Martin Egelstig 2015-‐06-‐2
Examensarbete, 15 hp
Konstruktiv utformning av vikplog
Utredning och förbättring av en befintlig produkt
Martin Egelstig
Förord
Detta arbete är det sista jag gör för att ta min högskoleexamen inom maskinteknik vid Umeå Universitet 180 hp. Arbetet har genomförts hos företaget Swekip Sweden som jag skulle vilja tacka för att de har gett mig chansen att genomföra detta projekt.
Ett speciellt stort tack till min handledare hos Swekip, Tobias Bodén Lundberg som har gett bra feedback på mitt arbete och varit ett bra bollplank för idéer när det behövts.
Vill även tacka min handledare vid universitetet, Lars Bygdén som hjälpt till med projektets struktur och rapportens upplägg.
Det här projektet har gett mig en större inblick i hur arbetet kan se ut för en konstruktör och har varit både kul och lärorikt.
Sammanfattning
I detta projekt utreds och förbättras en vikplog åt företaget Swekip Sweden. Vikplogen används till snöröjning men har visat sig ha brister i dess konstruktion, den går sönder och lever inte upp till de önskade målen. Detta beror på att produkten beställs från ett företag i Kina där de har svårt att förstå syftet med plogen.
Till en början utreds den befintliga plogen, alla brister fastställs och undersöks, vad är fel och vad behöver förbättras?
Sedan tas lösningar fram som utvärderas och undersöks att de faktiskt lever upp till de önskade kraven.
Projektet är ett rent konstruktionsprojekt där större delen genomförs i CAD, där modeller tas fram och FE-‐analyser genomförs, men projektet innefattar även förstudie, idéstudier samt hydraulisk konstruktion.
Resultatet presenteras i form av en CAD-‐modell med tillhörande ritningsunderlag som ska fungera som tillverkningsunderlag till den nya vikplogen. Den färdiga modellen utgår från originalplogen men med många nya förbättringar som ska råda bot på de brister plogen hade i sitt ursprung.
Abstract
This project is about investigation and improvement of a V-‐plow for the company Swekip. A V-‐
plow is used for snow removal but this product has been found to have deficiencies in its construction, breaking down and not living up to the desired objectives. This is because the product is ordered from a company in China where they have some problems with
understanding the purpose of the plow.
Initially the existing plow is investigated, all the shortcomings set out and examined, what is wrong and what needs improvement?
When the solutions were done they were evaluated and examined that they actually live up to the desired requirements.
This assignment is a pure construction project where the majority is implemented in CAD, where models are developed and FE analyses are carried out. But the project also includes a feasibility study, idea study and hydraulic design.
The results are presented in the form of a CAD model and associated drawings that will serve as the manufacturing basis for the new V-‐plow. The finished model is based on the original plow
but with many new enhancements to remedy the deficiencies the plow had.
Innehållsförteckning
1 TERMINOLOGI ... 1
2 INLEDNING ... 2
2.1 F
ÖRETAGET... 2
2.2 B
AKGRUND... 2
2.3 V
IKPLOG... 2
2.4 S
YFTE OCH MÅL... 2
2.5 M
ÅL... 3
2.5.1 Övergripande mål ... 3
2.6 P
ROBLEMFORMULERING... 3
2.7 A
VGRÄNSNINGAR... 3
3 ARBETSMETOD ... 4
3.1 P
ROJEKTPLAN... 4
3.2 F
ÖRSTUDIE... 4
3.2.1 WBS ... 4
3.2.2 Intressentanalys ... 4
3.2.3 Omvärldsbevakning ... 4
3.3 B
RAINSTORMING... 4
3.4 L
ITTERATURSTUDIER... 4
3.5 M
ODELLERING... 4
3.6 S
AMMANSTÄLLNING... 5
4 MATERIAL FÖR GENOMFÖRANDET ... 5
4.1 I
NVENTORP
ROFESSIONAL2015 ... 5
5 TEORI ... 6
5.1 F
JÄDERMEKANIK... 6
5.2 K
AVITATION... 6
5.3 M
ATERIALEGENSKAPER... 6
5.4 S
VETSTEORI... 7
5.5 FE-‐A
NALYSER... 8
6 GENOMFÖRANDE: ... 9
6.1 O
MVÄRLDSBEVAKNING... 9
6.2 L
EDEN MELLAN PLOGBLADEN: ... 9
6.3 M
ASKINFÄSTET: ... 11
6.4 Ö
VERTRYCKSSKYDD: ... 12
6.5 S
LITSTÅL: ... 12
6.6 S
LITSTÅLSHÅLLAREN: ... 13
6.7 G
LIDFOTEN: ... 14
7 RESULTAT ... 15
7.1 L
EDEN MELLAN PLOGBLADEN... 15
7.2 M
ASKINFÄSTET... 17
7.3 Ö
VERTRYCKSSKYDD... 18
7.4 S
LITSTÅLSHÅLLAREN... 20
7.5 S
LITSTÅLEN... 20
7.6 G
LIDFOTEN... 21
7.8 S
AMMANSTÄLLNING... 22
8 SLUTSATSER ... 23
9 REFERENSER ... 24 BILAGA 1 -‐ ORIGINALPLOG ... B1 BILAGA 2 – RESULTATBILDER ... B2 BILAGA 3 – RESULTATBILDER ... B3
1 Terminologi
• CAD-‐modell -‐ En digital modell av en detalj eller konstruktion.
