Examensarbete, 15 hp
Högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik, 180 hp
Vt 2020
DESIGNFÖRSLAG TILL EN SKOPELEVATOR
DESIGN PROPOSAL FOR A BUCKET ELEVATOR
Isak Forsberg
i
Förord
Detta projekt är ett examensarbete för högskoleingenjörsexamen i Maskinteknik via Umeå Universitet. Projektet utfördes på Röbäcks Sweden AB.
Först skulle jag främst vilja tacka Linus Forsberg på Röbäcks Sweden AB som har varit min handledare under hela projektets tid där vi har kunnat bolla idéer mellan varandra då han själv jobbar på konstruktionsavdelningen. Sedan måste jag även tacka Röbäcks som har gjort det möjligt för mig att utföra mitt examensarbete trots den globala pandemin som har pågått.
ii
Sammanfattning
Examensarbetet har utförts på företaget Röbäcks Sweden AB, som arbetar inom betongindustrin.
Röbäcks mål är att sälja kompletta betongfabriker med tillhörande styrsystem som kan vara mobila eller stationära. Utöver att producera betongfabriker tillverkar Röbäcks det mesta inom mekanisk konstruktion till kundens förutsättningar.
Röbäcks har varit i kontakt med en kund i Norge som behöver en ny skopelevator till sin
betongfabrik, eftersom den nuvarande elevatorn börjar falla isär. Kunden vill nu att Röbäcks ska ta fram ett förslag på en skopelevator som passar deras fabrik. Kundens önskemål är en
skopelevator som transporterar 300 𝑚3/ℎ ballast till en ballastficka vid en höjd på 20 meter.
Elevatorn skall även vara utrustad med inspektionsluckor som underlättar eventuell service.
Skopelevatorns uppgift är att transportera ballast från marknivå till en ballastficka där betongtillverkningsprocessen sätts igång.
Syftet med examensarbetet är att ta fram ett designförslag för en skopelevator med användning av ”computer-aided design” (CAD) med mjukvaran Inventor. Designförslaget skall innehålla konstruktions- och ritningsunderlag. Utifrån tidigare konstruktioner och en bild av den nuvarande fabriken kunde elevatorn anpassas efter kundens förutsättningar.
Projektet har resulterat i ett designförslag för en skopelevator som drivs av en 30 kW
vinkelväxelmotor. Elevatorn är uppbyggd i flera sektioner som består av en bottensektion, fem mittsektioner och en översektion. Grundtanken bakom sektionerna är att skopelevatorn skall vara moduluppbyggd och att antalet mittsektioner avgör elevatorns höjd vilket underlättar vid montering och demontering. En utmärkande detalj i konstruktionen är den rundade botten som gör att skoporna succesivt skrapar upp spill, detta i sin tur ger ekonomiska fördelar för kunden som undviker svinn.
All tillverkning av skopelevatorn är planerad att ske i Röbäcks verkstad, förutom några få komponenter som beställs från externa företag. Alla komponenter sammanfogas sedan till en färdig skopelevator i Röbäcks verkstad.
iii
Abstract
This project has been performed at the company Röbäcks Sweden AB, a supplier in the concrete industry. The main goal for Röbäcks is to sell complete concrete factories with associated control systems that can be both mobile and stationary. In addidition, Röbäcks manufactures mechanical parts to the customers conditions.
Röbäcks has been in contact with a customer in Norway, who needs a new bucket elevator for a concrete factory, because the current elevator is starting to fall apart. The customer wants Röbäcks to come up with a design proposal for a new, improved bucket elevator suitable for the factory. The customer’s request is an elevator that can transport 300 𝑚3/ℎof ballast to an inlet 20 meters above the ground. The bucket elevator is also equipped with inspection hatches to facilitate maintenances work. The task of the bucket elevator is to transport ballast from ground level to a ballast intake, where the concrete manufacturing process starts
The purpose of the exam project is to create a design proposal for a bucket elevator using
“computer-aided design” (CAD) with the software Inventor. The proposal should include all necessary design details, materials choices and associated CAD drawings. Based on previous constructions and a picture of the current factory, the elevator design is adapted to the customers conditions.
The project has resulted in a design proposal for a bucket elevator that is driven by a 30 kW bevel gear motor. The elevator is built in several sections consisting of one bottom section, five middle sections and one upper section. The idea behind the sections is a modular bucket elevator, where the number of middle sections determines the height of the elevator. This facilitates assembly and disassembly. A distinctive detail in the construction is the rounded bottom section, which makes the buckets scope up the spill. The feature will provide economic benefits for the customer and help to avoid wasting ballast material.
