer hållbar jämfört med den befintliga.
2.4. Detaljerad design
Den nya designen skall vara så pass detaljerad att den är färdig för tillverkning. Därför skall tips från operatörer, konstruktörer, tillverkare etc. beaktas för att optimera designen. Till sist skall tillverkningsritningar på det slutgiltiga konceptet tas fram som kan outsourcas till en, med Jama Mining Machines samarbetande, verkstad.
- 5 -
3. Nulägesanalys
Till nulägesanalysen behövs nya 3D-modeller av de befintliga komponenterna skapas. De befintliga 3D-modellerna är först ritade i ett 2D-program som sedan projicerats till 3D. I dessa 3D- modeller återfinns inga mått vilket gör det svårt att ändra och redigera dessa, till exempel för beräkningar. Därför kommer nya modeller av den befintliga designen att skapas. Det ger även en bra introduktion till hur de specifika komponenterna är uppbyggda.
Ett antal lastfall skall tas fram. Det anses onödigt att lägga tid på att experimentellt bestämma krafterna som verkar i respektive lastfall då de specifika spänningarna som verkar i komponenterna inte söks. Detta eftersom lastfallen i beräkningsuppställningarna används för att göra direkta jämförelser mellan koncepten och den befintliga konstruktionen för att få en procentuell minskning av spänningen i den nya konstruktionen. Det anses viktigare att lägga fokus på konceptgenereringen och konceptutveckling för att ta fram en mer hållbar design. Krafterna till lastfallen kommer därför uppskattas genom grundliga teoretiska approximationer av verkligheten vid respektive lastfall.
Lastfallen som undersöks är tagna från observationer i Renströms gruva när skrotaren SBU 8000 med rotator används. Lastfallen ger då en bättre representation av spänningskoncentrationer och vart den maximala spänningen uppkommer i komponenterna i verkligheten, även om storleken på spänningarna och krafterna inte är korrekta.
För att undersöka hur komponenterna havererar har Jama Mining Machines tagit in begagnade komponenter. Genom att undersöka de begagnade komponenterna kan man se vart de utsätts för mest slitage. Det används för att verifiera att beräkningsuppställningarna ger en god representation av verkligheten. Stämmer detta kan beräkningsuppställningarna användas till konceptvalet för att verifiera en livslängdsökning i den nya designen.
3.1. Teori
Krafterna som verkar på de specifika komponenterna varierar stort. De beror bland annat på vilket material, vilket typ av berg, hammaren slår på. Om hammaren är i direkt kontakt med berget när operatören aktiverar hammaren. Geometrin på berget, vilken vinkel hammaren träffar berget.
Om operatören bryter, det vill säga drar hammaren i sidled efter berget, för att lossa stenar. Om operatören tar fart med hjälp av bommen för att få ett kraftigare slag, med mera. På grund av den stora variationen av krafter tas ett antal olika lastfall fram. Eftersom krafterna är en teoretisk approximation av verkligheten måste det understrykas att de krafterna som uppskattas i 3.1. inte är de verkliga krafterna som konstruktionen utsätts för. Skall de verklig kraft tas fram är det nödvändigt att göra experiment på de komponenter som skall undersökas. Teorin ger emellertid en ungefärlig storlek på krafterna som verkar i respektive lastfall.
Ekvationerna i kapitlet är hämtade från Physics Handbook [4].
3.1.1. Perfekt slag
Kraften från en perfekt slag uppskattas. Hammaren antas träffar en fullständigt slät vägg vinkelrätt utan att något material lossnar från väggen. Stöten antas vara fullständigt elastisk samt att operatören inte tar fart med hjälp av bommen under slaget, utan att hammaren ligger an väggen. I beräkningen tas ingen hänsyn till dämpande gummibussningar inuti hammaren. Med
- 6 -
hydraulhammarens datorblad [5] och [6] samt med information från Atlas Copcos säljansvarig T.
Munk (personlig kommunikation, 12 mars 2013) erhålls informationen i Tabell 2.
Tabell 2. Hydraulhammarens storheter till uppställningen.
Benämning Symbol Storlek Enhet
Slagenergi E 687,5 J
Hammarens kolvmassa 30 kg
Slagfrekvens f 10 – 23,3 1/s
Kraften från slaget uppkommer från energin hammarens kolv träffar väggen. Energin i fallet är rörelseenergi och beskrivs med Ekvation (1).
(1) Rörelseenergiekvationen kan skrivas om för att beräkna hastigheten hydraulhammarens kolv träffar väggen, enligt Ekvation (2).
√
(2) Eftersom kollisionen sker under en väldigt kort tid kan det ses som en impuls. Impulslagen ses i Ekvation (3).
∫ (3)
Slagfrekvensen för hydraulhammaren är känd. Tiden det tar att genomföra ett helt slag kan beräknas med Ekvation (4).
(4)
Det går inte att bestämma den exakta tiden hammarens kolv ligger an väggen med grundliga teoretiska antaganden. För att ta fram den verkliga anläggningstiden vid lastfallet behövs experiment utföras på uppställningen. För att approximera en anläggningstid till uppställningen används tiden det tar att genomföra ett helt slag. I uppställningen antas kolven ligga an mot väggen och med det antas kontakttiden kraften verkar på kolven vara ungefär den samma som tiden det tar att genomföra ett helt slag, enligt Ekvation (5).
(5)
Antagandet i Ekvation (5) återspeglar en längre tid än vad anläggningstiden egentligen är. Detta gör att den beräknade kraften kommer vara lägre än vad den verkliga kraften som verkar på komponenterna i lastfallet är.
Slaget antas vara fullständigt elastiskt, på så sätt behålls rörelsemängden i systemet före och efter slaget enligt Ekvation (6).
- 7 -
(6)
Eftersom inget material antas lossna från väggen kommer kolvens returhastighet vara samma som slaghastigheten innan kollisionen, men med ändrad riktning. Slaget kommer ske enligt Figur 5.
Figur 5. Uppställning för ett perfekt slag.
Ekvation (2) sätts in i Ekvation (3) enligt uppställningen i Figur 5 så erhålls Ekvation (7).