• Assembly -‐ En sammanfogning av flera CAD-‐modeller.
• FE-‐analys -‐ “Finita element analys” En digital analys av spänningarna som uppstår i en belastad konstruktion.
• Vikplog – En vinklingsbar plog som är till för snöröjning.
• Hjullastare – En lastmaskin, påminner om en traktor.
• Mesh – Elementnät, används vid FE-‐analyser för att dela in volymer i mindre delar, detta är nödvändigt för att kunna utläsa lokala spänningar.
• Randvillkor – Beskriver hur en FE-‐modell är fastspänd.
2 Inledning
2.1 Företaget
Swekip Sweden är generalagent för Caise vilket är små lastmaskiner som tillverkas av Huaya machinery i Linyi, Kina. Maskinerna som Swekip tar in är till stor del utvecklade för svenska förhållanden där de har gett fabriken i Kina riktlinjer för hur de vill att maskinerna skall vara utformade.
Swekips affärsidé är att erbjuda prisvärda entreprenadmaskiner och redskap med hög kvalitet till den svenska marknaden. De startade 2007 som importör av entreprenadmaskiner från olika tillverkare i Asien. Med åren har de levererat hundratals maskiner till nöjda kunder och byggt upp en erfarenhetsbank som gjort att de idag är marknadsledande inom deras område.
Som tillägg till maskinutveckling har Swekip också tagit fram hydrauliska klaffskopor, vikplogar och andra redskap.
2.2 Bakgrund
Detta projekt ska undersöka Swekips vikplog och optimera den för den svenska marknaden. Då Swekips vikplogar tillverkas i Kina i ett område där snö är relativt okänt är det svårt för de som tillverkar den att förstå hur plogen ska användas och detta har lett till att plogen har en del brister. På grund av dessa brister lever deras vikplogar inte upp till den svenska standarden som vi är vana vid och behöver förbättras eller kanske till och med omkonstrueras.
2.3 Vikplog
En vikplog är ett redskap som används för att röja undan snö från vägarna. Dessa monteras framtill på antingen en hjullastare, traktor eller lastbil. Skillnaden på en vikplog och en vanlig snöplog är att vikplogen är ledad i mitten och med hjälp av hydraulik kan plogbladen vinklas vilket gör den väldigt flexibel.
En vikplog kan användas på tre vis:
• Som en diagonalplog, ena bladet framåt andra bakåt. Detta gör att all snö skjuts till vägkanten.
• Som en spetsplog, båda bladen ställs bakåt. Detta gör att snön skjuts på varsin sida av fordonet, används oftast på smalare vägar.
• Som en v-‐plog, båda bladen ställs framåt. All snö samlas upp mellan bladen och fordonet kan förflytta snön till lämpligt område.
2.4 Syfte och mål
Projektet har som avsikt att utifrån de befintliga tillverkningsunderlagen utveckla en vikplog för svenska förhållanden som också går att tillverka med primitiv tillverkningsteknik, där det
saknas laserskärmaskin och annan avancerad utrustning.
2.5 Mål
2.5.1 Övergripande mål
Omvärldsbevaka och ta reda på vad som finns på marknaden i dagens läge och vad som efterfrågas. Konstruera och dimensionera en vikplog för den svenska marknaden.
Konstruktionen bör anpassas så att slitdetaljer följer svensk samt europeisk standard (bussningar, slitstål, mm).
Hydraulcylindrar samt hydraulik bör skyddas mot överlast med någon typ av chockventil eller liknade.
Delmål:
• Omvärldsbevaka, undersök vad som finns på marknaden.
• Konstruera och dimensionera lösningar på de olika problemen.