Apart from a few components that need to be ordered from external companies, the entire production process of the elevator can take place at Röbäck's workshop.
iv
Innehållsförteckning
1. Inledning ... 1
1.1 Bakgrund med kortfattad presentation av företaget ... 1
1.2 Projektarbete ... 1
1.3 Skopelevatorer ... 1
1.4 Syfte / mål ... 1
1.5 Program, material och utrustning... 1
1.6 Frågeställningar ... 2
1.7 Kravspecifikation... 2
1.7 Planering ... 3
2. Teori ... 4
2.1 Tidigare problem med skopelevatorer... 4
2.1.1 Säkerhetstänk för skopelevator ... 4
2.2 Kastparabel ... 4
2.3 Formler och ekvationer ... 6
3. Metod och Genomförande ... 7
3.1 Kastparabel ... 7
3.1.1 Beräkning av kastparabel i Excel ... 7
3.1.2 Kastparabel 2D ... 9
3.1.3 Kastparabel 3D ... 9
3.1.4 Centripetalacceleration ...10
3.2 Kapacitetsberäkning för respektive bandbredd ...10
3.3 Dimensionering av direktdrift...11
3.4 Skopkonstruktion ...11
3.5 Infästning mellan skopor och matta för minsta slitage...11
3.6 Bultförband och transport...12
3.7 Styr och bärrullar ...12
3.7.1 Styrrulle ...12
3.7.2 Bärrulle ...12
3.8 Inspektionsluckor ...13
3.9 Val av elevatorband ...14
3.10 Driv och vändtrumma ...14
3.11 Moduluppbyggnad ...14
3.12 Mottagningsficka mot skopelevator ...14
4. Resultat ...15
4.1 Modell av skopelevator ...15
4.2 Ritningsunderlag ...16
4.3 Konstruktion av skopelevator ...16
v
4.3.1 Stativ ...17
4.3.2 Bottensektion ...18
4.3.3 Inlastning...20
4.3.4 Mittensektion ...21
4.3.5 Översektion ...23
4.3.6 Drivning ...24
4.3.7 Motorfäste ...25
4.3.8 Utlastning ...26
4.3.9 Spännjustering av bandet ...27
4.4 Pris för komponenter från externa företag ...29
5. Diskussion och slutsats ...30
5.1 Hur arbetet har gått ...30
5.2 Studiebesök ...30
5.3 Skopelevatorns konstruktion ...30
5.4 Jämförelse med tidigare konstruktioner ...30
5.5 Mål och krav ...31
5.6 Röbäcks om arbetet ...31
Referenser ...32 Bilaga 1...
1
1. Inledning
Detta projekt utfördes på företaget Röbäcks Sweden AB i Umeå. Detta kapitel beskriver projektets bakgrund, syfte och mål.
1.1 Bakgrund med kortfattad presentation av företaget
Röbäcks Sweden AB har under en lång tid arbetat inom betongindustrin. Röbäcks huvudmål är att sälja kompletta betongfabriker, som kan vara mobila eller stationära. Företaget producerar även anpassade modulsystem för betongproduktion samt tillverkar och marknadsför
anläggningar och utrustning för hantering av olika material inom betongindustrin. Med den stora verkstaden som ligger i Stöcksjö kan Röbäcks lätt transportera sina varor direkt ut på motorvägen fram till kund.
1.2 Projektarbete
Röbäcks har redan tidigare börjat skissa på en skopelevator som aldrig blivit byggd på grund av att det inte har funnits någon efterfrågan. Nu har Röbäcks kommit i kontakt med en tidigare kund som vill köpa just en skopelevator till sin betongfabrik. Därför såg Röbäcks ett ypperligt tillfälle att rikta mitt examensarbete mot det projektet.
1.3 Skopelevatorer
När betongfabriker har mindre markyta att nyttja kommer skopelevatorer till användning.
Skopelevatorer tar upp en liten yta av området eftersom de är byggda på höjden. Elevatorns uppgift är att transportera material som till exempel grus eller ballast från marknivå till en ballastficka som ligger på en högre höjd. När ballasten har transporterats startas
tillverkningsprocessen till betong med hjälp av andra tillsatsmedel [1]. Den vanligast
förekommande metoden är att man använder sig av ett transportband som sträcker sig från marknivå till toppen av fabriken där betongen börjar tillverkas. Nackdelen med denna metod är att bandet endast får luta mellan 15–17 grader, vilket medför att konstruktionen tar upp stor plats och blir ett problem i vissa fall.
1.4 Syfte / mål
Syftet med examensarbetet är att ta fram ett designförslag med tillhörande konstruktions- och ritningsunderlag på en skopelevator som är anpassad till en kund.
1.5 Program, material och utrustning
Hjälpmedel som användes för att genomföra projektet:
• Dator
• Auto Desk Inventor 2020
• Excel
• Miniräknare
• Skrivmaskin
• Tidigare ritningar
• Karl Björk formelbok [7]
2
1.6 Frågeställningar
Frågeställningarna som beskrivs nedan är de frågor som Röbäcks vill ha svar på under arbetet av skopelevatorn.
• Vilka problem har tidigare kunder haft med skopelevatorer? Exempel: (dålig kapacitet, underhåll, spill, ballast fryser fast i botten, hållbarhet skopor & matta.)
• Hur tillverkas skoporna bäst med tanke på slitage?
• Vilken kapacitet får vi med en skopelevator, vid respektive bandbredd: BB650, BB800, BB1000, BB1200? (endast teoretisk beräkning krävs, endast 1 bandbredd behöver ritas upp)
• Hur ansluter man en mottagningsficka för ballast mot skopelevatorn – Förbered ett lämpligt stup.
• Vilken hastighet passar bäst, så skoporna vid tömning kastar av ballast på bästa sätt (jämför mot tidigare ritningar, men räkna även på en kastparabel).
• Vilken infästning väljs mellan skopor och matta för minsta slitage?
1.7 Kravspecifikation
Kraven som beskrivs nedan är de krav som Röbäcks och kunden ställer på framtagning av konstruktionen.
