ingenjörsprogrammet Examensarbete vid Maskin

(1)

Fakulteten för teknik- och naturvetenskap

A

LEXANDRU

S

AMOILA

Examensarbete vid Maskiningenjörsprogrammet

Maj -2011

(2)

Sida 2 av 81

Sammanfattning

TÅGAB har idag stora problem när det gäller att byta hjulpar på sina Rc2-lok eftersom de måste göra en massa olika operationer för att lyckas byta hjulparen nämligen:

- För att utföra hjulparsbyte måste de på TÅGAB först lossa lokets båda boggier, loket lyfts upp från boggierna sedan boggierna flyttas till ett spår med taktravers där traktionsmotorerna demonteras ur boggierna och därefter kan hjulparet med stor möda bytas. Processen görs därefter baklänges och loket är efter mycket stor möda och lång tid klart för trafik igen.

Eftersom allt detta krångel leder till att det tar så lång tid för hjulparbyte och dessutom blir mycket dyrare jamfört med andra företag att det blir lönsammare för dem på TÅGAB att leja bort detta jobb till andra företag som har den utrustning som krävs för att genomföra hjulparbyten mycket fortare än dem på TÅGAB och det kostar mindre än vad hade kostat för att byta hjulparet på TÅGAB.

Efter flera försök av olika modeller som modellerades i ProEngineer, följt av tester i ProEngineer Mechanica med hjälp av Finita Element Metoden. Med s.k. FEM - analys lyckades få en bra form på ett lyftdon som tål en ganska stor belastning. Lyftdonet består av några komponenter som svetsas ihop, sedan tig behandlas svetsen för att minimera risken för sprickbildning. Förutom själva lyftdonet som är tillverkad av 25 mm stålplåt finns också två extrafötter tillverkade av 15 mm stålplåt, en fäste tillverkad av 10 mm stålplåt som har rollen att hålla lyftdonet på sin plats med hjälp av 1 eller 2 skruvar utan att någon behöver hålla den med handen och en förstärkning tillverkad av 25 mm stålplåt, den har rollen att hålla ihop lyftdonet med extrafötterna, är en extrasäkerhet ifall någon del av

lyftdonet skulle ge vika, fördelar spänningen bättre och ökar lyftdonets hållfasthet i dem mest utsatta punkterna.

Enligt SVENSK STANDARD, SS-EN 13155+A2:2009 [8]- De belastade delarna skall ha en mekanisk styrka som uppfyller följande krav:

1) skall konstrueras för att motstå en statisk belastning på tre gånger max arbetsbelastningen utan att släppa lasten även om permanent deformation uppstår;

2) skall konstrueras för att motstå en statisk belastning på två gånger max arbetsbelastningen utan permanent deformation.

Utifrån dessa krav lämpligt material för tillverkning av lyftdonet är:

1. Low alloy steel, AISI 5160 (tempered @ 205 C, oil quenched) 2. Low alloy steel, AISI 5160 (tempered @ 315 C, oil quenched) 3. Low alloy steel, AISI 5150 (tempered @ 205 C, oil quenched) 4. Low alloy steel, AISI 81B45 (tempered @ 205 C, oil quenched)

Alla dessa lägeringar har liknande densitet, pris och mekaniska egenskaper. Det som skiljer sig lite hos dessa material är sträckgränsen. Därför kan man välja vilken som helst av dessa lägeringar, i den angivna ordningen, för tillverkning av lyftdonet. Hela lyftdonet kommer att väga ungefär 45,68 kg, den är enkel och säkert att montera inför hjulparbyten.

(3)

Sida 3 av 81

Abstract

TÅGAB currently has major problems with regard to changing wheels on their Rc2-locos due to the difficulty of the maintenance process required to successfully change the wheel sets, namely:

To carry out the wheel set exchange, they must first loosen the TÅGAB locomotive two bogies. The locomotive is lifted from the bogies and moved to a track with a ceiling traverse.

Traction motors are then removed from the bogies and then the wheels are removed and replaced with great difficulty. The process is then reversed replacing the traction motors, followed by reattaching the locomotive. This process requires a lot of labor and the locomotive is out of service for quite some time before it is ready for traffic again.

This wheel set replacement process is very expensive due to the time, labor and equipment required. It is so expensive that TÅGAB has been outsourcing the maintenance procedure to companies who have the equipment necessary to implement the wheel set replacements much faster, and for less cost than TÅGAB.

After several trials of different models that I designed in ProEngineer and then tested in ProEngineer Mechanica using Finite Element Method called FEM analysis, I managed to get a good form of a lifting device that can withstand a fairly heavy load. Hoisting equipment consists of a few components that are welded together, and then tig weld treated to minimize the risk of cracking. In addition to the hoisting equipment, which is manufactured from 25mm steel plate, are also two extra feet made of 15 mm steel plate, a bracket made from 10 mm steel plate (which keeps hoisting equipment in place with one or two screws, eliminating the need to hold it in place by hand) and a reinforcement made of 25 mm steel plate. This last 25 mm steel plate provides hoisting equipment with extra support, is extra security if any part of the hoisting equipment gives way, benefits the tension of the hoisting

equipment, and increases the strength of those most vulnerable points. According SWEDISH STANDARD SS-EN 13155 + A2: 2009 [8];

the mechanical load bearing parts shall have a mechanical strength to fulfill the following requirements:

1) the attachment shall be designed to withstand a static load of three times the working load limit without releasing the load even if permanent deformation occurs;

2) the attachment shall be designed to withstand a static load of two times the working load limit without permanent deformation.

Based on these requirements suitable material for the manufacture of hoisting equipment is:

1st Low alloy steel, AISI 5160 (tempered @ 205 C, oil quenched) 2nd Low alloy steel, AISI 5160 (tempered @ 315 C, oil quenched) 3rd Low alloy steel, AISI 5150 (tempered @ 205 C, oil quenched) 4th Low alloy steel, AISI 81B45 (tempered @ 205 C, oil quenched)

All these position changes have similar density, price and mechanical properties. What is slightly different in these materials is the yield stress. I therefore think that one can choose any of these position changes, in the order indicated, for the manufacture of hoisting equipment. Whole hoisting equipment will weigh approximately 45.68 kg, it is easy and safe to assemble before the wheel set replacements.

(4)

Sida 4 av 81

Förord

Detta examensarbete omfattar 22,5 högskolepoäng vid institutionen för Fakulteten för teknik- och naturvetenskap vid Karlstads Universitet.

Uppdragsgivare är Tågåkeriet i Bergslagen AB (TÅGAB).

Kristinehamn, 2011 Alexandru Samoila

(5)

Sida 5 av 81 Innehåll

ALEXANDRU SAMOILA... 1

Examensarbete vid Maskiningenjörsprogrammet... 1

Sammanfattning ... 2

Abstract ... 3

Förord ... 4

Innehåll ... 5

1 Inledning ... 7

1.1 Bakgrund ... 7

1.2 Problemformulering ... 10

1.3 Syfte ... 10

1.4 Mål ... 10

2 Genomförande ... 10

2.1 Spårvidd ... 11

2.2 Boggi ... 12

2.3 Rc2-lok ... 14

2.4 Redskap för lyfte av Rc2-lok ... 14

2.4.1 Bultar ... 14

2.4.2 Lyftbockar ... 15

2.5 Utformning, Dimensionering och FEM analys ... 16

3 Resultat ... 18

3.1 Koncept på lyftdonet ... 18

3.1.1 Lyftdon... 18

3.1.2 Extrafötter ... 19

3.1.3 Förstärkning ... 20

3.1.4 Fäste ... 21

3.1.5 Lyftdonets totala vikt ... 21

3.2 FEM - analys ... 21

3.2.1 FEM - analys med 200 kN belastning ... 22

(6)