• Ta fram ritningsunderlag.
• Ta fram hydraulikkonstruktion.
2.6 Problemformulering
Vikplogen lider idag utav 6 större brister och projektet genomförs för att ta fram lösningar på dessa, resultatet kommer att levereras som CAD-‐filer samt ritningsunderlag.
Problemformuleringarna beskrivs mer ingående i genomförande delen där även förklarande bilder finns.
Dessa brister är:
• Leden mellan de två plogbladen håller inte. Vid provkörning av plogen har det visat sig i ett tidigt skede att plogen spricker i leden eller i plogbladet runt leden. Den ger även ett ofördelaktigt mellanrum mellan plogbladen vid vinkling.
• Fästet från plogen till fordonet har en ofördelaktig viktfördelning. Detta leder till att all belastning från fordonet läggs rakt på fästet och inte konstruktionen runtom som ska fungera som avlastningsyta.
• Cylindrarna som sköter vinkeln av plogbladen saknar överbelastningsskydd. Detta leder till att vid en chocklast på ett av bladen, om t.ex. bladet körs in i en sten så ger inget vika och plogen kommer högs sannolikt haverera.
• Slitstålet som sitter monterat längst ner på plogbladet har väldigt liten slityta, vilket snabbt leder till att slitaget istället hamnar på plogen. Det är även önskvärt att slitstålet ska vara vändbart så att det även kan fungera som ett rivstål.
• Fästet till slitstålet är fjäderbelastat för att vid för höga laster vikas undan och på så vis rädda plogen. Problemet är att slitstålsfästet viker undan vid för låga belastningar och fjädrarna saknar justeringsmöjlighet.
• Glidfötterna som tar över när slitstålet fjädrar undan når inte ner till marken som de ska och även de saknar tillräcklig justeringsmöjlighet.
2.7 Avgränsningar
Projektet är tidsbegränsat till 10 veckor.
3 Arbetsmetod
I detta kapitel förklaras det hur arbetet har gått tillväga. Vilka moment som har varit nödvändiga för att nå önskat resultat, samt hur problemen har hanterats.
3.1 Projektplan
Det första steget i projektet innebar att ta fram en projektplan. Projektplanen innefattar arbetets omfattning över vad som ska göras och vad som ska levereras. I projektplanen ingår även en tidsstudie där projektet planeras så att det ska vara genomförbart på den begränsade tiden.
Denna del togs fram tillsammans med Swekip för att alla inblandade ska vara informerade om vad som genomförs och vad som ska levereras.
3.2 Förstudie
Förstudien är en fortsättning av projektplanen, där bröts arbetet ner i mindre delar och underlag togs fram för vad som behövs, vad som faktiskt ska göras och vilka som är intresserade.
3.2.1 WBS
“Work breakdown structure”. En WBS är en metod där varje ingående del som ska genomföras i projektet bryts ner i steg, detta sammanställdes i ett schema och var väldigt användbart för att göra projektet mer hanterbart och få med alla projektets delar.
3.2.2 Intressentanalys
I intressentanalysen gjordes en undersökning om vilka som faktiskt är intresserade av projektet och dess resultat.
3.2.3 Omvärldsbevakning
I början av projektet genomfördes en omvärldsbevakning, där undersöktes vad som finns på marknaden i dagsläget och hur andra företag har valt att designa sina vikplogar.
3.3 Brainstorming
Inför att varje separat del i projektet skulle genomföras har problemet studerats och varje krav som lösningen ska uppfylla har fastställts. Utifrån dessa krav har minst två eller flera
lösningsförslag tagits fram och deras för-‐ respektive nackdelar har vägts mot varandra. Detta har skett i nära kontakt med handledaren på Swekip och det förslaget som har visat mest potential har valts att vidareutvecklas.
3.4 Litteraturstudier
För att undersöka om de tillvägagångsätt och lösningar som brukats är riktiga så har
litteratursökningar genomförts löpande under projektets gång för att styrka resultaten. Detta har både skett online och i fysisk litteratur. När litteratursökning genomförs är det alltid viktigt att vara källkritisk, då viss litteratur kan var föråldrad eller ogiltig.
3.5 Modellering
Modelleringen är en stor del i detta projekt. Detta sker i CAD programmet Inventor där både
idéer och resultaten ritas upp för att se hur de fungerar och uppfyller de önskade kraven. I detta
skede har även konstruktionernas hållfasthet undersökts samt ritningsunderlag tagits fram.