• Skopelevatorn skall kunna transportera till en höjd på 20 meter.
• Skopelevatorn skall klara av att leverera 300 𝑚3/ℎ ballast.
• Samtliga bär och styrrullar väljs till standardkomponenter, och köpes in från tex Rulmeca.
• Driv och vändtrumma tillverkas på Röbäcks eller beställs.
• Elevator ska vara moduluppbyggd för olika höjder.
• Enkel att transportera och skruva ihop.
• Enkelt att serva, byta skopor, byta matta osv. och inspektionsluckor.
• Ritningsunderlag ska vara pedagogisk för tillverkningen.
• Dimensionering och val av lämplig matta ska tas in från företaget Rubber Company AB.
• Dimensionering och pris på direktdrift ska tas in från företaget Nord Drivsystem AB.
3
1.7 Planering
Under arbetet med projektplanen presenterades ett GANTT-schema som visas i figur 1. Schemat visar hur tiden för projektet skulle fördelas. Varje tidssekvens är baserad på 40-timmars
arbetsveckor utan hänsyn till röda dagar.
Uppföljningsmöten skedde via e-post en gång varje månad för att avstämma med handledare Leif Johansson gällande projektets status.
Figur 1: Gantt-schema över projekttiden.
Beräknat antal timmar som skall vara nedlagd på projektet redovisas i tabell 1 nedan.
Tabell 1 - Projektets nedlagda timmar för varje aktivitet.
Aktivitet Beskrivning Timmar
1 Idéfas och teoriförståelse 53
2 Konstruktion i CAD 79
3 Information från företag 79
4 Kapacitetsberäkning 39
5 Ritningsunderlag 53
6 Prisofferter på komponenter som beställs från externa företag 53
4
2. Teori
I det här avsnittet presenteras den bakomliggande teorin för detta arbete.
2.1 Tidigare problem med skopelevatorer
Vid undersökning av tidigare ritningar av skopelevatorer har vissa elevatorer haft problem med att spillet av materialet fastnar i botten av elevatorn och ligger kvar där. Med denna fara finns det även risk under vinterklimat, att materialet fryser fast i botten på grund av fukt och vatten som tar sig in. Ett problem som även har förekommit under hög belastning är dammexplosioner på grund av dålig luftcirkulation. Stevenson (2015) [2] konstaterar att en dammexplosion kan förekomma om ett tillräckligt koncentrerat dammoln, en tändningskälla och tillräckligt hög syrehalt finns närvarande samtidigt. Om detta sker finns det risk att den lilla explosionen tänder närliggande dammpartiklar och orsakar en kedjereaktion. Stevenson menar att man kan minska problemet genom att eliminera eventuella tändningskällor, där största tändningskällan är ett oförutsett material som kommer in, som exempelvis en metall. Han påstår att en lösning till detta kan vara en metallsensor som omedelbart stannar skopelevatorn vid utslag. Stevenson
konstaterar också att en dammuppsamlare skulle vara användbar för att minimera mängden damm inuti skopelevatorn. Ett annat problem är tillfällig överbelastning som kan uppstå när oväntat stora materialbitar kommer in i elevatorn och orsakar ett stopp [3].
2.1.1 Säkerhetstänk för skopelevator
När skopelevatorer skall konstrueras är det oerhört viktigt att tänka på de krafter som elevatorn utsätts för. Detta för att konstruktionen skall hålla ihop och för att den inte ska gå sönder på grund av de höga spänningarna som uppstår. Živanić et al. (2018) konstaterar att avbrott i drift oftast beror på tvärgående förflyttning och fall från bandet. Avbrott kan också ske vid
transportering av en oväntad form av materialet, exempelvis för stora stenar eller en
kombination av otillräcklig spänning och överbelastning [3]. Om detta sker kan bandet fastna och medföra att drivtrumman fortsätter att rotera. På detta vis bildas värme och tändning mellan band och trumma, där slutligen sprickbildning av bandet sker. För att förhindra detta menar författarna att ett övervakningssystem skall finnas i elevatorn. Systemet skall mäta och jämföra hastigheten på drivenheten, spänntrummorna och bandet så att hastigheterna är lika. Om värdena skulle skilja sig skall elevatorn stanna automatiskt och en varningsindikation komma upp på kontrollpanelen.
2.2 Kastparabel
Enligt Pérez-Aparicio et al. (2014) [4] har materialet två olika möjligheter att lämna skopan under färd runt drivtrumman. Det första alternativet är att materialet kan lämna via skopans innerkant och falla ner i elevatorns botten med hjälp av tyngdaccelerationen och den låga bandhastigheten, se figur 2.
Figur 2: rörelsemönstret av materialet när hastigheten är låg.
5 Alternativ nummer två är att materialet lämnar via skopans ytterkant, med hjälp av dess
centripetalacceleration som verkar när materialet ändras från linjär rörelse till cirkulär rörelse, det vill säga när skopan börjar färdas runt drivtrumman. På så sätt slungas materialet ut längs skopans ytterkant och liknar en kaströrelse. Pérez-Aparicio et al. illustrerar hur förloppet kan se ut, se figur 3.
Figur 3: rörelsemönstret av materialet när hastigheten är hög.