√
( √
) ∫ (7)
Integrera Ekvation (7) över tid och sätt in Ekvation (4) så erhålls det slutgiltiga uttrycket, Ekvation (8), som approximerar kraften från perfekt slag.
√ (8)
Med Ekvation (8) och värden från Tabell 2 beräknas kraften vid ett perfekt slag med den högsta slagfrekvensen till
. 3.1.2. Slag med hjälp av bommen
Från observationer av användandet av skrotaren SBU 8000 med rotator sker sällan ett perfekt slag. För att visa på det stora spannet av krafter komponenterna utsätts för tas ett värsta tänkbara scenario fram. Här använder operatören hela bommen för att ramma hammaren in i väggen och på så sätt slå lös stenar. En stor kraft uppkommer då eftersom hela bommens rörelsemängdsmoment används i kollisionen. Uppställningen använder sig av den maximala rotationshastigheten på SBU 8000s bom, ingen accelerationssträcka undersöks. Hydraulcylindrarna som sköter bommens rotation antas slutar vrida bommen exakt vid kollisionen.
Rörelsemängdsmomentet beskrivs med Ekvation (9), där är tröghetsmomentet.
𝜔 (9)
För att kunna beräkna rörelsemängdsmomentet vid kollisionen måste hela bommens tröghetsmoment uppskattas. Tröghetsmomentet beror delvis på geometrin av komponenterna i
- 8 -
bommen samt hur de är belägna. I det undersökta fallet antas horisontalarmen, 7, vara helt upprätt vertikalt. vertikalarmen, 6, rotatorfästet, 5, rotatorn, 4, tiltleden, 3, samt hammar-infästningen, 2, antas vara helt utsträckta horisontellt. Hydraulhammaren, 1, antas vara riktad mot väggen operatören rammar bommen in i. Eftersom hydraulcylindrarna i bommen utgör en förhållandevis stor del av utförande tas även deras tröghetsmoment med i uppställningen. En skiss på uppställningen illustreras i Figur 6 där komponenterna är rektangulära medans hydraulcylindrarna är ovala.
Figur 6. Bommens position i uppställningen. Benämningarna i uppställningen återfinns i Tabell 3.
För att rimligt kunna uppskatta tröghetsmomentet på bommen måste bommens geometri förenklas. Geometrin på de flesta ingående komponenterna i bommen är snarlika ett block medans hydraulcylindrarna och rotatorn kan liknas med en cylinder. Tröghetsmomentet för ett block beskrivs av Ekvation (10).
{ ( )
( )
(10)
Vilken av ekvationerna som skall användas beror på vilken axel som komponenten roterar runt, se Figur 7 nedan. Där hittar man även beskrivningen av storheterna i Ekvation (10).
- 9 -
Figur 7. Tröghetsmoment för ett block. a, b och c är blockets yttermått. och är olika rotationsaxlar för blocket.
Tröghetsmomentet för en cylinder bestäms istället av Ekvation (11).
{
( ) ( )
(11)
Vilken av ekvationerna från Ekvation (11) som skall användas beror på hur cylindern roteras. Figur 8 förklarar vilken ekvation som gäller för vilken axel. Där hittar man även beskrivningen av storheterna i Ekvation (11).
Figur 8. Tröghetsmoment för en cylinder. h är höjden och r är radien medans , och är olika rotationsaxlar för en cylinder.
Ifall en komponent roteras runt en axel som den själv inte är i kontakt med används Steiners teorem för att beräkna dess tröghetsmoment. Steiners teorem ses i Ekvation (12) där är tröghetsmomentet när komponenten roteras runt en axel den själv är i kontakt med.
(12)
I Steiners teorem är avståndet mellan komponentens rotationsaxel som används till samt axeln komponenten verkligen roteras runt. För att beräkna hela bommens tröghetsmoment måste tröghetsmomentet för respektive ingående komponent beräknas enligt Ekvation (13).
- 10 -
∑ (13)
Eftersom ingen av komponenterna är ett perfekt block eller en perfekt cylinder uppskattas ett medelyttermått för att likna geometrierna. Detta görs genom att bortse från små utstickande delar i komponenterna samt hitta en medellängd och medelbredd i ett block- eller cylinderliknande utseende. I Tabell 3 redovisas de uppskattade yttermåtten, avståndet mellan rotationspunkten och rotationsaxel i x-led enligt Figur 6, vilken typ av rotation komponenten utsätts för samt vikt för respektive komponent i bommen.
Tabell 3. Storheter till beräkning av bommens tröghetsmoment.
Nr. Komponent Rotationstyp Vikt
[kg] (a)
[mm] (b)
[mm] (r)
[mm] (h)
[mm] (d) [mm]
1. Hydraulhammare Block, 300 420 250 - - 5600
2. Hammar-infästning Block, 70 400 300 - - 5600
3. Tiltled Block, 180 800 300 - - 5200
4. Rotator Cylinder, 250 - - 125 800 4800
5. Rotatorfäste Block, 170 400 400 - - 4200
6. Vertikalarm Block, 1000 4000 625 - - 0
7. Horisontalarm Block, 600 650 350 - - 0
8. Hammartiltcylinder Cylinder, 40 - - 50 1100 5200
9. Bomtiltcylinder Cylinder, 60 - - 60 1300 3500
10. Bomlyftcylinder Cylinder, 130 - - 95 1200 250 11. Horrarmcylinder 1. Cylinder, 70 - - 55 1000 500 12. Horrarmcylinder 2. Cylinder, 70 - - 55 1000 500
Med Ekvationerna (10) och (11) tillsammans med Ekvation (12) i Ekvation (13) samt värden från Tabell 3 beräknas bommens totala tröghetsmoment till
. Beräkningen av bommens tröghetsmoment kan ses i Bilaga A.
När bommen rammas in i väggen uppstår ett vridmoment för att stoppa rörelsen. Storleken på vridmomentet beskrivs av Ekvation (14).