Sida 6 av 81

3.3 Materialval ... 25

4 Utvärdering ... 29

5 Slutsatser ... 29

6 Tackord ... 31

7 Referenslista ... 32

8 Bilagor ... 33

8.1 Bilaga 1: Ritningar ... 33

8.2 Bilaga 2: FEM - analys ... 41

8.3 Bilaga 3: TÅGABs organisations plan. ... 44

8.4 Bilaga 4: Prototypen ... 45

8.5 Bilaga 5: Materialval ... 51

8.5.1 Low alloy steel, AISI 5160 (tempered @ 205 C, oil quenched) ... 51

8.5.4 Low alloy steel, AISI 81B45 (tempered @ 205 C, oil quenched) ... 57

8.5.5 Carbon steel, AISI 1340 (tempered @ 205 C, oil quenched) ... 59

8.5.6 Low alloy steel, AISI 5140, tempered at 425°C & oil quenched ... 61

8.5.7 Carbon steel, AISI 1060, tempered at 540°C & oil quenched ... 63

8.5.8 Carbon steel, AISI 1030, tempered at 205°C & H2O quenched ... 65

8.5.9 Low alloy steel, AISI 4130, annealed ... 67

8.5.10 Carbon steel, AISI 1030, annealed... 69

8.5.15 AISI 1010, annealed ... 79

(7)

Sida 7 av 81

1 Inledning

Ett examensarbete genomförs som avslutning av flertalet utbildningar på universitetsnivå, bland annat yrkesutbildningar samt kandidat-, magister-, och masterutbildningar vid teknisk fakultet, i mitt fall maskiningenjörsutbildningen på Karlstads Universitetet. Examensarbetet, som är ett självständigt arbete, kan beroende på utbildning utgöras av en examensrapport och/eller praktisk redovisning av studentens arbete. Det självständiga arbetet kan redovisas på olika sätt. Ofta består redovisningen av en uppsats eller en skriftlig rapport. Det skriftliga arbetet kan kompletteras med en muntlig presentation och/eller att en annan student får vara opponent på respondentens arbete, dvs. muntligen och/eller skriftligen ställa frågor gällande sådant som bör förtydligas, och ge synpunkter på arbetet.

Examensarbete utförs vanligen för en uppdragsgivare, min uppdragsgivare var Tågåkeriet i Bergslagen AB (TÅGAB), med eller utan ekonomisk ersättning, i mitt fall utan.

Examensarbeten kan utföras i arbetslivet, och har då likheter med praktik, men måste även uppfylla den akademiska världens krav. Alternativt kan arbetet utföras i samarbete med en forskningsgrupp på ett universitet.

Examensarbetet handleds av en lokal handledare i näringslivet och/eller en akademisk

handledare, i mitt fall en akademisk hanledare som jobbar på Karlstads Universitetet nämligen Lars Jacobsson. Ämnesansvarig examinator avgör när studenten är redo att redovisa arbetet muntligen, och ansvarar för slutligt godkännande och betygsättning.

Som avslutning på maskiningenjörsutbildning vid Karlstads Universitetet fick studenten Alexandru Samoila utföra sitt examensarbete på

Tågåkeriet i Bergslagen AB (TÅGAB), handledare var Lars Jacobsson och examinator Nils Hallbäck.

1.1 Bakgrund

Lite fakta om TÅGAB:

TÅGAB är ett regionalt järnvägsföretag.

– TÅGAB har ca 100 anställda, 20 - 25 lok av olika storlekar, ellok såväl som diesellok och ett par servicebilar

TÅGABs verkstad har stora resurser och tillhandahåller allt från revisioner till mindre underhåll för deras egna och andra järnvägsföretags fordon.

– Godkänd ATC - installör.

– Egna koncept på radiostyrning.

– Modernisering och renovering av lok.

– Egen vagnverkstad.

(8)

Sida 8 av 81

– Moderna underhålls- och skötselhallar för motorvagnar.

TÅGAB är ägare av 5 stycken Rc2 ÖBB. Tio lok av denna typ köptes av de Österrikiska statsbanorna, från ASEA i Västerås, därav tilläggslitterat ÖBB. Loken är av samma typ som de typiska svenska Rc2-loken som i stort antal, på sin tid, inköptes av SJ. TÅGAB köpte de återstående nio loken från ÖBB i Österrike varav tre har sålts till Banverket. Det som skiljer de svenska loken från våra är att de är utrustade med starkare motorer och elbroms. Två av loken har utrustats med radiostyrning.

TÅGAB har ett stort antal moderna vagnar för timmertransporter av littera Sns-x.

–

T

ÅGAB utför idag även persontrafik. Man kan nå ett flertal orter mellan Värmland och Göteborg via Västergötland utan byten samt en förbindelse till Örebro med anslutningar mot Stockholm. Tågen körs i samarbete med SJ och bygger på att de nya tågen kompletterar och ansluter till SJ:s ordinarie trafik. Tågen har både 1: a och 2: a klass.

TÅGABs verksamhet står i huvudsak av:

–

Mata

rbana för gods i vagnslaster i

samarbete med Green Cargo.

–

Samarbete med CargoLink

–

Egen godstrafik i Sverige och Norge

(se figur 1)

.

–

Uthyrning av lok och/eller förare till andra tra

fikutövare, bland annat norska

Baneservice AS och svenska Banverket.

–

Verkstad för underhåll, av egna och andras lok och motorvagnar.

– Reservdelsförsäljning.

(9)

Sida 9 av 81

Figur 1. TÅGABs Trafikeringskarta för godstransporter.

(10)

Sida 10 av 81

Tågåkeriet i Bergslagen AB (TÅGAB) äger idag som sagt ett fem elektriska lok av typen Rc2, och hyr även in ett antal lok från andra fordonsägare. Samtliga fordon underhålls i företagets verkstad i Kristinehamn. Huvuddelen av allt underhåll görs på plats i Kristinehamn, men vissa underhållsåtgärder lejs bort till andra verkstäder eftersom resurser saknas. Ett av dessa arbeten är byte av hjulpar. Det har provats att byta hjulpar i den egna verkstaden, men det visade sig inte vara konkurrenskraftigt jämfört med att leja bort jobbet.

Tidigare var ett problem att lyftbockarna, som används för att lyfta loket från marken, inte lyfte högt nog för att få ut hjulparen utan att lokets plogar demonterats. I samband med bygge av en ny verkstadslokal införskaffades nya lyftbockar med en högre lyfthöjd, varför detta problem är eliminerat.

1.2 Problemformulering

Problemet som kvarstår är att det idag saknas utrustning för att kunna lyfta loket med

boggierna hängande i loket. För att genomföra hjulparsbyte måste därför lokets båda boggier lossas, loket lyftas från boggierna, boggierna flyttas till ett spår med taktravers, traktions motorerna demonteras ur boggierna och därefter kan hjulparet med stor möda bytas.

Processen görs därefter baklänges och loket är så småningom klart för trafik igen.

Grundkonstruktionen är dock gjord för att kunna lossa hjulparet som skall bytas, lyfta loket med boggier, och låta hjulparet stå kvar på marken. Stilleståndstiden kan därför minskas från bortåt en vecka till en dag, loket kan användas mer och reparationskostnaden sjunker.

1.3 Syfte

Examensarbetet syftar till att ta fram ett förslag på lämpliga lyftdon för att kunna lyfta Rc2- lok med boggier. Lyftdonen skall dimensioneras enligt gällande normer och bestämmelser för lyftutrustning.

1.4 Mål

Målet är att tillverka lyftdon för lyft av lokkorg med boggier enligt färdiga ritningar, samt att få dessa godkända av besiktningsorgan.