En inverkan på kaströrelsen är skopans konstruktion. Pérez-Aparicio et al. (2014) [4] konstaterar att en optimering av skopkonstruktionen är viktig att ta hänsyn till om materialet skall kunna lämna skopan med hjälp av centripetalaccelerationen. Vidare illustreras i grova drag hur kastet förändras med olika konstruktioner av skopans yttervägg, se figur 4. Pérez-Aparicio et al. har analyserat hur kastet av materialet grus påverkas av olika konstruktioner. Grus har valts som material på grund av dess höga friktion och densitet. Hastigheten är vald till 4,3 m/s med en trumradie på 500 millimeter. Författarna menar utifrån deras simulation att mer än 40 % av materialet följer med ner i botten av elevatorn igen och räknas som spill i skopa A. Om skopkonstruktionens yttervägg ändras till skopa D minskas spillet till mindre än 10 %.
Figur 4: rörelsemönstret av materialet beroende på hur skopans yttervägg ser ut.
6
2.3 Formler och ekvationer
Formler och ekvationer kommer att användas som underlag i avsnittet metod och genomförande.
Beräkning av tiden vid fritt fall [7].
√(2𝑆𝑦/𝑎) = t (2.1)
Formel vid beräkning av sträcka vid konstant acceleration [7].
𝑆𝑦= 𝑆0+ 𝑉0∗ 𝑡 + 𝑎𝑡2/2 (2.2)
Beräkning av sträcka med hjälp av sambandet mellan medelhastighet och tid [7].
𝑆𝑥 = 𝑣 ∗ 𝑡 (2.3)
Beräkning av centripetalaccelerationen hos en kropp som färdas runt en cirkulär bana [7].
𝑎𝑐= 𝑣2/𝑟 (2.4)
Beräkning av skopelevatorns vridmoment [7].
𝑀 = 𝐹 ∗ 𝑟 (2.5)
Beräkning av skopelevatorns kapacitet uttryckt i 𝑚3/ℎ baserat på volymen i skopan, densiteten för ballast och bandhastigheten.
( 𝑉
1000) ∗ 𝜌 ∗ 𝑣 ∗ 3600 = 𝐾𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 (2.6)
Enheter för beräkning av formler.
M = Vridmoment [𝑁𝑚]
a = Tyngdacceleration [𝑚/𝑠2] 𝑎𝑐 = Centripetalacceleration [𝑚/𝑠2] S0 = Begynnelsesträcka [𝑚]
V0 = Begynnelsehastighet [𝑚/𝑠]
S = Sträcka [𝑚]
t = Tid [𝑠]
V = Volym [𝑚3] p = Densitet [𝑘𝑔/𝑚3] v = Hastighet [𝑚/𝑠]
F = Kraft [𝑁]
r = Radie [𝑚]
7
3. Metod och Genomförande
I detta avsnitt presenteras genomförandet av konstruktionen på skopelevatorn, som besvarar Röbäcks frågeställningar och krav.
3.1 Kastparabel
När man beräknar kastparabeln är det viktigt att tänka på två faktorer som påverkar kastet, det vill säga radien och hastigheten. Det är radien och hastigheten som avgör hur stor
centripetalaccelerationen blir för materialet som färdas runt drivtrumman. Om
centripetalacceleration i vårt fall blir lika med tyngdaccelerationen när materialet befinner sig i sitt översta läge säger teorin att materialet kommer slungas ut horisontellt, eftersom det endast är en hastighet i horisontellriktning som påverkar massan vid den tidpunkten då de vertikala krafterna är lika stora.
3.1.1 Beräkning av kastparabel i Excel
Vid beräkning av kastparabel användes Excel för att skissa en graf som visade hur långt materialet hade färdats under en tidpunkt. Vid framtagning av tiden det tar för ett material att falla från en specifik höjd användes ekvation (2.1). Sträckan Sy är utsatt till 1,060 meter och är den höjd som materialet faller från i förhållande till utlastningen. V0 och S0 är respektive utgångshastighet och utgångshöjd. Tiden (t) anges i sekunder och accelerationen (a) i m/s2. Tyngdaccelerationen är utsatt till 9,82 m/s2.
𝑡 = 0.46 𝑠 (3.1a)
Med den beräknade maximala falltiden kunde sekvenser på var materialet uppskattningsvis befinner sig i Y-led vid tidpunkterna 0.1, 0.2, 0.3 och 0.46 sekunder beräknas, enligt ekvation (2.2). Tyngdaccelerationen är utsatt till 9,82 m/s2. V0 och S0 har värdena 0. Svaret från ekvationen multipliceras med 1000 för att få enheten i millimeter.
𝑆𝑦1 = −49.1 mm (3.2a)
𝑆𝑦2 = −196.4 mm (3.2b)
𝑆𝑦3 = −441.9 mm (3.2c)
𝑆𝑦4 = −1060 mm (3.2d)
Sy1–Sy4 påvisar uppskattningsvis hur långt materialet hinner falla i Y-led utifrån den valda tiden.
8 Utifrån falltiden beräknades sekvenser på var materialet uppskattningsvis befinner sig i X-led vid tidpunkterna 0.1, 0.2, 0.3 och 0.46 sekunder, enligt ekvation (2.3). Bandhastigheten är 1.7 𝑚/𝑠 och svaret från ekvationen multipliceras med 1000 för att få enheten i millimeter.