∫ 𝜏 (14)
För att kunna uppskatta vridmomentet måste tiden hammaren ligger an mot väggen identifieras. I 3.1.1. uppskattas tiden med hjälp av hammarens slagfrekvens. Vid ett slag med hela bommen kommer bommen emellertid att svikta under kollisionen. På grund av det kommer hammaren ligga an väggen under en längre tid jämfört med tiden i 3.1.1. Utan experiment på bommen eller på liknande konstruktion är det svårt att uppskatta den exakta anläggningstiden. För att på något sätt teoretiskt uppskatta tiden hammaren ligger an väggen och ge en representation av bommens sviktning görs ett grov antagande. Tiden beräknad med Ekvation (4) i 3.1.1. antas öka med en tiopotens då hammarens lägsta slagfrekvens från Tabell 2 används. På så sätt blir kraftens storlek mer representativ av det verkliga lastfallet då bommens sviktning representeras. Den antagna tiden hammaren ligger an väggen i slag med hjälp av bommen beräknas med Ekvation (15).
- 11 -
(15)
Med Ekvation (15) samt med värden från Tabell 2 beräknas tiden till
Bommen antas stanna helt efter kollisionen vilket ger . Vridmomentets definition ses i Ekvation (16).
𝜏 (16)
Där är avståndet från rotationspunkten till den kolliderande punkten. I uppställningen är hydraulhammarens -mått i Tabell 3.
Rotationen av bommen sköts av två hydraulcylindrar, en tryckande och en dragande. Det högsta flöde av hydraulvätska som hydraulcylindrarna delar på är
⁄
De bägge hydraulcylindrarna är av samma modell. Men eftersom en cylinder trycker medans den andra cylindern drar för att rotera bommen verkar hydraulvätskan på olika kolvareor. Kolvareorna för tryck respektive drag i hydraulcylindern är
Hydraulcylindrarnas kolvhastighet beräknas av Ekvation (17).
(17)
Med Ekvation (17) och värdena ovan beräknas hydraulcylindrarnas maximala kolvhastighet till
Avståndet mellan bommens rotationscentrum och punkterna hydraulcylindrarna vrider bommen är
Med hjälp av rotationshastighetens definition, Ekvation (18), kan bommen rotationshastighet beräknas.
𝜔 (18)
Med Ekvation (18) och värdena ovan beräknas bommens maximala rotationshastighet till 𝜔 .
- 12 -
Rörelsemängdsmomentets ekvation tillsammans med vridmomentets definition insatt i Ekvation (14) skapar Ekvation (19). Den beskriver kraften som verkar på komponenterna när bommen rammas in i väggen.
𝜔
(19)
Med Ekvation (19) beräknas kraft som uppstår då bommen rammas in i väggen till
. 3.1.3. Felaktig stöt
Observationerna visar även på att komponenterna själva stöter i väggar och kanter under drift.
Det är alltså inte bara krafter från hammaren som kan generera brott och haveri på komponenterna utan även felaktiga stötar. Det är därför nödvändigt att undersöka ett sådant lastfall. Här antas tiltleden rammas in i en vägg enligt 3.1.2. men med en begränsande accelerationssträcka för rotationshastighet. Bommen antas ligga still tre decimeter från väggen när sedan bomvriden accelererar med sin maximala acceleration in i väggen och ramma tiltleden i väggen. Uppställningen visas i Figur 9.
Figur 9. Uppställning för felaktig stöt. Benämningarna på storheterna i uppställningen finns i Tabell 4.
I uppställningen är avståndet mellan rotationscentrum och punkten tiltleden träffar väggen, i uppställningen används avståndet mellan rotationscentrum och tiltledens masscentrum från Tabell 3. är sträckan tiltleden färdas, är avståndet mellan rotationscentrum och hydraulcylindrarnas vridande punkter, är sträckan hydraulcylindrarnas vridande punkter färdas och är vinkeln bommen vrids. Från uppställningens utförande och värden från 3.1.2. erhålls storheterna i Tabell 4.
- 13 -
Tabell 4. Storheter till beräkningsuppställningen för en felaktig stöt.
Benämning Symbol Storlek Enhet
Bommens tröghetsmoment I
Avstånd rotationscentrum kollisionspunkt 5,2 m
Avstånd rotationscentrum rotationspunkt r 0,415 m
Sträcka tiltleden färdas innan kollision 0,3 m
Hydraulvätskans maximala flöde ⁄
Hydraulkolvarnas maxhastighet
Bommens initialhastighet 0
Anläggningstid t 1 s
Geometrin säger att vinkeln bommen vrids är samma vinkel som hydraulcylindrarna vrider rotationspunkterna. Eftersom vinkeln är liten kan den beräknas med Ekvation (20).
(20)
Med Ekvation (20) och bommens rörelse i uppställningen, och , beräknas vinkel till
Med den beräknade vinkeln i Ekvation (20) tillsammans med avståndet mellan rotationspunkterna och rotationscentrum kan sträckan rotationspunkterna förflyttas beräknas till
Hydraulvätskans flöde in till hydraulcylindrarna ökas med en ramp när bommen vrids. Det betyder att hydraulcylindrarna inte har fullt flöde direkt utan det ökar linjärt med tiden. Detta är en inställning som Jama Mining Machines gjort för att ge bommen en mjukare gång under drift. Det leder till att hydraulcylindrarnas kolvhastighet ökas linjärt med samma samband. Tiden det tar att nå det maximala flödet, och där med maxhastigheten är, enligt Jama Mining Machines,
Rampens linjära flödesförhållande redovisas i Figur 10.
Figur 10. Tiden det tar att nå det maximala flödet i hydraulcylindrarna på grund av rampen.
- 14 -
Eftersom accelerationen är konstant kan den beräknas med Ekvation (21).
(21)
Genom att använda tiden det tar att nå maxhastigheten tillsammans med maxhastigheten i Ekvation (21) beräknas hydraulvätskans acceleration av hydraulcylindrarnas kolvar till
Hydraulcylindrarnas kolvhastighet som uppkommer av accelerationen under sträckan hydraulcylindrarna vrider bommen innan kollision beräknas med Ekvation (22).