3.6 Sammanställning
Det sista steget som genomförts är att alla resultat har sammanställts, där CAD-‐modellerna, ritningsunderlag samt denna rapport ingår. Detta är nödvändigt för att få en helhetsbild över vad som faktiskt har genomförts och att alla mål är uppnådda.
4 Material för genomförandet
4.1 Inventor Professional 2015
Inventor Professional 2015 är ett CAD-‐program som används för att modellera, simulera och analysera detaljer och konstruktioner. Det finns många CAD-‐program på marknaden och anledningen till att just Inventor har använts i detta projekt är att det i dagsläget redan används hos Swekip. Då samma programvara brukas så förenklas kommunikationen av
konstruktionsunderlagen.
I Inventor kan varje ingående del i en konstruktion ritas upp som en 3D-‐modell enligt önskade dimensioner. Dessa modeller kan sedan sammanfogas till den fullständiga konstruktionen i en assembly. Dessa assemblies är väldigt användbara då det möjliggör för användaren att den kan undersöka om alla delar passar tillsammans, simulera rörligheten av modellen och upptäcka eventuella kollisioner av delarna innan en verklig prototyp har tillverkats.
Den färdiga modellen kan sedan undersökas i en FE-‐analys, där laster och randvillkor specificeras och eventuella spänningskoncentrationer samt svaga punkter kan upptäckas.
När det ovannämnda är genomfört och en slutgiltig modell har tagits fram kan ritningar tas fram
i Inventor för de ingående delarna samt sprängskisser över assemblyn.
11
Autodesk Inventor professional 2015, CAD-‐program. http://www.autodesk.com
5 Teori
I detta kapitel redovisas de teoretiska fakta som har behövts under arbetet för att styrka lösningarna samt ge en större förståelse över hur problemen har hanterats.
5.1 Fjädermekanik
I vikplogen sitter det 2st fjädrar på vardera plogblad vars funktion är att tillåta slitstålet att svikta tillbaka vid för höga belastningar. Detta är nödvändigt för att inte plogen ska gå sönder.
En fjäder som i detta fall har en konstant diameter samt är symmetriskt lindad har en linjär belastningskurva, det innebär att fjädern blir direkt styvare i proportion mot belastningen. Ju mer fjädern trycks ihop desto mer kraft behövs det för att trycka ihop den mer.
25.2 Kavitation
Kavitation är ett fenomen som uppstår när det bildas undertryck i ett hydrauliskt system. När det blir ett undertryck bildas luftbubblor ur den inneslutna luften i hydraulvätskan. När trycket sedan ökar igen imploderar dessa luftbubblor och kan orsaka skada på de hydrauliska
komponenterna. Detta fenomen sker oftast vid snabba hastighetsförändringar av hydraulvätskan.
35.3 Materialegenskaper
Materialet som används till majoriteten av delarna i plogen är stål. Detta material är jämförbart med de svenska standardstålet SS-‐1312-‐00 och har egenskaperna:
• E-‐modul: 210e^9 GPa
• Poissons tal: 0.3
• Densiteten: 7850 kg/m^3
Materialet har en sträckgräns och en brottgräns, dessa gränser säger hur stora spänningar materialet kan utsättas för innan det börjar plasticeras eller går av.
4• Sträckgräns: 210 MPa
• Brottgräns: 405 MPa
2
Wolf, Peter. Fjädermekanik, 90. s.19-‐26
3
Isaksson, Ove. Grundläggande hydraulik, 99. s.162
4
Björk, Karl. Formler och tabeller för mekanisk konstruktion, Sjunde upplagan. s.70
5.4 Svetsteori
Det finns många olika fogtyper som kan tillämpas när en konstruktion ska svetsas. De svetsar som tillämpas i dagsläget på vikplogen är stumfogar och kälfogar. Stumfogen är generellt sett en starkare typ av svetsfog men för att den ska bli riktigt bra är det nödvändigt med fogberedning vilket kan vara kostsamt att genomföra. Fogberedning innebär att kanterna som ska svetsas mot varandra fasas av för att svetsfogen lättare ska tränga in i materialet.
En kälfog är en fogtyp där fogberedning inte är lika nödvändig då man kan utnyttja
arbetsstyckets delar istället. Därför eftersträvas i detta projekt kälfogar så mycket som möjligt.
5I figur 1 visas skillnaden mellan en kälfog och en stumfog.
Figur 1, Skillnaden mellan kälfog och stumfog.