𝑆𝑥1 = 170 𝑚𝑚 (3.3a)
𝑆𝑥2 = 340 𝑚𝑚 (3.3b)
𝑆𝑥3 = 510 𝑚𝑚 (3.3c)
𝑆𝑥4 = 782 𝑚𝑚 (3.3d)
Sx1–Sx4 påvisar uppskattningsvis hur långt materialet hinner transporteras i horisontell riktning beroende på den valda tiden och bandhastigheten. De beräknade sekvenserna visar hur långt materialet hinner färdas i X respektive Y-led under en specifik tidpunkt, se figur 5.
Figur 5: Figuren visar hur långt materialet har transporterats i Y respektive X riktning vid en tidpunkt.
9 3.1.2 Kastparabel 2D
Utifrån de teoretiska beräkningarna implementerades värdena i CAD-programmet Inventor för att illustrera kastparabelns utseende. I figur 6 ses sträckorna i Y-respektive X-led runt
drivtrummans diameter 711 millimeter.
Figur 6: 2D ritning på kastparabeln utifrån X och Y värdena.
3.1.3 Kastparabel 3D
Utifrån ritningen i 2D skapades en 3D vy som illustrerar hur materialets utseende uppskattningsvis kommer att transporteras ner i utlastningen, se figur 7.
Figur 7: 3D illustration på kastparabel som visar materialets kast från skopan.
10 3.1.4 Centripetalacceleration
Den illustrerade kastparabeln har endast påverkats av tyngdaccelerationen och rörelse i X-led det vill säga, bandhastigheten samt tiden det tar att falla. En stor inverkan på kastet är
centripetalaccelerationen som påverkar materialet under färd runt drivtrumman.
Centripetalaccelerationen påverkar materialet i skopan så länge det finns en radie och hastighet.
Vid vald bandhastighet på 1,7 m/s med en trumradie på 355,5 millimeter kommer centripetalaccelerationen att bli 8,129 m/s2 enligt ekvation (2.4).
𝑎𝑐 = 8.129 𝑚/𝑠2 (4.4a)
Centripetalaccelerationen är alltså lägre än tyngdaccelerationen 9.82 𝑚/𝑠2. Vilket innebär att materialet följer med en liten bit över toppen, innan det kastas ut från skopan och en tangentiell komposant till kroppens tyngdpunkt börjar verka längs bantangenten. Resultatet av differensen mellan centripetalaccelerationen och tyngdaccelerationen på 1,691 𝑚/𝑠2 innebär att materialet inte kommer att hinna uppnå tyngdlöshet [5]. Om materialet skall kastas horisontellt från den högsta punkten, skall hastigheten dimensioneras så att centripetalaccelerationen är lika stor som tyngdaccelerationen. Utifrån den valda radien 355,5 millimeter beräknas den nya hastigheten enligt ekvation (2.4). Tyngdaccelerationen är utsatt till 9.82 𝑚/𝑠2.
𝑣 = 1.87 𝑚/𝑠 (4.4b)
Med vald bandhastighet på 1.87 m/s med trumradie 355,5 millimeter kommer centripetalaccelerationen att uppnå 9,836 m/s2 enligt ekvation (2.4).
𝑎𝑐 = 9.836 𝑚/𝑠2 (4.4c)
Med hastigheten 1.87 m/s kommer materialet uppnå fenomenet tyngdlöshet i sitt översta läge runt drivtrumman. Om hastigheten dimensioneras högre, slungas materialet ut allt tidigare med en större vinkel uppåt. En inverkan på hur kastparabeln kommer se ut är skopornas konstruktion och geometri. Om skopan konstrueras öppen eller stängd, kommer kastet påverkas olika.
3.2 Kapacitetsberäkning för respektive bandbredd
Skopvolym och storlek anpassas efter bandets bredd, där den totala kapaciteten utrycks i m3/h.
Bandhastigheten (v) är 1,7 m/s och materialet ballast väljs till en densitet (ρ) på 1,5 kg/L. Svaret från ekvationen multipliceras med 2,833 eftersom elevatorn hinner tömma 2,833 skopor i sekunden då avståndet mellan skoporna är 600 millimeter. Kundens krav var att skopelevatorn skulle ha en kapacitet på 300 m3/h. Bandbredd valdes till 800 millimeter, med en skopvolym på 27,5 liter för att kunna matcha kundens behov. Kapaciteten beräknades enligt ekvation (2.5).
𝐾𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 = 715.3 m3/h (5.5)
Tabell 2 - Elevatorns kapacitet beroende på bandbredd och skopans volym.
Bandbredd (mm) 650 800 1000 1200
Skopvolym (L) 22 27.5 35 42
Total kapacitet (𝑚3/ℎ) 572.2 715.3 910.3 1092.4
11
3.3 Dimensionering av direktdrift
Via möte med företaget Nord Drivsystem AB kunde lämplig val av dimensionering och pris på motor med direktdrift bestämmas [6]. Innan val av motor kunde bestämmas behövde
vridmomentet beräknas enligt ekvation (2.6). Radien på drivtrumman är betecknat med enheten r och kraften F är tyngdaccelerationen multiplicerat med vikten. Lasten som elevatorn lyfter har en vikt på 1700 kg.