2 Genomförande

Eftersom idag de på TÅGAB saknas utrustning för att kunna lyfta loket med boggierna hängande i loket och detta leder till att de först måste lossa lokets båda boggierna sen loket lyfts från boggierna, därefter flytas boggierna på ett annat spår där traktionsmotorerna

demonteras och bara då går i dagens läge att byta hjulparet på loket. Sen när hjulbyten är klart

görs processen baklänges och loket är så småningom klart för trafik igen. Allt detta krångel

gör att hela processen av hjulparbyte tar väldigt lång tid, uppåt en vecka, och därför det blir

lönsammare för företaget att leja bort hjulparbyten till andra verkstäder eftersom resurser

saknar idag på TÅGAB för att utföra denna operation. På det visset kan de inte vara

konkurrenskraftiga gentemot andra företag och dessutom måste de betala andra företag för

(11)

Sida 11 av 81

hjulparbyten. Genom att tillverka egen lyftdon skulle hela jobbet göras i egen verkstad,

särskild nu när de har byggt en ny och modern verkstad med nya lyftbockar som kan lyfta högre, då kan de minska tiden för hjulbyte från cirka en vecka till cirka en dag, utöver sparar de mycket pengar som annars skulle de ha betalat andra företag. För att försöka utföra detta uppdrag på TÅGAB och hitta på en lösning på deras problem behövdes flera besök i deras verkstad i Kristinehamn för att se deras utrustning i både nya och gamla verkstäderna samt titta närmare på Rc2-loket, Markus Blidh som är ansvarig med tekniska supporten på TÅGAB och gör bl.a. ritningar och föreskrifter, riskanalyser och konstruktionsarbete vid

ombyggnader, fungerar även som tekniskt stöd åt personalen i verkstaden, han visade runt och förklarade hur processen för hjulbyte utförs idag och hur skulle de vilja att den ska utföras i framtiden. Förutom Markus fanns till förfogande en mycket erfaren och kunnig arbetare som hjälpte och svarade på alla frågor nämligen Clas Mörk, han jobbar med underhåll, reparation och felsökning på främst Rc2-lok. Är även instruktör för utbildning av annan personal.

Vid olika besök som gjordes på TÅGAB i Kristinehamn, kördes ett lok in i verkstäderna både i den nya som i den gamla för att göra alla mätningar som krävdes för att bygga en prototyp av lyftdonet. Det har inte varit så enkelt att komma på något lyftdon eftersom det fanns inget lyftdon där i verkstaden för att försöka förbättra den eller åtminstone se hur en sådant ser ut.

Eftersom uppdragstagaren aldrig har sett hur ett sådan lyftdon ser ut var ingen lätt uppgift att hitta på ett helt ny koncept. Fastän googlades enorm mycket på nätet med både svensk, engelsk och rumänskt sökord lyckades inte hitta någonting som liknande ett lyftdon för lyfte av lok och som kunde ha hjälpt för att få en aning om hur ett lyftdon ser ut och används, på så sätt hade underlättat mycket utformningen av lyftdonet. Men som tur var att uppdragstagaren gick på järnvägskola i Rumänien en yrkesutbildning där bland annat gjorde praktik nära gränsen med Sovjet Unionen där byttes boggier på godsvagnar som åkte över gränsen från och till Sovjet Unionen eftersom spårvidden på Sovjet Unionens järnvägar var större än i de flesta europeiska länderna så byttes boggina där, se tabell 1. Detta gjorde att uppdragstagaren hade redan en massa kunskaper och mycket erfarenhet angående boggibyte och därför tycker uppdragstagaren att detta examensarbete passade perfekt honom och erfarenheten som han fick när han jobbade på järnvägen hjälpte honom att förstå hur hela processen för boggibyte fungerar och vad som krävs för att lösa TÅGABs problem.

2.1 Spårvidd

Spårvidden uttrycker avståndet mellan rälerna på ett järnvägsspår. Spårvidden mäts mellan rälshuvudenas innerkanter 14mm under överkanten. Storbritannien, som byggde sina första järnvägar mycket tidigt och som också exporterade lokomotiv, valde avståndet 5 fot (1524 mm) mellan ytterkanterna på rälsen, se figur 2. I Ryssland anlitades amerikanen George Washington Whistler när första banan mellan St Petersburg och Moskva byggdes. Han

föreslog 5 fot (1524 mm, räknat mellan rälsens innerkanter) vilket senare avrundades till 1520

mm och sedermera blev standard ända bort till Stilla Oceanen.

(12)

Sida 12 av 81

Tabell 1. De vanligaste spårvidderna

1435 mm - 720 000 km.

1520 mm - 220 000 km (Ryssland).

1000 mm - 95 000 km (Indien mm).

1668 mm - 14 337 km (Spanien och Portugal).

1600 mm - 9 800 km (Australien, Irland, Brasilien, med flera).

Figur 2. Spårvidden “Gauge” på engelska.

2.2

Boggi

Boggi - kallas den anordning som sitter under en vagn eller fordon med vanligen fyra hjul i syfte att sprida fordonets last på fler axlar och därmed minska axeltrycket, öka lastförmågan och förbättra kurvtagningen. En drivboggi är en boggi där en eller flera av axlarna drivs av motorer. Motsatsen, en boggi som är försedd med axlar och hjul som bara rullar med, heter löpboggi. Och en boggi som sitter mellan två vagnar och delas av de två heter Jakobsboggi.

En boggi som sitter under ett Rc2-lok och som används av TÅGAB väger ungefär 18 ton.

(13)

Sida 13 av 81

Figur 3. Skissen på boggin som sitter under ett Rc2-lok.

(14)

Sida 14 av 81

2.3 Rc2-lok

Figur 4. Ett Rc2-lok.

Den andra versionen, en förbättrad Rc, började levereras 1969 och de sista Rc2 levererades 1975. Österrikiska järnvägarna lånade 1970 Rc2 1049 får att testa om tyristorlok kunde effektivisera trafiken på bergigare linjer. Testkörningarna visade att så var fallet och resulterade i en order på 10 lätt modifierade Rc2 som i Österrike fick littera 1043. Lok nummer 5 skadades svårt vid en verkstadsolycka och blev därefter reservdelsförråd, de nio kvarvarande köptes 2001 av TÅGAB och används nu av TÅGAB och Banverket. Lok nummer 4 skadades allvarligt vid en brand 2008 och det är dagsläget osäkert vad som kommer hända med loket. De österrikiska Rc2-loken skiljer sig från de svenska bland annat genom andra strömavtagare och tre strålkastare istället för fyra. De 7 sista levererade

österrikiska Rc2-loken har elektrisk motståndsbroms. Ett sådant RC2-lok som dem köpta från Österrikiska järnvägarna och som används idag på TÅGAB väger ungefär 82 ton.

2.4 Redskap för lyfte av Rc2-lok

För att lyfta upp ett sådant Rc2-lok som väger cirka 82 ton behövs vissa redskap nämligen 4 tjocka bultar och 4 lyftbockar.

2.4.1 Bultar

För att lyfta upp ett lok behöver man förutom en modern och välutrustad verkstad även några andra komponenter, såsom 4 stycken bultar med diametern 110 mm och längden 485.

Bultarna förs in i de 4 hål som finns hos varje sådan Rc2-lok (2 på varje sidan), se figur 4.

(15)

Sida 15 av 81

Bultarna har en säkerhetsåtgärd som gör att dem kan stoppas in eller tas ut bara på en enda sätt nämligen de måste vridas upp och ner körs in/ut sedan vrids de tillbaka.