5
Weman, Klas. Svetshanboken, 13. s.16
5.5 FE-‐Analyser
Finita element analys är en metod som används för att digitalt lösa partiella
differentialekvationer. I detta fall används det till att undersöka hållfastheten hos olika konstruktioner och det går till på följande vis:
En modell av önskad konstruktion ritas upp, detta kan ske antingen i ett renodlat FE program eller som ett instick i ett CAD-‐program. Det är inte nödvändigt att ha med hela modellen i FE-‐
analysen, det räcker med att ha med det intressanta området som ska undersökas. Det är bra att tänka på för att inte överbelasta datorn när problemet simuleras då det kan vara ganska
tungarbetat.
6Sedan specificeras materialdata, laster och randvillkor som motsvarar ett verkligt scenario.
Materialdatan innebär att specificera materialets hållfasthetsegenskaper. De egenskaper som är nödvändiga är E-‐modulen, Poissons tal och densiteten. E-‐modulen är en materialberoende konstant som beskriver materialets egenskaper att deformeras. Poissons tal är också
materialberoende och beskriver hur materialet beter sig vid drag-‐ och tryckkrafter. Densiteten beskriver materialets täthet, eller massa per volymenhet.
7Lasterna appliceras på ytor eller specifika punkter hos modellen. Det finns många olika typer av laster, men oftast används drag-‐ eller tryckkrafter. För att få en så verklighetstrogen analys som möjligt är det viktigt att tänka på att applicera lasterna så som konstruktionen belastas i
verkligheten.
8Randvillkoren beskriver hur modellen är fastspänd. I och med att det inte är nödvändigt att ha med hela modellen kan dessa randvillkor låsa fast modellen som undersöks som att den tillhörde resten av konstruktionen, eller så kan de beskriva hur en konstruktion är monterad.
9Efter det lägger man en mesh över den önskade modellen, meshen delar upp modellen i ett elementnät som användaren bestämmer storlek på. Varje ruta i elementnätet består av ett visst antal noder (punkter) och när programmet sedan löser problemet räknar den ut varje nods förskjutning i förhållande till originalpositionen. Dessa nät kan ha olika utseenden beroende på vad användaren har valt. Skillnaden på elementnäten beror på hur många noder som ska ingå i ett element och beroende på hur många de är kommer analysen att bete sig annorlunda. Fler noder, innebär mer möjlighet till förskjutning och modellen beter sig segare.
10I slutändan genomförs analysen, där det gäller att välja vad för typ av problem som undersöks.
Mekaniska problem är oftast statiskt linjära problem. När analysen är genomförd kan
spänningar och deformationer utläsas och konstruktionen kan då utvärderas hur vida den håller eller inte utan att en faktisk prototyp har tillverkats.
116
Sunnersjö, Staffan. FEM i praktiken, 99. s.14-‐17
7
Ibid s.143-‐146
8
Ibid s.133
9
Ibid s.67-‐70
10
Ibid s.63-‐63
11
Ibid s.71-‐74
6 Genomförande:
Varje problem som vikplogen har haft har behandlats var för sig och lösts ett i taget. Se bilaga 1 för helhetsbild på originalplogen.
6.1 Omvärldsbevakning
Till att börja med genomfördes en omvärldsbevakning. Där undersöktes andra plogtillverkare samt fordon som kan använda vikplogar. Detta skedde via internet där ca 10 olika vikplogar samt ett stort antal fordonstyper från olika tillverkare analyserades. Denna bevakning var nödvändig för att undersöka vad för krav som kan ställas på plogen, samt om någon funktion saknas.
6.2 Leden mellan plogbladen:
De två plogbladen är ledade med ett gångjärn mellan dem som även sitter i kroppen till
maskinfästet. Det är nödvändigt för att plogen ska få sin funktion som en vikplog där plogbladen kan vinklas separat från varandra. Problemet är att i dagsläget spricker gångjärnet i ett tidigt skede och kan bero på att det blir höga lokala spänningar på olämpliga ställen. Detta utreds genom att göra en FE-‐analys på gångjärnet för att undersöka var spänningarna uppstår. Ett annat problem som uppstår på grund av leden är att det blir ett mellanrum mellan slitstålen som varierar beroende på hur bladen är vinklade. Det här beror på att leden sitter strax bakom plogbladen och det medför att plogen lämnar en ränna av snö bakom sig.
Det första steget som genomförts för att förbättra leden är att utreda den befintliga. Vad är det som inte fungerar?
En FE-‐analys genomförs på plogbladet för att se vart de stora spänningarna uppstår. Analysen sker i Inventor på följande vis:
Modellen över plogen ställs upp och randvillkoren fastställs.