𝑀 = 6000 𝑁𝑚 (3.6)
3.4 Skopkonstruktion
Skoporna dimensioneras i 6 millimeter plåt med en platta i hardox på sidan av skopan för att minska slitaget. Hardox valdes att läggas på sidan av skopan eftersom det är den sidan som utsätts för mest påfrestningar när materialet landar i skopan. Den största anledningen till förstärkningen är för att kunna skrapa upp spillet av ballast som hamnar i botten av elevatorn.
Materialet hardox valdes på grund av de slitstarka egenskaperna som skall resultera till en bättre livslängd på skoporna [8].
Figur 8: Skopkonstruktion för att minimera slitaget.
3.5 Infästning mellan skopor och matta för minsta slitage
Rubber Company AB rekommenderade användning av täckplattor gjorda av gummi på baksidan av mattan. På så sätt kan elevatorskruven monteras genom skopan förbi mattan och in i
täckplattan. Se figur 9 för modell av skopelevatorskruv. Gummimaterialet väljs på grund av trycket som täckplattorna utsätts för när skopan passerar runt vid drivtrumman. [9]
Figur 9: Modellen visar en skopelevatorskruv som beställs från Rubber [9].
12
3.6 Bultförband och transport
Elevatorn har dimensionerats för att passa och transporteras på en semitrailer. För montage har bultstandarden M10, M12 och M16 valts för att underlätta vid montering.
3.7 Styr och bärrullar
Styr och bärrullar används framförallt för att styra och hålla mattan i rätt riktning så att bandet inte kränger av trumman. Rullarna används också för att få rätt spänst på bandet så inte bandet börjar svaja eller kommer i frekvens och orsakar amplitud.
3.7.1 Styrrulle
Styrrullens konstruktion som rullen monters i tillverkas i Röbäcks verkstad som består av bockad plåt och vinkeljärn. Totalt finns 20 styrrullar fästa mot skopelevatorn som är inköpta från
företaget Rulmeca [10].
Figur 10: Styrrullens modell som används för att styra bandet.
3.7.2 Bärrulle
Företaget Rulmeca kontaktades där val av bärrullar kunde väljas med lämplig inpassning. [10]
Totalt 10 bärrullar monteras på skopelevatorn.
Figur 11: Bärrulles modell som används för att styra bandet.
13
3.8 Inspektionsluckor
Inspektionsluckor är monterade på skopelevatorn för att möjliggöra eventuell service. Vid byte av skopor har en inspektionslucka monterats på baksidan av bottensektionen, se figur 12. Den andra inspektionsluckan är placerad på översektionen ovanför drivningen som underlättar vid byte av elevatorband. Se figur 13 för övre inspektionslucka.
Figur 12: Inspektionslucka monterad på bottensektion för eventuell service.
Figur 13: inspektionslucka monterad på översektionen för eventuell service.
14
3.9 Val av elevatorband
Företaget Rubber kontaktades och rekommenderade ett Dunlop elevatorband som är utvecklat för transport av nötande och skärande material, som till exempel malm, kvarts, granit, grus och sand. Mattans bredd blev 800 millimeter med längden 40 000 millimeter [11]. Bandet levereras som en matta där sedan vulkanisering av bandet sker på plats.
3.10 Driv och vändtrumma
Driv och vändtrumma beställs från företaget Tibnor, som är en leverantör som arbetar inom stålindustrin [12]. Konstruktionsrör med dimensionen 711 millimeter i ytterdiameter med godstjockleken 16 millimeter beställs metervis och användas som driv och vändtrumma [13].
Konstruktionsrören bearbetas sedan för rätt inpassning, se ritning i bilaga 1.
3.11 Moduluppbyggnad
Skopelevatorn är uppbyggt i flera sektioner där antalet mittsektioner avgör elevatorns höjd.
Konstruktionen för mittsektionen är 3 meters modulsektioner med en bultmönstrad 10
millimeters plåt vid sina ändar. Sektionerna bultas fast via ändarna med 14 st M12 bultar som lätt kan demonteras från varandra för att välja rätt höjd mot ballastfickan.
3.12 Mottagningsficka mot skopelevator
För att dimensionera skopelevatorn mot fabrikens mottagningsficka användes bilder från fabriken. Bilderna importerades in i CAD-programmet Inventor så att rätt inpassning mellan utlastning och mottagningsficka kunde bestämmas.
15
4. Resultat
I detta avsnitt presenteras designförslaget på skopelevatorn och hur konstruktionens egenskaper fungerar.
4.1 Modell av skopelevator
Resultatet av skopelevatorns slutgiltiga designförslag uppfyller frågeställningarna och kraven som kunden och Röbäcks Sweden AB efterfrågade. Elevatorn matchar kundens kapacitetskrav på hela 300 m3/h som transporteras 20 meter upp till en ballastficka med hjälp av den starka
vinkelväxelmotorn och den kraftiga konstruktionen. Skopelevatorn är utrustad med inspektionsluckor som möjliggör utförande av eventuella servicebehov. Figur på slutgiltigt ritningsförslag från Inventor kan ses i figur 14.
Figur 14: Ritningsförslag på skopelevator designad för användning inom betongindustrin.
16
4.2 Ritningsunderlag
Ritningar för skopelevatorn skapades och presenteras med en toppvy över försättsbladet på ritningen, se figur 15.
Figur 15: Toppvy över försättsbladets ritning på skopelevatorn.
4.3 Konstruktion av skopelevator
Montaget som Röbäcks utför i projektet sker i mekanisk verkstad, det vill säga större delen av arbetet är svarvning, kapning, skärning, bockning, svetsning, gängning och bultförband.