(22)
Skrivs Ekvation (22) om och används i rotationshastighetens definition, Ekvation (18), erhålls uttrycket för bommens rotationshastighet i beräkningsuppställningen, Ekvation (23).
𝜔 √ (23)
Med värden beräknade ovan och från Tabell 4 i Ekvation (23) beräknas bommens rotationshastighet till
𝜔
Används den beräknade rotationshastigheten tillsammans med värden från Tabell 4 i kraftens uttryck för slag med hjälp av bommen, Ekvation (19) i 3.1.2., beräknas kraften för en felaktig stöt till
3.1.4. Brytning med hydraulhammare
Hammaren används inte bara för att slå lös sten från väggar och tak. Den används även för att bryta stenarna genom att dra hammaren i sidled efter berget med hjälp av hydraulcylindrarna i bommen. Det bidrar till att ett moment uppkommer i komponenterna. Uppställningen till det teoretiskt framtagna momentet vid brytning med hydraulhammare visas i Figur 11.
Figur 11. Uppställning vid brytning med hydraulhammare. Benämningarna i uppställningen beskrivs nedan.
- 15 -
Hammaren, 1, är riktad vinkelrätt mot väggen. Leden mellan vertikalarmen, 6, och rotatorfästet, 5, är något vinklad. Hydraulcylindern mellan vertikalarmen och rotatorfästet trycks ut vilket i sin tur gör att vinkeln försvinner samt att hammaren trycks framåt och bryter sten längst väggen. I uppställningen antas ingen sten lossna från väggen. Hydraulhammaren antas heller inte glida ur sitt angrepp på stenen. Antagandet ger att kraften hammaren bryter med måste vara i jämvikt med kraften hydraulcylindern rätar ut bommen. Hydraulcylinderns tryckande kraften beräknas med Ekvation (24), där är hydraulcylinderns kolvarea och är hydraulvätskans tryck i hydraulcylindern.
(24)
Eftersom ingen sten lossnar är det samma kraft som verkar vinkelrätt på hydraulhammarens kolv i motsatt riktning som hydraulcylindern trycker. Kraften i sig leder till att ett vridmoment som verkar på komponenterna enligt vridmomentets definition, Ekvation (16), med avståndet mellan anläggningspunkten på hydraulhammarens kolv till hammar-infästningen. Det teoretiska momentet som verkar på komponenterna i brytning beräknas enligt Ekvation (25).
𝜏 (25)
Från Jama Mining Machines fås att det högsta trycket i hydraulcylindern är
samt att hydraulcylinderns kolvarea är
Avståndet mellan hammar-infästningen och hydraulhammarens kolv är ungefär längden på hela hydraulhammaren med kolv. Det vill säga, enligt [5],
Med Ekvation (25) samt storheterna ovan beräknas det teoretiska momentet som verkar på komponenterna vid brytning med hydraulhammare till
𝜏
3.2. Modeller
3D-modellerna är modellerade i CAD-programmet SolidWorks. Dagens komponenter är modellerade efter befintliga 2D-ritningar tillhandahållna av Jama Mining Machines. Modellerna är skapade med en integrerad konstruktion och produktions filosofi. Det skall vara lätt att använda samma modell till beräkningar samt till ritningsframtagning, där igenom produktion. Det är ett stabilt arbetssätt då all information sparas i 3D-modellen.
3.2.1. Produktion
Respektive komponent är modellerade i en separat part med en konfiguration för ritning och en konfiguration för beräkning. I ritningskonfigurationen är alla ingående delar skapade utan att välja
”Merge Result”. Det vill säga att delarna inte sitter ihop. Det gör det möjligt att skapa en ”Weldment Cut-List”. I den finns möjlighet att ge de ingående delarna information som är viktig till tillverkningen.
- 16 -
Information som plåttjocklek, typ av del, mått, material, ISO-standarder och så vidare. Det är ett smidigt och stabilt sätt att generera ritningar från modellen. I Figur 12 visar ”Weldment Cut-List” i dagens tiltled.
Figur 12. "Weldment Cut-List" i dagens tiltled.
Modellen projiceras sedan med ritningskonfigurationen på en 2D-ritnign där annoteringar till produktionen läggs ut. ”Weldment Cut-List” kopieras direkt in i ritningens stycklista. Uppdateras modellens delar kommer även ritningens stycklista att uppdateras.
3.2.2. Beräkning
Många av de ingående delarna i komponenterna är måttsatta för att automatiskt generera en naturlig fogberedning för svetsar. Detta är bra för att underlätta tillverkningen av komponenterna.
Problem uppstår dock när 3D-modellen skall användas till beräkningar. Anläggningsytan mellan de naturligt fog förberedda delarna i komponenterna blir betydligt mindre jämfört med den verkliga anläggningsytan är när komponenterna är fullt svetsade. Se Figur 13 och förslagsvis markeringen i hammar-infästningen för ett exempel på en naturlig fogberedning.
Figur 13. Dagens hammar-infästning utan svetsfogar.
- 17 -
För att generera en verkligare beräkningsmodell med full anläggningsyta skapas en beräkningskonfiguration. I den konfigurationen modelleras svetsarna direkt i 3D-modellen. Svetsarna har följt svetsannoteringarna i Jama Mining Machines ritningar. Har inget mått på svetsen angivits har Ekvation (26) används för att bestämma storleken på svetsen. Där är den minsta plåttjockleken som svetsen berör och är höjden på svetsen.
(26)
Uttrycket är allmänt använt bland konstruktörerna på Jama Mining Machines. Man säger att om uttrycket följs är det inte svetsarna som är kritiska i konstruktionen, förutsatt att svetsen inte ligger där spänningskoncentrationen är högst. Svetsarna är även designade för att undvika små ytor i modellen. I en FEM-modell kan små ytor vara svårt att representera, det blir svårt att rymma flera element på en sådan yta. Det ger en dålig representation av verkligheten vilket i sin tur gör att man inte kan lita på resultatet från beräkningen. Svetsarna i modellen använder sig av ”Merge Result”
vilket gör att de ingående delarna i komponenten sätts ihop. I konfigurationen tas även onödiga detaljer som små hål och delar som inte bidrar till ändrad hållfasthet bort. På så sätt underlättas beräkningen. För att hålla ihop tiltleden och hammar-infästningen sätts en expandertapp in i kutsarna. Hållfastmässigt bidrar tapparna till en minskad utböjning av kutsarna. I beräkningskonfigurationen görs kutsarna solida för att representera den minskade utböjningen. Figur 14 representerar den fullt svetsade beräkningskonfigurationen av dagens hammar-infästning.