Figur 5. Bultar för lyfte av Rc2-loket

2.4.2 Lyftbockar

En lyftbock är ett redskap för lyfte av tågvagnar, lok m.m. som består i huvudsak, förutom ramen, av en elektrisk motor, en arm (som sätts under bulten vid lyfte av lok) och en vertikal skruv som omvandlar rotationsrörelsen från motor till linjärrörelse.

Figur 6. Ny lyftbock (vänster) och gammal lyftbock (höger).

(16)

Sida 16 av 81

Tidigare hade de på TÅGAB ett problem eftersom lyftbockarna som de använde för att lyfta upp loket från marken, se figur 6 höger, inte lyfte högt nog för att få ut hjulparen utan att de var tvungna att demontera lokets plogar. I samband med att de byggde en ny verkstad införskaffade de nya lyftbockar med en högre lyfthöjd, se figur 6 vänster.

2.5 Utformning, Dimensionering och FEM analys

Eftersom TÅGAB aldrig hade haft ett sådant lyftdon och det gick inte att hitta någon liknande på nätet heller så problemet var stor i början angående hur ska lyftdonet formas ut, var ska det fästs m.m. och sådana frågor var många Dimensioneringen och utformningen av lyftdonet för lyfte av Rc2-lok med boggier gjordes efter att beslut togs på några viktiga frågor nämligen:

1. Var skulle den fästas för att lyfta upp loket?

– På bulten?

– Eller på lyftbockens arm?

2. Varifrån kan lyftdonet lyfta upp boggin?

3. Hur ska lyftdonet formas ut?

Efter några besök på TÅGABs verkstad i Kristinehamn och många sömnlösa nätter beslut togs att lyftdonet ska sättas på bulten. Den ska lyfta boggin någonstans i mitten av boggin, se figur 7, och för utseende modellerades några olika modeller i ProEngineer och sedan testades modelerna i ProEngineer Mechanica. Av dem olika modellerna visade sig en som var ganska bra och tålde en ganska stor belastning, alla ritningar gjordes och vid återbesök på TÅGABs verkstad i Kristinehamn kördes som vanligt ett lok in i verkstaden för att se om alla mått passar på den modellerade lyftdonet så det visade sig att djupet på lyftdonet var 20 mm för stor därför behövde göras lite ändringar på lyftdonets mått men under förutsättningen att lyftdonen ska tåla minst samma belastning.

En prototyp är en produkt som bara finns i ett eller ett fåtal exemplar, en begränsad tillverkningsserie av en produkt vilken man kör för att kunna testa, lansera och marknadsföra produkten i fråga, innan man börjar med massproduktion.

Efter att alla ändringar som krävdes gjordes på modellen slutligen blev det ett helt ny koncept

med en helt ny utseende, se figur 8. Sedan tillverkades en prototyp av trä i verkstaden på

Karlstads Universitet och när den blev klart var det dags att kolla igen om den passar i

TÅGABs verkstaden för att se om alla mått var korrekta. Gjordes samma rutiner som förut

nämligen, vi körde ett lok in i den nya verkstaden och sen testade vi prototypen. Prototypen

passade nästan perfekt, enda saken som de på TÅGAB tyckte, var att lämnades lite för mycket

tolerans ovanpå bulten 10 mm och de tyckte att det skulle gå bra med bara 5 mm, så detta

problem åtgärdades och sedan skickades dem nya ritningarna för tillverkning av lyftdonet till

TÅGAB.

(17)

Sida 17 av 81

För att kunna dimensionera lyftdonet för de olika testerna simulerades de olika modellerna med hjälp av Finita Element Metoden s.k. FEM - analys. FEM finita elementsmetoden, är en numerisk metod för att beräkna partiella differentialekvationer, med vars hjälp man beräknar hållfasthet. Programmet som använts var ProEngineer Mechanica. En boggi väger ungefär 18 000 kg delad med 2 lyftdon det blir 9 000 kg alltså 90 kN last per lyftdon, förutom boggins vikt måste man räkna med en nästan lika stor kraft som boggins vikt nämligen fjädrarnas kraft, eftersom i vanliga fall är de ihop tryckta av lokets vikt men när loket lyfts upp så försöker fjädrarna ta den ursprungliga formen och då blir belastningen sammanlagt ungefär 200 kN.

Först testades lyftdonet med 200 kN belastning, sen eftersom det finns visa säkerhetskrav i svensk standard SS-EN 13155+A2:2009 [8] angående sådana redskap avsedda för lyftning så simulerades lyftdonet även med 400 kN och sen med 600 kN belastning.

Figur 7. Plats för lyfte av boggi

(18)

Sida 18 av 81

3 Resultat

Lyftdonets huvudsakliga uppgift är att lyfta upp boggierna samtidigt som loket lyfts upp och klara av boggins vikt samt fjädrarnas kraft. Lyftdonet formades på så sätt att den ska vara lätt att tillverka och att den går att hantera, alltså ha rimliga vikt så att max 2 personer lyfter upp den och fäster den på den avsedda platsen, att vara säkert samt att få lyftdonet godkänd av besiktningsorganen.

3.1 Koncept på lyftdonet

Efter flera försök och många ändringar så kom fram till den slutgiltiga versionen av lyftdon, se figur 8. Hela lyftdonet består av flera delar som ska svetsas ihop och sedan svetsen ska tig behandlas för att undvika sprickbildning i materialet.

Figur 8. Lyftdonet fram- och bakifrån

3.1.1 Lyftdon

Lyftdonet är tillverkat av 25 mm stålplåt, formen på lyftdonet ska först skäras av

med hjälp av

vattenskärning

eller laser

skärning, sedan bockas till önskat form. Lyftdonet har en speciell form

som minskar spänningskoncentrationerna i dem mest påfrestade områden. Lyftdonet ska

(19)

Sida 19 av 81

vattenskäras eller laserskäras till satta mått sen ska den bockas till de angivna vinklarna som finns i ritningar.

Figur 9. Lyftdon

3.1.2 Extrafötter

Höger- och vänsterextrafot tillverkade av 15 mm stålplåt, deras roll är att stärka lyftdonet i

den mest utsatta punkten och såväl lyftdonets fötter som extrafötterna har också rollen som

distanser mellan T-profilen och plåten som är svetsad på fjädrarnas support se gröna pilarna i

figur 7. Extrafötterna ska vattenskäras eller laserskäras till de angivna mått och sen svetsas de

på lyftdonet, slutligen tig behandlas svetsen.

(20)

Sida 20 av 81

Figur 10. Höger och vänster extrafötter

3.1.3 Förstärkning

Förstärkning är tillverkad av 25 mm stålplåt, den har rollen att hålla ihop lyftdonet med extrafötterna och stödja dem, är en extrasäkerhet ifall någon del av lyftdonet skulle ge vika och ökar lyftdonets hållfasthet i dem mest utsatta punkterna samt sprider spännigarna orsakade av lasten på nästan hela lyftdonets yta.

Förstärkningen verkar som en fläns på lyftdonet och plåtens tjocklek gör att den tar upp ganska mycket belastning. Förstärkningen antas verka ganska mycket som belastning upptagande då den håller ihop lyftdonet med de 2 extrafötterna dessutom bidrar förstärkningen till att öka styvheten och hållfastheten ytterligare hos lyftdonet.

Förstärkningen ska vattenskäras eller laserskäras till de mått som är angivna i ritningen sen

svetsas den på lyftdonet tillsammans med extrafötterna och slutligen tig behandlas svetsen för

att förebygga sprickbildningar i materialet.