Materialet appliceras som stål med egenskaperna som beskrivs i avsnitt 5.3.
Modellen spänns fast som den skulle i ett verkligt scenario där fästpunkterna för cylindrarna och gångjärnet låses i rummet.
En kraft appliceras på plogen som motsvarar snöröjning. Denna kraft är inte känd men genom att göra alla försök med samma krafter går det att se skillnaden mellan den befintliga
konstruktionen och den nya.
Sedan genomförs en mesh där konstruktionen delas in i små element där spänningarna undersöks. I första skedet används en grov elementindelning och sedan genomförs finare elementindelningar på de ställen där stora spänningar uppstår.
Resultatet av denna analys vid kraften 30 kN ses i figur 2.
Figur 2, Plogblad framifrån FE-‐analys, 30 kN.
Där framgår det att de största spänningarna uppstår där det sedan tidigare är känt att konstruktionen har gått sönder, men det uppstår även stora spänningskoncentrationer i cylinderfästet på plogbladen som bör åtgärdas. Spänningarna på dessa cylinderfästen är de största som upptäckts på plogen och stiger långt över materialets sträckgräns på 210 MPa. Se figur 3, FE-‐analys över cylinderfästet på plogblad.
Figur 3, Cylinderfäste på plogbladet, FE-‐analys 30kN.
6.3 Maskinfästet:
Fästet mellan plogen och maskinen har en ofördelaktig utformning. Det här leder till att all last som konstruktionen utsätts för hamnar rakt på fästet och inte på ramen som fästet är monterat på som det är tänkt.
Även i detta fall inleds utredningen med att genomföra en FE-‐analys. Analysen ställs upp på liknade sätt som leden mellan plogbladet med följande randvillkor:
Materialet appliceras som stål med egenskaperna som beskrivs i avsnitt 5.3.
Modellen spänns fast i rummet som att den skulle vara monterad på ett fordon och kraften appliceras som att den kommer från plogbladet.
Även i denna analys inleds den med en grov elemetnindelning som sedan förfinas på de utsatta ställena för att få en så verklighetstrogen bild som möjligt.
Resultatet av denna analys ses i figur 4.
I figur 2 syns det att det uppstår spänningar i svetsade områden vilket lätt kan leda till brott.
Stora spänningar uppstår på maskinfästet men även här upptäcks stora
spänningskoncentrationer i cylinderfästena som behöver åtgärdas. Samma FE-‐analys har genomförts på dessa. Figur 5 är en bild på en FE-‐analys på kroppen mellan plogbladen och maskinfästet.
Figur 4, Maskinfäste FE-‐analys 10 kN x 5kN.
Figur 5, Kropp mellan plog och maskin, FE-‐analys 30kN.
6.4 Övertrycksskydd:
De två plogbladen styrs av en hydraulisk cylinder på vardera sida. Dessa cylindrar är kopplade rakt till maskinens hydrauliska system. Utifall att plogen skulle köras in i en dold sten eller liknande finns det ingen funktion som kan rädda plogen om maskinföraren inte skulle hinna stanna i tid. Det behövs alltså en funktion som kan släppa tillbaka oljan utifall att bladen skulle utsättas för en chocklast. Detta är endast nödvändigt på cylinderns plussida då plogbladen endast behöver ha den här funktionen för att vinklas bakåt och inte framåt. Genom information som togs fram i omvärldsbevakningen, där olika typer av fordon som används till snöröjning undersöktes så har de flesta fordon ett maxtryck i deras hydrauliska system på 160-‐210 Bar.
6.5 Slitstål:
Slitstålet är en metallplatta som sitter längst ner på plogbladet och är i kontakt med vägbanan vid snöröjning. Slitstålet är utbytbart och dess uppgift är att slitas ner istället för plogen, detta förlänger plogens livslängd. Figur 6 är en bild på det befintliga slitstålet monterat på plogen.
Figur 6, Befintligt slitstål.
Det befintliga slitstålet stack ut väldigt lite från stålhållaren och saknade justeringsmöjlighet vilket ledde till förslitning på plogen redan efter en kort tid. Ett annat problem med stålet var att det inte följer någon standard i storlek och infästning så det enda sättet att få tag på ett
ersättningsstål var att beställa fler från fabriken i Kina.
Det var även önskat från Swekips sida att göra originalslitstålet vändbart, så att det är plant på ena sidan och taggigt på andra. Detta möjliggör att plogföraren kan välja om den vill ha en plan eller räfflad plogning.