Figur 14. Beräkningskonfigurationen för dagens hammar-infästning.
Till beräkningen skapas ett nät av element på beräkningskonfigurationen, en mesh. Meshen blir en representation av 3D-modellen bestående av element och noder. Elementtypen i representationen är tetraedriska. Meshen förfinas vid kanter, radier och hörn, områden som förväntas bli utsatta för höga spänningar. Detta görs genom att använda funktionen ”Mesh Control” i SolidWorks Simulations. Målet är att minst tre element skall rymmas i rad på konstruktionens samtliga ytor samt att avståndet mellan noderna i ett element skall fördelas enligt Ekvation (27).
- 18 - { { {
(27)
Storheterna i Ekvation (27) förklaras i Figur 15 som illustrerar ett tetraedriskt element.
Figur 15. Ett tetraedriskt element där a, b och c är avståndet mellan elementets noder.
I Figur 16 visas beräkningskonfigurationen av dagens hammar-infästningen med sin tillhörande mesh. En mer ingående beskrivning av hur ”Mesh Control” används för att generera meshnätet till beräkningsmodellerna återfinns i Bilaga B för tiltleden och Bilaga C för hammar-infästningen.
Figur 16. Dagens hammar-infästning med mesh.
3.2.3. Sammanställning
De ingående komponenterna i konstruktionen sätts ihop i en delsammanställning för att sedan sättas in i en fullständig sammanställning av skrotaren SBU 8000. Eftersom det är intressant att se integrationen mellan de ingående komponenterna vill man göra beräkningar på delsammanställningen. Även här skapas två konfigurationer, en för beräkning och en för ritning samt till den fullständiga sammanställningen av SBU 8000 med rotator. I delsammanställningens konfiguration kan man bestämma vilken av komponenternas, parternas, konfiguration som skall visas. Här väljs komponenternas beräkningskonfiguration till delsammanställningens beräkningskonfiguration. Samma sak gäller för ritningskonfigurationen. I Figur 17 illustreras ritningskonfigurationen av delsammanställningen på dagens konstruktion samt med en hydraulcylinder som ändrar vinkeln på hammar-infästningen.
- 19 -
Figur 17. Delsammanställning av dagens konstruktion för ritningar och till huvudsammanställning.
Eftersom den fulla integrationen mellan tiltled och hammar-infästning är intressant måste även hydraulcylindern vara med i beräkningen. I ritningskonfigurationen består hydraulcylindern av två delar, en hylsa och själva kolven. I beräkningskonfigurationen är hydraulcylindern förenklad till en part. Med mindre antal parter i beräkningen blir det mindre antal integrationer mellan dem vilket genererar mindre potentiella felkällor. Delsammanställningens beräkningskonfiguration illustreras i Figur 18.
Figur 18. Delsammanställning av dagens konstruktion för beräkning.
När sammanställningen används i SolidWorks beräkningsmodul kopieras inte sammanställningens låsningar, constrains, automatiskt. Istället antar programmet en global låsning för hela sammanställningen, det vill säga att parterna i sammanställningen är helt låsta jämt emot varandra.
Det leder till att komponenterna inte kan vridas runt kutsarnas infästning. Detta är inte ett verkligt beteende. För att sammanställningen i beräkningarna skall bete sig verkligt används funktionen ”Pin Connector”. Funktionen gör att de valda cirkulära ytorna kan rotera runt cirkelns mitt samt att ingen
- 20 -
translationsrörelse kan ske från cirkelns mitt. Denna funktions används på samtliga infästningar mellan komponenterna enligt Figur 19.
Figur 19. "Pin Connector" på infästningar mellan komponenterna.
Till beräkningsuppställningarna är tiltleden fixt inspänd vid rotatorns fäste. Det vill säga att samtliga sex frihetsgrader låses i kopplingen mellan tiltleden och rotatorn. Figur 20 visar modellens låsningar och mesh i samtliga beräkningsuppställningarna som undersöks.
Figur 20. Låsning av frihetsgrader till beräkningsuppställningarna.
Det totala antalet element i modellen är
3.2.4. Approximationer i beräkningsmodeller
En approximation som gjort i modellen är att svetsarna smälter samman hela anläggningsytan. I verkligheten är det möjligt att en eller flera svetsar bara smälter ihop en del av anläggningsytan.
Approximationen illustreras i Figur 21. I modellen sitter hela anläggningsytan ihop medans det i verkligheten kan vara möjligt att endast området inom markeringen smälter samman.
- 21 -
Figur 21. Approximation av svetsar i modellerna.
Om detta är fallet leder det till att modellerna blir mer hållfasta jämfört vad de egentligen är i verkligheten. I modellerna är det inte heller möjligt att ändra material i svetsarna. Detta eftersom modellen är en enda part där programmet anser att allt delar har samma material i parten. Eftersom det inte är möjligt att ändra materialet i svetsarna bidrar även det till en mindre verklighetsbaserad beräkning. Ingen hänsyn har heller tagits till den tillförde värmen från svetsningen. Svetsarna och bockningarna i modellen antas vara helt perfekt producerade.
Låsningen i beräkningsuppställningarna är inte heller helt representativ av verkligheten.
Kopplingen mellan tiltleden och rotatorn är inte helt stum utan hela bommen fjädra av kollisioner och slag från hammaren. Detta bidrar till att beräkningsmodellerna återge en större representation av spänningen än vad det egentligen blir vid respektive lastfall då bommen får fjädra.