Konstruktionen av skopelevatorn delas in i följande delar:
1. Stativ
2. Bottensektion 3. Inlastning 4. Mittensektion 5. Översektion 6. Drivning 7. Utlastning
8. Spännjustering av band
17 4.3.1 Stativ
Stativet är dimensionerat för att klara av den bärande konstruktionen och består därför av grova konstruktionsrör som svetsas fast mot mittsektionen. Stativet kommer att monteras fast i fundamentet med hjälp av gängstänger. För att minska risken att vatten tar sig in i konstruktionsrören svetsas täcklock fast mot ändarna.
Figur 16: Modell över stativets konstruktion.
18 4.3.2 Bottensektion
Sektionens uppbyggnad är konstruerad i plåt och har fått sina former utifrån bock- och skärmaskin. I botten har svart slitgummi valts för att minska slitaget mot skopor och plåt, som ständigt kommer i kontakt med spill av materialet som transporteras. Genom de stora avlånga hålen monteras kullager och lagerhus på en axel som driver en vändtrumma med hjälp av spännelement. Den genomgående axeln går att justera i vertikal riktning via en spännskruv vid lagerhusen. På bottensektionen finns en inspektionslucka monterad för eventuell service, se figur 17, 18 och 19.
Figur 17: Modell över bottensektionens konstruktion.
19
Figur 18: Modell som visar konstruktionen för vändtrumma samt spännanordning.
Figur 19: Modell som visar öppen och stängbar Inspektionslucka.
20 4.3.3 Inlastning
Inlastningen är konstruerad i bockade plåtar och en plastskiva gjord av polyuretan som bultas fast med försänkta elevatorskruvar. Plasten finns där för att skydda mot den konstanta nötningen av ballast som landar i inlastningen. På insidan finns två plåtar för att rikta ballasten rakt ner i skoporna. Inlastningen monteras fast i bottensektionen via bultförband.
Figur 20: Modell för Inlastningens konstruktion.
21 4.3.4 Mittensektion
Mittensektionerna är tre meter långa moduluppbyggda sektioner som lätt skall kunna
demonteras från varandra för att uppnå lämplig höjd till sitt ändamål. Modulerna monteras ihop med varandra via bultförband. Inuti mittensektionerna finns både styr- och bärrullar som hjälper till att hålla bandet rakt och stadigt. Utan styr- och bärrullar kan bandet komma i frekvens och börja svaja, och i värsta fall kränga av trummorna. För att minska kap- och svetskostnader har två bockade plåtar i 90 grader svetsats ihop istället för fyra plåtar runt om, se figur 21, vilket är positivt ur ett ekonomiskt perspektiv.
Figur 21: Modell som visar konstruktionen för mittensektion.
22 Bilden som visas nedan i figur 22 är en genomskärning i skopelevatorn som illustrerar styr- och bärrullarnas funktion.
Figur 22: Styr och bärrullar som rullar mot bandet.
23 4.3.5 Översektion
Översektionen är konstruerad i bockad plåt med en inspektionslucka monterad för eventuell service. Utformningen för sektionen är konstruerad så att utlastningen skall kunna monteras och demonteras från varandra. I översektionen sitter drivningen monterad via en axel som är
justerbar i vertikal riktning, se figur 23.
Figur 23: Modell över konstruktionen för översektionen.
24 4.3.6 Drivning
Drivningens konstruktion är utformad så att elevatorn skall kunna drivas i de tunga
arbetsmomenten som elevatorn utsätts för. Drivningen består av en 30 kW växelmotor som roterar drivtrumman och elevatorbandet i 1,7 m/s. Denna hastighet är anpassad efter trummans radie för att få en tillräckligt god kastparabel ner i utlastningen utan att materialet faller ner igen.
Om hastigheten är för hög finns en frekvensomriktare som kan ställa ner frekvensen på motorn, och på så sätt minska hastigheten på växeln.
Spännanordningen har en liknande konstruktion i översektionen som den har i bottensektionen, det vill säga kullager och lagerhus sitter monterade på drivaxeln. Den enda skillnaden är att det endast är ett kullager och lagerhus monterat i drivningen då växelmotorn fungerar som ett lager i sig, och monteras direkt på axeln. Här finns även möjlighet att justera axeln vertikalt via en spännskruv på ena sidan, se figur 24.
Figur 24: Drivningens konstruktion vom visar motor, drivtrumma samt lager med spännanordning.
25 4.3.7 Motorfäste
Vid val av infästning av motorn rekommenderade Nord Drivsystem AB en flänsbaserad infästning.
Motorn monteras fast med 8 st M16 bultförband mot en 25 millimeters plåtskiva. Skivan svetsas fast för att kunna klara av de roterande krafterna som motorn vrider på 6000 Nm.
Figur 25: Motorfästets konstruktion som visar hur motorn är monterad.
26 4.3.8 Utlastning
Här kastas slutligen den mängd ballast ut som har transporterats med skoporna. Utlastningen är konstruerad i två plåtar för att minska arbetskostnad på kap- och svetstid. Inuti utlastningen är en glidplastskiva monterad för att minska skadorna mot plåten. Efter materialet har
transporterats genom utlastningen hamnar ballasten i behandlingsmomentet där det sedan blir till betong.