Genom kontakt med företaget Olofsfors
12som är en svensk tillverkare av slitstål bidrog de med information om hur den svenska standarden ser ut för slitstål.
För att anpassa slitstålen innebar det att även slitstålshållaren var tvungen att ändras för att de ska vara kompatibla med varandra.
6.6 Slitstålshållaren:
Slitstålshållaren behöver dels anpassas till det nya slitstålet men det behövs även en lösning som förhindrar att det fjädrar tillbaka vid för låga laster.
Det sitter två fjädrar på vardera slitstålshållare och hållaren är ledad så att den kan fjädra tillbaka om plogen skulle köras in i något för hårt t.ex. ett brunnslock eller en sten. Figur 7 är en bild på en av dessa fjädrar.
Figur 7, Fjäderkonstruktion original.
Det här gör att plogen inte går sönder vid kollision men problemet är att i dagsläget fjädrar hållaren tillbaka vid för låga laster. Detta gör att hållaren släpper igenom massa snö och det saknas möjlighet till att reglera fjädrarna.
12
Olofsfors AB, Tillverkare av slitstål. Mailkontakt den 30/3-‐ 2015.
6.7 Glidfoten:
Ofta när man röjer snö med en plog sätter man hydrauliken i fordonets frontlastare i ett så kallat
“flytläge”. Det innebär att oljan i frontlastarens cylindrar kan gå fritt mellan plus och minussidan och plogen följer då marken.
Glidfotens uppgift är då att glida utmed marken och ta upp mycket av plogens vikt så att inte plogen endast vilar på slitstålet. Figur 8 är en bild på hur den befintliga glidfoten ser ut.
Figur 8, Befintlig glidfot.
Problemet med den befintliga glidfoten var att den inte nådde ända ner i marken och hade inte tillräckligt med justeringsmån för att kompensera för det. Detta ledde då till att plogens slitstål
fick väldigt kort livslängd och slitstålshållaren fjädrar tillbaka när den inte skulle.
7 Resultat
Nedan följer lösningarna för varje separat problem som plogen har. Den slutgiltiga lösningen har sammanställts som en CAD-‐modell där alla felaktiga delar är utbytta mot de nya. Sedan har ritningsunderlag tagits fram till alla plogens ingående delar.
Vid alla lösningar har det legat i åtanke att inte göra för komplicerade konstruktioner för att de ska vara möjliga att tillverka på fabriken i Kina. I och med den primitiva tillverkningstekniken har det även varit nödvändigt att ha stora toleranser mellan olika delar för att minimera problem vid tillverkningen.
7.1 Leden mellan plogbladen
För att lösa de problem som fanns hos gångjärnlösningen mellan plogbladen har en rad förändringar genomförts.
Till att börja med har rotationspunkten flyttats fram så att plogbladen nu roterar runt centrum och inte framför denna punkt. Det här löste problemet med att avståndet mellan slitstålen varierade beroende på hur plogbladen var vinklade. För att genomföra detta har gångjärnen fått en ny geometri. De går nu igenom plogbladet vilket gör att de nu går att svetsa på både fram och baksida.
För att få ner spänningarna har stående plåtar svetsats fast mellan gångjärnen, de gör konstruktionen styvare och tar upp stor del av lasten.
Vid FE-‐analyser uppstod de stora spänningar runt hörnen på gångjärnen på grund av dess kantiga form, detta löstes genom att vid ändarna svetsas runda plåtar som fungerar spänningssänkande.
Resultatet av dessa modifikationer ses i figur 9 och 10, bilderna är från FE-‐analyser som motsvarar analysen på originalplogen.
Figur 9, Plogblad framifrån, FE-‐analys 30kN.
Figur 10, Plogblad bakifrån, FE-‐analys 30kN.
De högsta spänningarna är nu ca hälften så höga som tidigare samt flyttade till mindre kritiska positioner. Se tabell 1 för skillnaden i maximala spänningarna mellan den ursprungliga och den nya konstruktionen.
Tabell 1, Skillnad på spänningar innan och efter, leden mellan plogbladen.
Leden mellan
plogbladen Maxspänning innan Maxspänning efter Skillnad i procent
Last 30 kN 91 MPa 52 MPa 43 %
Även cylinderfästena på baksidan av plogen som under tidiga FE-‐analyser upptäcktes vara en kritisk punkt har fått en ny geometri. De har nu en längre kropp som tar stöd mot både de stående plåtarna samt plogbladets baksida, vilket leder till mer kontaktyta för svets samt styvare konstruktion. Se figur 11, FE-‐analys på det nya fästet.