(21)

Sida 21 av 81

Figur 11. Förstärkning

3.1.4 Fäste

Fästen tillverkad av 10 mm plåt och har bara rollen att hålla lyftdonet på sin plats med hjälp av 1 eller 2 skruvar som finns på ramen hos varje boggi ovanpå det där platsen för lyfte av boggin, se figur 7, utan att någon behöver hålla den hela tiden med handen och som på detta sätt eliminerar risken för arbetsolyckor. Fästningen vattenskäras eller laserskäras till de mått som är angivna i ritningen sen borras hål och skäras bort det material som finns mellan hålen efteråt svetsas den på lyftdonet vid den angivna höjden och slutligen svetsen tig behandlas.

Figur 12. Fäste

3.1.5 Lyftdonets totala vikt

VOLUME = 5.7124194e+06 MM^3 ≈ 5,71*10

⁶

mm

^{^3}

/1000 ≈ 0,00571 m

³

*8000 kg/m

³

(stålets densitet) ≈ 45,68 kg.

3.2 FEM - analys

SVENSK STANDARD, SS-EN 13155+A2:2009 [8] – kräver bland annat:

5.1.1.1 De belastade delarna skall ha en mekanisk styrka som uppfyller följande krav:

1) skall konstrueras för att motstå en statisk belastning på tre gånger max arbetsbelastningen utan att släppa lasten även om permanent deformation uppstår;

2) skall konstrueras för att motstå en statisk belastning på två gånger max arbetsbelastningen

utan permanent deformation.

(22)

Sida 22 av 81

Därför testades lyftdonet först vid 200 kN belastning sen vid 400 kN belastning och slutligen vid 600 kN belastning. I ProEngineer Mechanica sattes belastningen och fästningen precis som i verklighet, se figur 13, sen kördes de tre simuleringarna.

Figur 13. Lastens riktning och fästningen (Restriktionen) som användes vid simuleringen

3.2.1 FEM - analys med 200 kN belastning

Alltså testades lyftdonet i ProEngineer Mechanica först med 200 kN belastning och lyftdonet

verkade klara denna belastning utan några problem och inte få så stora spänningar. Den

högsta spänningen på 806 MPa fås längst upp där lyftdonet sitter på bulten, annars är

spänningen bra fördelat på nästan hela lyftdonet, se figur 14.

(23)

Sida 23 av 81

Figur 14. Simulering med 200 kN belastning

(24)

Sida 24 av 81 3.2.2 FEM - analys med 400 kN belastning

Vid simulering med 400 en kN belastning den max spänningen fördubblades, blev 1612 MPa, på samma ställe som vid simuleringen med 200 kN belastning. Annars all spänning är ganska fin fördelat på nästan hela lyftdonet

, se figur 15

.

Figur 15. Simulering med 400 kN belastning

(25)

Sida 25 av 81 3.2.3 FEM - analys med 600 kN belastning

Precis som vid simulering med 400 kN då fördubblades spänningen längst

upp där lyftdonet sitter på bulten, samma sak hände här också spänningen tredubblades på samma ställe, alltså den blev 2418 MPa här, se figur 16.

Figur 16. Simulering med 600 kN belastning

3.3 Materialval

För materialvalet användes boken Material selektion in mechanical design samt CES EduPack programmet. Från början sållades bort alla material förutom stållegeringarna, i en av

sökningarna valdes på x-axeln densiteten och på y-axeln E-modulen, se figur 16. I den andra

sökningen valdes priset gånger densiteten på x-axeln och E- modulen på y-axeln axeln, se

figur 17. I den tredje sökningen valdes densiteten * prisen på x-axeln och E-modulen *

sträckgränsen * draghålfasthet på y-axeln, se figur 18.

(26)

Sida 26 av 81

Utgående från resultaten som kan ses i dem tre diagrammen gjordes en tabell där föreslås, i den ordningen som de är angivna i tabellen, materialet som ska användas för tillverkning av lyftdonet, se tabell 2.

Figur 17. Diagram med densiteten på x-axeln och E-modulen på y-axeln

Density (kg/m^3)

7.6e3 7.65e3 7.7e3 7.75e3 7.8e3 7.85e3 7.9e3 7.95e3 8e3

Young's modulus (Pa)

180e9 190e9 200e9 210e9 220e9 230e9 240e9 250e9

Low alloy steel, AISI 4130, annealed

Carbon steel, AISI 1117, as rolled Intermediate alloy, Fe-5Cr-Mo-V aircraft steel, quenched & tempered

Low alloy steel, AISI 5140, tempered at 425°C & oil quenched

Carbon steel, AISI 1060, tempered at 540°C & oil quenched

(27)

Sida 27 av 81

Figur 18. Diagram med densiteten prisen på x-axeln och E-modulen på y-axeln*

Figur 19. Diagram med densiteten * prisen på x-axeln och E-modulen * sträckgränsen * draghålfastheten på y-axeln.

Density * Price

30e3 35e3 40e3 45e3 50e3 55e3 60e3

Young's modulus (Pa)

180e9 190e9 200e9 210e9 220e9 230e9 240e9 250e9

Carbon steel, AISI 1015, annealed

Carbon steel, AISI 1020, as rolled

Carbon steel, AISI 1118, annealed Carbon steel, AISI 1117, annealed Carbon steel, AISI 1030, tempered at 540°C & H2O quenched

AISI 1010, annealed

(28)

Sida 28 av 81

Tabell 2. Förslag på material för tillverkning av lyftdonet (förstora om du vill se tydligare).

Namn Density[kg/m^3] Price{SEK/kg] Young's modulus[Pa] Shear modulus[Pa] Shape factor Yield strength[Pa] Elongation% Hardness - Vickers 1Low alloy steel, AISI 5160 (tempered @ 205 C, oil quenched) 7,8e^3 - 7,9e^3 3.287-5.916 205e^9 - 213e^9 77e^9 - 83e^9 13 1.610e^9 - 1.975e^9 3 - 5 % 562.5 - 692.5 [HV]

2Low alloy steel, AISI 5160 (tempered @ 315 C, oil quenched) 7,8e^3 - 7,9e^3 3.287-5.916 205e^9 - 213e^9 79e^9 - 83e^9 13 1.590e^9 - 1.955e^9 7 - 11 % 500 - 610 [HV]

3Low alloy steel, AISI 5150 (tempered @ 205 C, oil quenched) 7,8e^3 - 7,9e^3 3.287-5.916 201e^9 - 212e^9 77e^9 - 83e^9 13 1.560e^9 - 1.900e^9 4 - 6 % 470 - 580 [HV]

4Low alloy steel, AISI 81B45 (tempered @ 205 C, oil quenched) 7,8e^3 - 7,9e^3 3.287-5.916 201e^9 - 212e^9 77e^9 - 83e^9 13 1.550e^9 - 1.900e^9 8% 495 - 605 [HV]

5Carbon steel: AISI 1340 (tempered @ 205 C, oil quenched) 7.8e3 - 7.9e3 3.287-5.916 200e^9 - 215e^9 77e^9 - 84e^9 15 1.430e^9 - 1.755e^9 8 - 14 % 455 - 555 [HV]

6Low alloy steel, AISI 5140, tempered at 425°C & oil quenched 7.8e3 - 7.9e3 6.18 - 6.8 209e^9 - 217e^9 80e^9 - 85e^9 211.05e^9 - 1.3e^9 10 - 16 % 3,24e9 - 3,97e9 [Pa]

7Carbon steel, AISI 1060, tempered at 540°C & oil quenched 7,8e^3 - 7,9e^3 5,64 -6,2 208e^9 - 216e^9 80e^9 - 85e^9 38 600e^6 - 740e^6 13 - 21 % 2.45e9 - 3.04e9 [Pa]

8Carbon steel, AISI 1030, tempered at 205°C & H2O quenched 7,8e^3 - 7,9e^3 5,33 - 5,87 208e^9 - 216e^9 80e^9 - 85e^9 39580e^6 - 715e^6 13 - 21 % 4,41e9 - 5,39e9 [Pa]