3.3. Beräkningar
Teoretiska krafter har uppskattats för fyra olika lastfall. De krafterna används till totalt sju olika beräkningsuppställningar. Uppställningarna med resulterande spänningar redovisas i detta kapitel.
De exakta spänningarna är inte intressanta i beräkningsuppställningarna eftersom de teoretiska uppskattade krafterna i lastfallen är approximationer av de verkliga krafterna. För en specifik konstruktion går det bra att göra jämförelse av spänningar mellan beräkningsuppställningar som använder samma lastfall. Dock kan man inte göra jämförelser mellan beräkningsuppställningar som använder olika lastfall. Detta eftersom man inte kan bestämma säkert hur stor felmarginalen är mellan de olika approximationerna som gjorts för att uppskatta respektive kraft. Det är där emot intressant att se hur mycket de nya koncepts konstruktion sänker spänningarnas storlekar på respektive beräkningsuppställning. Spänningskoncentrationerna samt den maximala spänningen undersöks. Återfinns de där brott och haverier vanligtvis sker hos komponenterna i verkligheten antas beräkningsmodellerna vara en god representation av verkligheten.
Materialet i de bägge komponenterna är Weldox 700. Materialets egenskaper är hämtade från SSAB [7]. Sträckgränsen för materialet är
och materialet brottgräns är
- 22 - 3.3.1. Rakt perfekt slag
I beräkningsuppställningen är hammar-infästningen i linje med rotatorns infästning i tiltleden.
Detta inträffar då hydraulcylinder är i sitt kortaste läge. Kraften är hämtad från 3.1.1. där hammaren antas genomföra ett perfekt slag,
.
Spänningsfördelningen i uppställningen enligt von Mises kan ses i Figur 22.
Figur 22. Spänningsfördelningen vid ett rakt perfekt slag.
Den högsta spänningen uppkommer i svetsen på tiltledens topplock i riktning mot hammar- infästningen, se markering i Figur 22. Den maximala spänningen vid ett rakt perfekt slag är
𝜎 3.3.2. Vinklat perfekt slag
I beräkningsuppställningen är hammar-infästningen vinklad 45° från rotatorns infästning i tiltleden. Kraften är hämtad från 3.1.1. där hydraulhammaren antas genomföra ett perfekt slag,
.
Spänningsfördelningen i beräkningsuppställningen enligt von Mises kan ses i Figur 23.
- 23 -
Figur 23. Spänningsfördelningen vid ett vinklat perfekt slag.
Den högsta spänningen uppkommer i svetsen under rotatorns fäste, se markering i Figur 23. Den maximala spänningen som uppkommer vid ett vinklat perfekt slag beräknas till
𝜎 3.3.3. Vinkelrätt perfekt slag
I beräkningsuppställningen är hammar-infästningen vinklad maximalt jämt emot rotatorns infästning i tiltleden. Kraften i beräkningsuppställningen är hämtad från 3.1.1.,
.
Spänningsfördelningen i uppställningen enligt von Mises kan ses i Figur 24.
Figur 24. Spänningsfördelningen vid ett vinkelrätt perfekt slag.
- 24 -
Den högsta spänningen uppkommer i svetsen under rotatorns fäste, se markering i Figur 24. Den maximala spänningen vid ett vinkelrätt perfekt slag är
𝜎 3.3.4. Slag med hjälp av bom
I beräkningsuppställningen är hammar-infästningen vinklad maximalt jämt emot rotatorns infästning i tiltleden. Kraften till beräkningen är hämtade från 3.1.2. då hydraulhammaren antas rammas in i väggen,
.
Spänningsfördelningen enligt von Mises i beräkningsuppställningen redovisas i Figur 25.
Figur 25. Spänningsfördelningen vid ett slag med hjälp av bom.
Den högsta spänningen uppkommer vid svetsen under rotatorns infästning, se markering i Figur 25. Den maximala spänningen vid ett slag med hjälp av bom beräknas till
𝜎 3.3.5. Felaktig stöt
I beräkningsuppställningen antas tiltledens nerläggningsskydd stötas in i en vägg. Eftersom designen på tiltledens nerläggningsskydd kan ändras i de nya koncepten måste området kraften anläggs på definieras. Detta för att kunna göra en direkt jämförelse mellan de nya koncepten och dagen konstruktion. Nerläggningsskyddet antas träffa ett cirkulärt utstickande parti med diameter
och avståndet
från hydraulcylinderns infästning på tiltleden. Kraften är hämtat från 3.1.3.,
.
- 25 -
Spänningsfördelningen enligt von Mises för en felaktig stöt redovisas i Figur 26.
Figur 26. Spänningen vid en felaktig stöt.
Den högsta spänningen vid en felaktig stöt uppkommer vid tiltledens nerläggningsskydd, se markering i Figur 26. Den maximala -spänningen i beräkningen uppkommer till
𝜎 3.3.6. Brytning i bommens riktning
I beräkningsuppställningen är hammar-infästningen vinklad maximalt jämt emot rotatorns infästning i tiltleden. Momentet hämtas från 3.1.4. då hydraulhammaren används för att bryta lös sten från väggar och tak,
𝜏
Spänningsfördelningen enligt von Mises vid beräkningsuppställningen redovisas i Figur 27.
- 26 -
Figur 27. Spänningsfördelning vid brytning i bommens riktning.
Den högsta spänningen uppkommer vid nerläggningsskyddets vinkelräta avslut mot infästningsplåtarna, se markering i Figur 27. Den uppkommer vid brytning i bommens riktning till
𝜎 3.3.7. Brytning i bommens rotationsriktning
I beräkningsuppställningen är hammar-infästningen vinklad maximalt jämt emot rotatorns infästning i tiltleden. Momentet hämtas från 3.1.4.,
𝜏
Spänningsfördelningen enligt von Mises från brytning i rotationsriktning redovisas i Figur 28.
Figur 28. Spänningsfördelning vid brytning i rotationsriktning.
Den högsta beräknade spänningen återfinns i den utskurna radien på tiltledens topplock, se markering i Figur 28. Den maximala spänningen vid brytning i rotationsriktning beräknas till
𝜎
- 27 -
3.4. Resultat beräkningar
Här jämförs beräkningsmodellerna med verkligheten för att verifiera att modellerna ger en bra representation av verkligheten. Allmänt ser man att tiltleden utsätts för större spänningar än hammar-infästningen.