Figur 11, Cylinderfäste på plog, FE-‐analys 30kN.
De högsta spänningarna är nu en tredjedel så stora som tidigare. Se tabell 2 för skillnaden i maximala spänningarna mellan före och efter de konstruktiva förändringarna.
Tabell 2, Skillnad på spänningar innan och efter, Cylinderfäste plog.
Cylinderfäste plog Maxspänning innan Maxspänning efter Skillnad i procent
Last 30 kN 307 MPa 111 MPa 64 %
7.2 Maskinfästet
Det nya maskinfästet har en konstruktion som gör att hela ramen tar upp krafterna från plogen istället för att endast fästanordningen gör det. Kroken och öglan är nu två separata delar som svetsas rakt på ramen. Detta gör att ramen tar stöd mot fordonets redskapsfäste och på så vis kan ta upp större krafter.
Efter att samma FE-‐analys genomförts som på originalfästet visar den att spänningarna har halverats efter dessa geometriförändringar. Figur 12 är en bild på FE-‐analysen där 10kN trycker på fästet och 5kN rakt ner för att motsvara plogens vikt. Även ramen till fästet har
omkonstruerats för att erhålla kälfogar vid tillverkningen. Detta är genomfört för att minimera fogberedningen, mer om detta i avsnitt 5.4. Se tabell 3 för skillnaden i maximala spänningarna mellan den ursprungliga och den nya konstruktionen.
Figur 12, Nytt maskinfäste, FE-‐analys 10kN x 5kN.
Tabell 3, Skillnad på spänningar innan och efter, Maskinfäste.
Maskinfäste Maxspänning innan Maxspänning efter Skillnad i procent Last 10 x 5 kN 36 MPa 17 MPa 52 %
De spänningskoncentrationer som upptäcktes i cylinderfästena åtgärdas genom att ändra dess geometri samt två nya förstärkningsplåtar. Cylinderfästet har nu en bredare bas så att den får större svetsyta mot plåten den är monterad på. De två förstärkningsplåtarna sprider ut krafterna över hela bakstycket jämfört med tidigare då de var mer koncentrerade på mitten.
Figur 13 är en bild över FE-‐analysen där en last på 30kN är applicerad.
På denna konstruktion har även sidoplåtarna flyttats in så att när konstruktionen svetsas erhålls en kälfog istället för en stumfog. Detta genomförs inte bara för att minimera fogberedningen som kan läsas om i avsnitt 5.4, utan även för att svetsen då kommer längre ifrån de spänningar som uppstår i konstruktionen. Se tabell 4 för skillnaden i maximala spänningarna mellan den ursprungliga och den nya konstruktionen.
Tabell 4, Skillnad på spänningar innan och efter, Kropp mellan plogblad och maskinfäste.
Kropp mellan blad
och fäste Maxspänning innan Maxspänning efter Skillnad i procent
Last 30 kN 49 MPa 31 MPa 37 %
7.3 Övertrycksskydd
Då det var önskvärt att lösningen ska vara så simpel som möjligt har många lösningar valts bort.
Den lösnings som har visat sig vara bäst är en så kallad chockventil från företaget Oie
13. Ventilen är endast monterad till cylindrarnas plussidor då en vikplog inte är en plog man skyfflar snö med under backning utan endast vid framåt färd. Därför räcker det med en ventil för att ge båda cylindrarna skydd.
Ventilen består av ett ventilblock med 6 in/utgångar. Två av dessa går till vardera cylinder på plogen och två går till fordonets hydrauluttag. De resterande två kopplas till fordonets
hydraultank, men i detta fall är den ena igenpluggad. I ventilblocket sitter två chockventiler och två backventiler.
Chockventilen fungerar så att vid för höga tryck släpper den igenom hydrauloljan som då rinner tillbaka till fordonets tank. Ventilens genomsläppstryck är på 150 Bar och då de flesta hjullastare har ett maxtryck på 160-‐210 Bar är det bra att chockventilens tryck är något lägre för att
undvika skador på systemet. Denna ventil är utbytbar mot en ventil med högre eller lägre genomsläpstryck om det skulle vara intressant.
Backventilernas funktion är att förhindra kavitation men i detta läge är inte det nödvändigt då det inte skapas något stort undertryck när cylinder trycks ihop på grund av att det sker i låga hastigheter och det är små volymer hydraulvätska som förflyttas, mer om detta i avsnitt 5.2.
Figur 14 är en bild över detta hydraulschema där ventilblocket är inramat.
13