9Low alloy steel, AISI 4130, annealed 7,8e^3 - 7,9e^3 6,53-7,18 201e^9 - 216e^9 77e^9 - 85e^9 57320e^6 - 400e^6 22 - 34 % 1,42e9 - 1,81e9 [Pa]

10Carbon steel, AISI 1030, annealed 7,8e^3 - 7,9e^3 5,33 - 5,87 208e^9 - 216e^9 80e^9 - 85e^9 59305e^6 - 375e^6 25 - 38 % 1,18e9 - 1,42e9 [Pa]

15AISI 1010, annealed 7,8e^3 - 7,9e^3 4,7 - 5,59 205e^9 - 215e^9 79e^9 - 84e^9 64172e^6 - 315e^6 29 - 45 % 863e^6 - 1250e^6 [Pa]

Eftersom det finns vissa krav angående Lyftkranar – Säkerhet – Lösa lyftredskap som heter SVENSK STANDARD, SS-EN 13155+A2:2009 [8] där bland annat krävs att de belastade delarna skall ha en mekanisk styrka som uppfyller följande krav:

1) skall konstrueras för att motstå en statisk belastning på tre gånger max arbetsbelastningen utan att släppa lasten även om permanent deformation uppstår;

2) skall konstrueras för att motstå en statisk belastning på två gånger max arbetsbelastningen utan permanent deformation.

Vid simulering med en belastning på 200 kN så blev högsta spänningen på 806 MPa längst upp där lyftdonet sitter på bulten,

vid simulering med 400 en kN belastning max spänningen fördubblades, blev 1612 MPa på samma ställe och vid simulering med 600 kN

hände samma sak här också spänningen tredubblades på samma ställe, alltså den blev 2418 MPa här. Utifrån dessa uppgifter kan ses att materialen som valdes i tabell 3 uppfyller SS-EN 13155+A2:2009 kraven.

Alltså valda materialen kan

motstå en statisk belastning på två gånger max

arbetsbelastningen utan permanent deformation och vid en statisk belastning på tre gånger max arbetsbelastningen kan permanent deformation uppstår.

Dem bästa materialen för tillverkning av lyftdonet, från tabell 2, är de 4 första i den ordning som är given i tabell 3:

Tabell 3. De bästa material för tillverkning av lyftdonet

(29)

Sida 29 av 81

4 Utvärdering

Resultatet av projektet är en färdig konstruktionslösning med riningar och allt som uppfyller de ställda kraven. Den konstruktionen har en totalvikt på ca 45,68 kg och en ganska stor hållfasthet och styrka. Montering av lyftdonet inför hjulparbytet ske ganska enkelt, 1 eller 2 arbetare lyfter upp lyftdonet sätter den på den avsedda platsen, se figur 20, sedan fästs den med 1 eller 2 skruvar som säkerhetsåtgärd, se figur 20.

Tillverkningen av lyftdonet är inte så dyr då materialet är ganska billigt kostar mellan

3,287 – 5,916 kr/kg

och dessutom tar inte lång tid att genomföra tillverkningen. Alla förslag på

konstruktionen är dock nödvändiga om man skall kunna ha det kompletta lyftdonet med en hög hållfasthet och styrka.

5 Slutsatser

Idén är värd att utreda vidare och försöka förbättra, fördelarna är många med ett sådant lyftdon. Även arbetsmiljön blir bättre då arbetarna på TÅGAB och andra företag slipper att snubbla på olika komponenter från loket som demonteras inför hjulparbyten och måste ligga där i verkstaden tills hjulparbyten är utförd och loket är

klart för trafik igen

dessutom

effektiviteten är mycket högre än som var innan. Värt att notera är dock att lyftdonet inte tar för mycket plats och väger inte så mycket fastän den kommer att tåla en avsevärd belastning.

Om ovanstående konstruktions genomförs ses inga hinder i

demonteringsprocessen/monteringsprocessen till en komplett utrustning för att utföra hela hjulparbytet operationen och spara massa tid och pengar särskild nu när de på TÅGAB har en ny verkstad med nya och moderna lyftbockar. Förutom att de på TÅGAB kan göra

hjulparbytet på egna lok så kan de även byta hjul på andra företags lok och tjäna extra pengar med samma arbetsstyrka.

Eftersom tidsbesparingen visar sig vara stor nog för att eventuellt kunna tillämpa ”just in time” på detta sätt skulle mellanlagringen helt slopas. Man beställer ju hjul då man bestämmer sig att byta dem, sen kör man loket i verkstaden på morgon och på kvällen är loket

klart för trafik igen.

Antas att lyftdonet uppfyller förutom det praktiska kravet även de estetiska kraven också, alla på TÅGAB som såg lyftdonet blev förtjusta av modellens form.

Lyftdonets form är mycket bra och tål stora belastningar, det som kan förbättras är att sätta lite

förstärkningar där det blir höga spänningar och hitta ett lättare material som har minst lika bra

mekaniska egenskaper som dem föreslagna materialen, se tabell 2.

(30)

Sida 30 av 81

Figur 20. Prototypen och platsen där lyftdonet sätts och fästs inför hjulparbyte

(31)

Sida 31 av 81

6 Tackord

Jag skulle vilja tacka till följande personer på Karlstads universitet som har hjälpt till mig under projektets gång.

 Nils Hallbäck

 Hans Johansson

 Lars Jacobsson

Jag skulle även vilja tacka till följande personer från TÅGAB som hjälpte mig med mitt examensarbete:

 Markus Blidh, teknisk support.

Gör bl.a. ritningar och föreskrifter, riskanalyser och konstruktionsarbete vid ombyggnader.

Fungerar även som tekniskt stöd åt personalen i verkstaden.

 Clas Mörk, felsökare.

Jobbar med underhåll, reparation och felsökning på främst Rc2-lok. Är även instruktör för

utbildning av annan personal.

(32)

Sida 32 av 81

7 Referenslista

1.

CES Edupac version 5.0

2.

CES EduPack 2009

3.

Ashby, M. Materials Selection in Mechanical Design. Butterworth-Heinemann 2005 third edition.

4. (< http://www.tagakeriet.se/index.htm>)

5. (< http://sv.wikipedia.org/wiki/Examensarbete>)

6. Sundström, J., Bjärnemo, R. & Andersson, P. (2000). Konstruktiv utformning Del 1: Syntes.

Lunds Tekniska Högskola.

7. Bjärnemo, R. & Andersson, P. (2000). Konstruktiv utformning Del 1: Analys och Optimering.

Lunds Tekniska Högskola.

8. SS-EN 13155+A2:2009. Lyftkranar - Säkerhet - Lösa lyftredskap. Stockholm: SVENSK STANDARD

9.

ProEngineer

10.

ProEngineer Mechanica

(33)

Sida 33 av 81

8 Bilagor

8.1 Bilaga 1: Ritningar

(34)

Sida 34 av 81

(35)

Sida 35 av 81

(36)

Sida 36 av 81

(37)

Sida 37 av 81

(38)

Sida 38 av 81

(39)

Sida 39 av 81

(40)

Sida 40 av 81

(41)

Sida 41 av 81

8.2 Bilaga 2: FEM - analys

(42)

Sida 42 av 81

(43)

Sida 43 av 81

(44)

Sida 44 av 81 8.3

Bilaga 3: TÅGABs organisations plan.