3.4.1. Tiltleden
Vinklas hammar-infästningen uppkommer spänningskoncentrationer i svetsen under rotatorns infästningsplatta i tiltleden. Det beror på att svetsen och infästningsplåtarnas utskurna radie ligger på ett utsatt ställe i konstruktionen. Med jämförelser mellan 3.3.2. och 3.3.3. ser man även att spänningen ökar då vinkeln ökas. Tittar man på de begagnade komponenterna ser man att de lagats med extra svets under rotatorns fäste vilket tyder på att det är ett utsatt område även i verkligheten.
En jämförelse mellan beräkningsmodellen och verkligheten kan ses i Figur 29.
Figur 29. Jämförelse av svets och radie under rotatorns infästningsplatta mellan verklighet och beräkningsmodell.
Tiltledens topplock med uppgift att skydda hydraulcylindern. När hammaren trycks efter väggen för att bryta stenar utsätts topplocket för stora spänningar. Dels i svetsen enligt Figur 30.
Figur 30. Jämförelse av svets vid topplock mellan veklighet och beräkningsmodell.
- 28 -
Samt även i den utskurna radien enligt Figur 31. Tittar man på jämförelserna ser man att de begagnade komponenterna visar ett liknande beteende vilket tyder på att beräkningsmodellerna ger bra representation.
Figur 31. Jämförelse av tiltledens topplocks radie mellan verklighet och beräkningsmodell.
Service på gruvan har förstärkt nerläggningsskyddet under tiltleden. Skyddet går sönder då operatörerna råka stöta in tiltleden i väggar eller tak under drift samt vid ogynnsamma nerläggningar. Beräkningarna visar även att skyddets vinkelräta avslut mot infästningsplåtarna utsätts för stora spänningar när hydraulhammaren används vid brytning. Det tyder på en dålig geometri samt att skyddet är för svagt och bör förstärkas i den nya konstruktionen. I Figur 32 jämförs en begagnad förstärkt tiltled med beräkningsuppställningen då tiltleden stöts in i väggen.
Figur 32. Jämförelse av tiltledens nerläggningsskydd mellan verkligheten och beräkningsmodell.
Gruvans service har även förstärkt tiltledens kuts som binder samman tiltleden och hammar- infästningen. Förstärkningen sitter under kutsen och förstärker även bockarna i tiltledens infästningsplåtar. Att detta är ett spänningstätt område verifieras med beräkningarna. En jämförelse mellan en begagnad tiltled och beräkningsmodellen finns i Figur 33.
- 29 -
Figur 33. Jämförelse av tiltledens kutsar och bockar mellan verklighet och beräkningsmodell.
Man ser spänningskoncentrationer i bockarna i Figur 33. Dock är spänningarna i de verkliga bockningarna förmodligen större än vad beräkningsmodellen visar. Det beror på att bockningarna i modellerna är perfekt producerade medans bockningarna i verkligheten inte alltid är det. Detta förklaras djupare i 3.5.1., övriga observationer för tiltleden.
3.4.2. Hammar-infästningen
På hammar-infästningen sker brott vanligtvis i på de vinkelräta plåtarna och vid deras svetsar.
Enligt beräkningsmodellen är det där den högsta anträffade spänningen uppkommer i hammar- infästningen vilket tyder på att beräkningsmodellen ger en god representation av verkligheten. En jämförelse mellan verkligheten och beräkningsmodellen för hammar-infästningen kan ses Figur 34.
Figur 34. Jämförelse av hammar-infästningen mellan verkligheten och beräkningsmodellen.
3.5. Övriga observationer
Eftersom beräkningarna inte täcker upp alla aspekter på hur komponenterna kan förbättras har ytterligare observationer gjorts. De begagnade komponenterna har undersökts ytterligare, utvecklingar som har gjorts på standard modellen av SBU 8000 samt tips från Jama Mining Machines har också tagits in.
- 30 -
Konstruktörerna på Jama Mining Machines berättar att det lever kvar delar i komponenterna som i dagsläget inte fyller någon funktion. Dessa delar har helt enkelt levt kvar i konstruktionerna från första början då de fyllde en funktion. Det bör ses över ifall dessa delar verkligen fyller en funktion i dagsläget. Bland annat kan nämnas boxen i hammar-infästningen samt diverse gängade hål i komponenterna.
3.5.1. Tiltleden
På tiltleden ser man ett tydligt problem i infästningsplåtarnas bockar. Den beror bland annat på en snäv bockningsradie. Den minsta tillåtna bockningsradien för materialet Weldox 700 enligt dess bockningsspecifikation [8], beskrivs av Ekvation (28) där är plåtens godstjocklek.
(28)
Det är den radien som använts som bockningsradie på dagens bockar i infästningsplåtarna. Det leder till att det inte finns någon tolerans för mindre bockningsradier i tillverkningen. Bockarna ligger även på en dålig plats. Det är nämligen svårt att bocka en plåt om det är olika mycket material på respektive dyna vid sidan om bocken. Det leder till att delen blir svår att tillverka och att det kan finnas initiala sprickbildningar i bockningarna. På plats i gruvan servas komponenterna genom att lägga extrasvetsar på bockarna samt att en ytterligare bockad plåt svetsas på, detta visas i Figur 35.
Figur 35. Förstärkningssvetsar på infästningsplåtarnas bockar i tiltleden.
För att undvika att förstöra hydraulcylindern vill man inte utnyttja dess maximala längd. I det läget är hydraulcylindern extra känslig för dragande krafter samt att den är mer känslig för knäckande krafter då dess längd ökats. Jama Mining Machines använder sig därför av mekaniska stopp som begränsar hydraulcylindrars maximala utvidgning. På de specifika komponenter är det boxen under hydraulhammarens infästning på hammar-infästningen som stoppas av topplocket på tiltleden. Man har emellertid upptäck att stoppet genererar ett stort slitage på tiltledens topplock. Detta eftersom boxen på hammar-infästningen läggs på topplocket och hindrar en translationsrörelse i hammarens slagriktning, utöver hydraulcylinderns maximala utvidgning. När det mekaniska stoppet används utsätts topplocket för en extern kraft som bidrar till onödigt deformation. Det mekaniska stoppet bör uppdateras för att minska risken för haveri i komponenterna. I Figur 36 redovisar ett begagnad topplocket som utsatts för denna typ av deformation.
- 31 -
Figur 36. En begagnad topplock med slitage från det mekaniska stoppet.
Ett antal hydraulkopplingar finns på bägge komponenterna. Hydraulkopplingarna är väldigt känsliga för stötar och går lätt sönder om till exempel en sten ramlar ned på dem. Gruvans service har svetsat på extraskydd på komponenterna för att skydda hydraulkopplingarna från sådana stötar. I Figur 37 visas ett sådant extraskydd på tiltleden som skyddar en av rotatorns hydraulkopplingar.
Figur 37. Ett av gruvans extraskydd för hydraulkopplingar.
Det finns en hel del hydraulslangar i bommen. Det är viktigt att designa komponenterna med hydraulslangarna i åtanke, de får inte klämmas eller fastna när komponenterna vrids eller roteras under drift. Gruvans service har installerat ett hydraulslangsfäste för att styra slangarna rätt under drift, se Figur 38.
Figur 38. Slangfäste på dagens tiltled.
- 32 - 3.5.2. Hammar-infästningen
Bultarna som låser fast hydraulhammaren på hammar-infästningen är för korta på dagens konstruktion. Det kommer ifrån att bultarna inte klarar spänningen som uppkommer från skrotningen. Skulle emellertid bultarnas längd ökas kommer de fortfarande utsättas för samma förlängning som tidigare men eftersom bultarnas totala längd ökats kommer töjningen att minska.
Helt enligt den tekniska töjningen [9], Ekvation (29), där är töjningen, 𝛿 förlängningen och är skruvens initiala längd.
𝛿
(29) Minskas töjningen minskas således även spänningen enligt Hookes lag för endimensionella fall [9], Ekvation (30), där är elasticitetsmodulen.
𝜎 (30)
Detta är en förändring som Jama Mining Machines har gjort på standardmodellen av skrotaren SBU 8000. Där har man ökat godstjockleken på hydraulhammarens infästningsplatta på hammar- infästningen. Det leder automatiskt till att skruvarnas längd måste ökas för att kunna fästa hydraulhammaren och därmed sänks spänningen i bultarna.
I Figur 39 ser man ytterligare ett skydd för hydraulkopplingar som service i gruvan har installerat, denna gång på hammar-infästningen. Det är någonting som bör finnas med i den nya konstruktionen av komponenterna.
Figur 39. Skydd för hydraulkopplingar på hammar-infästningen
Hammar-infästningens fäste för hydraulcylindern är hårt nött. Det beror på att fästet körs in i väggen då hammaren vinklas. Till den nya designen bör området ses över. Förstärkningar, skydd eller att helt enkelt förminska det utstickande partiet från hammaren är möjliga lösningar på problemet.
Figur 40 visar slitaget på hydraulcylinderns fäste.
- 33 -
Figur 40. Slitage på hydraulcylinderns fäste på hammar-infästningen
- 34 -
4. Konceptgenerering
För att skapa förbättringsförslag och nya koncept på komponenterna tas information från nulägesanalysen. I nulägesanalysen har komponenternas svagheter hållfasthetsmässigt identifierats.
Tankar från gruvans maskinservice, tillverkning samt från konstruktörer på Jama Mining Machines har också tagits in. För att de nya framtagna koncepten i konceptgenereringen verkligen skall lösa de identifierade problemen skapas en kravspecifikation som koncepten måste uppfylla.
Konceptgenereringen delas upp i delkoncept för att enklare hitta bra idéer. Delkoncepten delas upp till tre delar; hammar-infästningens design, tiltledens design samt integrationen mellan komponenterna.
4.1. Kravspecifikation
Från nulägesanalysen tillsammans med examensarbetets riktlinjer skapas en kravspecifikation. De nya koncepten måste uppfylla kraven i kravspecifikationen för att vara ett giltigt koncept. Koncepten får gärna uppfylla önskemålen, men är så inte fallet är konceptet fortfarande gångbart. Marginalen för att konceptet skall uppfylla ett kriterium i kravspecifikationen är att uppfylla värdet i kolumnen marginal. Ett kriterium är idealt ifall värdet uppfyller det specificerade värdet i idealkolumnen.
Procentsatsen i ideal- och marginalkolumnerna är en procentuell ökning eller minskning av det specifika värdet jämfört med den befintliga konstruktionens värde i kriteriet. Kravspecifikationen återfinns i Tabell 5.
Tabell 5. Kravspecifikation till konceptgenerering.
Krav/
Önskemål Kriterium Enhet Ideal Marginal
Krav Minska den maximala spänningen i konstruktionen Pa > 50 % 40 % Krav Direkt applicerbar på befintlig SBU 8000 med
rotator Ja/Nej - Ja
Krav Direkt applicerbar till hydraulhammaren Atlas
Copco SB 302 Ja/Nej - Ja
Krav Samma hydraulcylinder som i dagens konstruktion Ja/Nej - Ja Krav Tillverkningsmetoder som är gynnsamma för en
liten kvantitet av produkter Ja/Nej - Ja
Krav Designa komponenterna för att skydda
hydraulcylindern samt hydraulkopplingar Ja/Nej - Ja
Krav Vikt kg < 100 % 125 %
Krav Ändring av dagens yttermått mm < 0 50
Krav Hydraulhammarens vridningsrörelse ° 90 75
Krav Samma material som dagens konstruktion Ja/Nej Ja - Önskemål Minska antalet spänningskoncentrationer Ja/Nej Ja -
Önskemål Förenkla tillverkningen Ja/Nej Ja -
Önskemål Överväg behovet av delar i komponenterna Ja/Nej Ja -