(45)

Sida 45 av 81

8.4 Bilaga 4: Prototypen

(46)

Sida 46 av 81

(47)

Sida 47 av 81

(48)

Sida 48 av 81

(49)

Sida 49 av 81

(50)

Sida 50 av 81

(51)

Sida 51 av 81

8.5 Bilaga 5: Materialval

8.5.1 Low alloy steel, AISI 5160 (tempered @ 205 C, oil quenched)

General

Designation

Low alloy steel, AISI 5160 (tempered @ 205 C, oil quenched)

Density 7800 - 7900 kg/m^3

Price 3.287 - 5.916 SEK/kg

CO2 creation * 1.49 - 1.65 kg/kg

Production Energy * 23.7 - 26.2 MJ/kg

Recycle Fraction * 0.7 - 0.8

Tradenames

XK5160S, Steelmark-Eagle & Globe (AUSTRALIA); XK5155S, Steelmark-Eagle & Globe (AUSTRALIA);

Composition

Composition (Summary)

Fe/.56-.64C/.7-.9Cr/.75-1Mn/.15-.3Si/<.035P/<.04S

Base Fe (Iron)

C (Carbon) 0.56 - 0.64 %

Cr (Chromium) 0.7 - 0.9 %

Fe (Iron) 97.09 - 97.84 %

Mn (Manganese) 0.75 - 1 %

P (Phosphorus) 0 - 0.035 %

S (Sulphur) 0 - 0.04 %

Si (Silicon) 0.15 - 0.3 %

Mechanical

Bulk Modulus 158 - 174 GPa

Compressive Strength 1610 - 1975 MPa

Elongation 3 - 5 %

Elastic Limit 1610 - 1975 MPa

Endurance Limit * 694 - 801 MPa

Fracture Toughness * 24 - 50 MPa.m^1/2

Hardness - Vickers 562.5 - 692.5 HV

Loss Coefficient * 1.9e-4 - 2.4e-4

Modulus of Rupture 1610 - 1975 MPa

Poisson's Ratio 0.285 - 0.295

Shape Factor 13

Shear Modulus 79 - 83 GPa

Tensile Strength 1995 - 2445 MPa

Young's Modulus 205 - 213 GPa

Thermal

Maximum Service Temperature * 165 - 195 °C

Melting Point 1382 - 1491 °C

Minimum Service Temperature * -43 - -13 °C

Specific Heat * 440 - 520 J/kg.K

Thermal Conductivity * 41 - 48 W/m.K

Thermal Expansion * 11.5 - 13 µstrain/°C

Electrical

Resistivity * 22 - 30 µohm.cm

Optical

Transparency Opaque

Durability

Flammability Very Good

Fresh Water Good

Organic Solvents Very Good

Oxidation at 500C Good

Sea Water Average

(52)

Sida 52 av 81

Strong Acid Poor

Strong Alkalis Average

UV Very Good

Wear Very Good

Weak Acid Average

Weak Alkalis Good

Notes

Typical Uses

General construction; general mechanical engineering; automotive; tools; axles; gears; springs.

Reference Sources

Data compiled from multiple sources. See links to the References table.

Links

Reference Shape

Structural Sections Producers

ProcessUniverse

(53)

Sida 53 av 81 8.5.2 Low alloy steel, AISI 5160 (tempered @ 315 C, oil quenched)

General

Designation

Density 7800 - 7900 kg/m^3

Price 3.287 - 5.916 SEK/kg

Tradenames

Composition

Fe/.56-.64C/.7-.9Cr/.75-1Mn/.15-.3Si/<.035P/<.04S

Base Fe (Iron)

C (Carbon) 0.56 - 0.64 %

Fe (Iron) 97.09 - 97.84 %

S (Sulphur) 0 - 0.04 %

Si (Silicon) 0.15 - 0.3 %

Mechanical

Elongation 7 - 11 %

Hardness - Vickers 500 - 610 HV

Loss Coefficient * 2e-4 - 2.5e-4

Shape Factor 13

Thermal

Thermal Expansion * 11.5 - 13 µstrain/°C

Electrical

Optical

Transparency Opaque

Durability

Fresh Water Good

Sea Water Average

Strong Acid Poor

(54)

Sida 54 av 81

UV Very Good

Wear Very Good

Weak Acid Average

Weak Alkalis Good

Notes

Typical Uses

Links

Reference Shape

ProcessUniverse

(55)

Sida 55 av 81 8.5.3 Low alloy steel, AISI 5150 (tempered @ 205 C, oil quenched)

General

Designation

Density 7800 - 7900 kg/m^3

Price 3.287 - 5.916 SEK/kg

Tradenames

Composition

Fe/.48-.53C/.7-.9Cr/.7-.9Mn/.15-.3Si/<.035P/<.04S

Base Fe (Iron)

C (Carbon) 0.48 - 0.53 %

Fe (Iron) 97.3 - 97.97 %

Mn (Manganese) 0.7 - 0.9 %

S (Sulphur) 0 - 0.04 %

Si (Silicon) 0.15 - 0.3 %

Mechanical

Elongation 4 - 6 %

Shape Factor 13

Thermal

Thermal Expansion 12 - 13.5 µstrain/°C

Electrical

Optical

Transparency Opaque

Durability

Fresh Water Good

Sea Water Average

Strong Acid Poor

(56)

Sida 56 av 81

UV Very Good

Wear Very Good

Weak Acid Average

Weak Alkalis Good

Notes

Typical Uses

Links

Reference Shape

ProcessUniverse

(57)

Sida 57 av 81 8.5.4 Low alloy steel, AISI 81B45 (tempered @ 205 C, oil quenched)

General

Designation

Low alloy steel, AISI 81B45 (tempered @ 205 C, oil quenched)

Density 7800 - 7900 kg/m^3

Price 3.287 - 5.916 SEK/kg

Tradenames

SHARON 8600 SERIES B, Sharon Steel Corp. (USA);

Composition

Fe/.43-.48C/.35-.55Cr/.2-.4Ni/.75-1Mn/.15-.3Si/.08-.15Mo/P,S,B traces

Base Fe (Iron)

B (Boron) 0 %

C (Carbon) 0.43 - 0.48 %

Cr (Chromium) 0.35 - 0.55 %

Fe (Iron) 97.12 - 98.04 %

Mo (Molybdenum) 0.08 - 0.15 %

Ni (Nickel) 0.2 - 0.4 %

P (Phosphorus) 0 %

S (Sulphur) 0 %

Si (Silicon) 0.15 - 0.3 %

Mechanical

Elongation 8 - 12 %

Shape Factor 13

Thermal

Thermal Expansion 11 - 13.5 µstrain/°C

Electrical

Optical

Transparency Opaque

Durability

Fresh Water Good

Sea Water Average

(58)

Sida 58 av 81

Strong Acid Poor

UV Very Good

Wear Very Good

Weak Acid Average

Weak Alkalis Good

Notes

Typical Uses

Links

Reference Shape

ProcessUniverse

(59)

Sida 59 av 81 8.5.5 Carbon steel, AISI 1340 (tempered @ 205 C, oil quenched)

General

Designation

Carbon steel: AISI 1340 (tempered @ 205 C, oil quenched)

Density 7800 - 7900 kg/m^3

Price 3.287 - 5.916 SEK/kg

CO2 creation 2 - 2.21 kg/kg

Production Energy 23.4 - 25.8 MJ/kg

Tradenames

ROC 250, Astralloy Wear Technology Corp. (USA); XK1345, Steelmark-Eagle & Globe (AUSTRALIA);

XK1340, Steelmark-Eagle & Globe (AUSTRALIA); XK1335, Steelmark-Eagle & Globe (AUSTRALIA);

A-1203, AFORA (Aceros Afora S.A.) (SPAIN);

Composition

Fe/.38-.43C/1.6-1.9Mn/.15-.35Si/<.035P/<.04S

Base Fe (Iron)

C (Carbon) 0.38 - 0.43 %

Fe (Iron) 97.25 - 97.87 %

Mn (Manganese) 1.6 - 1.9 %

S (Sulphur) 0 - 0.04 %

Si (Silicon) 0.15 - 0.35 %

Mechanical

Elongation 8 - 14 %

Loss Coefficient * 2.2e-4 - 2.8e-4

Shape Factor 15

Thermal

Minimum Service Temperature * -8 - 22 °C

Thermal Expansion * 11 - 13 µstrain/°C

Electrical

Optical

Transparency Opaque

Durability

Fresh Water Good

Sea Water Average

Strong Acid Poor

(60)

Sida 60 av 81

UV Very Good

Wear Very Good

Weak Acid Average

Weak Alkalis Good

Notes

Typical Uses

Links

Reference Shape

ProcessUniverse

(61)

Sida 61 av 81 8.5.6 Low alloy steel, AISI 5140, tempered at 425°C & oil quenched

General properties

Designation

UNS number G51400

Density 7.8e3 - 7.9e3 kg/m^3

Price * 6.18 - 6.8 SEK/kg

Tradenames

A-1200, AFORA (Aceros Afora S.A.) (SPAIN);

Composition overview

Composition (summary)

Fe/.38-.43C/.7-.9Cr/.7-.9Mn/.15-.3Si/<.035P/<.04S

Base Fe (Iron)

Composition detail

C (carbon) 0.38 - 0.43 %

Cr (chromium) 0.7 - 0.9 %

Fe (iron) 97.4 - 98.1 %

Mn (manganese) 0.7 - 0.9 %

P (phosphorus) 0 - 35e-3 %

S (sulfur) 0 - 40e-3 %

Si (silicon) 0.15 - 0.3 %

Mechanical properties

Young's modulus 209e9 - 217e9 Pa

Shear modulus 80e9 - 85e9 Pa

Bulk modulus 162e9 - 177e9 Pa

Poisson's ratio 0.285 - 0.295

Shape factor 21

Yield strength (elastic limit) 1.05e9 - 1.3e9 Pa

Tensile strength 1.18e9 - 1.44e9 Pa

Compressive strength 1.05e9 - 1.3e9 Pa

Flexural strength (modulus of rupture) 1.05e9 - 1.3e9 Pa

Elongation 10 - 16 %

Hardness - Vickers 3.24e9 - 3.97e9 Pa

Fatigue strength at 10^7 cycles * 480e6 - 553e6 Pa

Fatigue strength model (stress range) * 310e6 - 431e6 Pa

Parameters: Stress Ratio = 0, Number of Cycles = 10e6

Fracture toughness * 36e6 - 63e6 Pa.m^1/2

Mechanical loss coefficient (tan delta) * 300e-6 - 380e-6

Thermal properties

Melting point 1.71e3 - 1.78e3 K

Maximum service temperature * 658 - 688 K

Minimum service temperature * 215 - 240 K

Thermal conductivity 44 - 49 W/m.K

Specific heat capacity 430 - 480 J/kg.K

Thermal expansion coefficient 12e-6 - 13.5e-6 /K

Latent heat of fusion * 265e3 - 280e3 J/kg

Electrical properties

Electrical resistivity 200e-9 - 260e-9 ohm.m

Optical properties

Transparency Opaque

Durability: flammability

Flammability Non-flammable

Durability: fluids and sunlight

Water (fresh) Acceptable

Water (salt) Limited use

Weak acids Limited use

(62)

Sida 62 av 81

Strong acids Unacceptable

Weak alkalis Acceptable

Strong alkalis Limited use

Organic solvents Excellent

UV radiation (sunlight) Excellent

Oxidation at 500C Acceptable

Primary material production: energy, CO2 and water

Embodied energy, primary production 32e6 - 38e6 J/kg

CO2 footprint, primary production 2.01 - 2.22 kg/kg

Water usage 36.9e-3 - 0.111 m^3/kg

Material processing: energy

Casting energy * 3.95e6 - 4.37e6 J/kg

Forging, rolling energy * 3.92e6 - 4.34e6 J/kg

Metal powder forming energy * 13.2e6 - 14.6e6 J/kg

Vaporization energy * 24.4e6 - 27e6 J/kg

Conventional machining energy (per unit wt removed) * 7.79e6 - 8.61e6 J/kg Non-conventional machining energy (per unit wt removed) * 45.8e6 - 50.7e6 J/kg

Material processing: CO2 footprint

Casting CO2 * 0.237 - 0.262 kg/kg

Forging, rolling CO2 * 0.314 - 0.347 kg/kg

Metal powder forming CO2 * 1.06 - 1.17 kg/kg

Vaporization CO2 * 1.95 - 2.16 kg/kg

Conventional machining CO2 (per unit wt removed) * 0.623 - 0.689 kg/kg Non-conventional machining CO2 (per unit wt removed) * 3.66 - 4.06 kg/kg

Material recycling: energy, CO2 and recycle fraction

Recycle True

Embodied energy, recycling * 9.28e6 - 10.3e6 J/kg

CO2 footprint, recycling * 0.562 - 0.621 kg/kg

Recycle fraction in current supply 39.9 - 44 %

Downcycle True

Combust for energy recovery False

Landfill True

Biodegrade False

A renewable resource? False

Notes

Typical uses

(63)

Sida 63 av 81 8.5.7 Carbon steel, AISI 1060, tempered at 540°C & oil quenched

General properties

Designation

Carbon steel: AISI 1060 (tempered @ 540 C, oil quenched)

UNS number G10600

Density 7.8e3 - 7.9e3 kg/m^3

Price * 5.64 - 6.2 SEK/kg

Composition overview

Composition (summary) Fe/.55-.65C/.6-.9Mn/<.04P/<.05S

Base Fe (Iron)

Composition detail

C (carbon) 0.55 - 0.65 %

Fe (iron) 98.4 - 98.9 %

Mn (manganese) 0.6 - 0.9 %

P (phosphorus) 0 - 40e-3 %

S (sulfur) 0 - 50e-3 %

Mechanical properties

Young's modulus 208e9 - 216e9 Pa

Shear modulus 80e9 - 85e9 Pa

Bulk modulus 161e9 - 176e9 Pa

Poisson's ratio 0.285 - 0.295

Shape factor 38

Yield strength (elastic limit) 600e6 - 740e6 Pa

Tensile strength 865e6 - 1070e6 Pa

Compressive strength 600e6 - 740e6 Pa

Flexural strength (modulus of rupture) 600e6 - 740e6 Pa

Elongation 13 - 21 %

Hardness - Vickers 2.45e9 - 3.04e9 Pa

Fatigue strength at 10^7 cycles * 386e6 - 448e6 Pa

Fatigue strength model (stress range) * 242e6 - 340e6 Pa

Parameters: Stress Ratio = 0, Number of Cycles = 10e6

Fracture toughness * 37e6 - 61e6 Pa.m^1/2

Mechanical loss coefficient (tan delta) * 470e-6 - 590e-6

Thermal properties

Melting point 1.65e3 - 1.77e3 K

Maximum service temperature * 578 - 618 K

Minimum service temperature * 230 - 255 K

Thermal conductivity 48 - 53 W/m.K

Specific heat capacity 480 - 520 J/kg.K

Thermal expansion coefficient 10e-6 - 12e-6 /K

Latent heat of fusion * 270e3 - 275e3 J/kg

Electrical properties

Electrical resistivity 170e-9 - 200e-9 ohm.m

Optical properties

Transparency Opaque

Durability: flammability

Flammability Non-flammable

Durability: fluids and sunlight

Water (fresh) Acceptable

Water (salt) Limited use

Weak acids Limited use

Strong acids Unacceptable

Weak alkalis Acceptable

Strong alkalis Limited use

Organic solvents Excellent