Figur 26: Utlastningens konstruktion som visar där materialet slutligen lämnar elevatorn.
27 4.3.9 Spännjustering av bandet
Stativet svetsas fast mot mittsektionen, vilket medför att bottensektionen blir den rörliga delen som justerar spänningen på bandet. Det är viktigt att bandet är rejält spänt för att minska chansen att bandet sätts i svängningsrörelse eller spårar av trummorna. Spännjusteringens uppgift är att förhindra detta. När bandet skall spännas lossas muttrarna från gängstängerna så att bottensektionen kan hissas ner för lämplig elasticitet på bandet. Detta görs även för att inlastningen ska passa mot det befintliga transportbandet, som levererar materialet till elevatorns inlastning. Bilden bakom skopelevatorn är en infogad bild på fabriken hos kunden i rätt skala, så att produkten kan dimensioneras utifrån kundens förutsättningar. Skillnaderna i spännanordningen illustreras i figurerna 27–30.
Figur 27: ospänt elevatorband med uppspänd bottensektion.
Figur 28: Spänt elevatorband med nedsänkt bottensektion.
28
Figur 29: Ospänt elevatorband med uppspänd bottensektion.
Figur 30: Spänt elevatorband med nedsänkt bottensektion.
29
4.4 Pris för komponenter från externa företag
Kostnadskalkyl för samtliga komponenter som beställs från externa företag.
Tabell 3 - Prislista på komponenter som beställs från externa företag.
Artikel Pris (SEK) Antal enheter Pris (SEK)
Elevatorband 1170 40 m 46 800
Hål 3 280 st 840
Elevatorskopskruv 1 700 st 7000
Lagerhus & lager 10 000 3 st 30 000
Trummor 6000 2 st 12 000
Spännelement 1300 4 st 5200
Vinkelväxelmotor 121 461 1 st 121 461
Bärrullar 760 10 st 7600
Styrrullar 570 20 st 11 400
Totalsumma 242 301
30
5. Diskussion och slutsats
I det här avsnittet presenteras reflektioner och slutsatser jag dragit av resultatet.
5.1 Hur arbetet har gått
På konstruktionsavdelningen använde vi oss av CAD-programmet Inventor 2020, som har varit en avgörande faktor i framtagningen av skopelevatorn. Eftersom jag tidigare har arbetat på Röbäcks och använt Inventor som program, så behövdes endast en liten uppfräschning av minnet de första dagarna sedan flöt det på bra, trots det fanns vissa utmaningar. Den största utmaningen för mig var de krav som konstruktörer har, att allt skall fungera i praktiken och inte bara i teorin eller se snyggt ut på datorn. Jag fick verkligen lära mig hela spektrumet, allt från att ta kontakt med företag, arbeta fram smarta idéer tillsammans med mina kollegor, till att faktiskt få fram en konstruktion som kunden efterfrågar. Jag fick i allra högsta grad känna på hur det kan vara att arbeta som en konstruktör. I efterhand inser jag att det hade varit aktuellt att beräkna kastparabeln exempelvis via simuleringsprogram. En simulation av kastparabeln hade gett en mer precis bild av kastet vilket hade varit intressant att inkludera i rapporten.
5.2 Studiebesök
Ett studiebesök var inplanerat hos en tidigare kund till Röbäcks, där de använder en skopelevator i daglig drift. Studiebesöket kunde inte kunde genomföras på grund av besöksförbud under pågående pandemi. Detta hade verkligen varit ett lärorikt besök att få genomföra eftersom jag hade fått uppleva och se hur de hade valt att konstruera sin skopelevator. Det hade också varit givande att få bolla idéer med företaget angående fel och brister.
5.3 Skopelevatorns konstruktion
Skopelevatorns slutgiltiga ritningsförslag har konstruerats i Inventor och fått sin stabila grund med hjälp av dess grova konstruktionsbalkar som håller ihop den bärande konstruktionen. Det som sticker ut i konstruktionen är den simpla möjligheten till att kunna höja och sänka
bottensektionen för att kunna välja rätt elasticitet på bandet samt lämplig höjd för inlastningen.
En annan utmärkande detalj i konstruktionen jämfört med andra skopelevatorer är den rundade botten som gör att skoporna succesivt kan ta med sig spill upp igen. Denna lösning kommer också påverka kunden positivt ekonomiskt, då spillet kan tas omhand. Någonting som är genomtänkt under konstruktionen var servicebehovet, det vill säga att alla delar enkelt skall kunna bytas ut ifall något går sönder. Därför är det viktigt att det är lätt att utföra service, så att skopelevatorn inte behöver rivas helt för byte av viss komponent. Under projektet har fokus alltid varit på att verkligen tänka igenom ritningarna så att de underlättar tillverkningsfasen i verkstaden. Detta har inneburit allt från att bespara fraktkostnader vid inköp av material till det mekaniska arbetet så som kap, svets och bockning.
5.4 Jämförelse med tidigare konstruktioner
I jämförelse med tidigare modeller av skopelevatorer är dess huvudsakliga uppgift densamma.
Det som skiljer dem åt är utseendet av elevatorn som anpassas efter fabrikens förutsättningar, exempelvis höjd och kapacitet. Tittar man på tidigare modeller har vissa elevatorer använt sig av två motorer som driver bandet, istället för en. Med denna typ av konstruktion kan driften istället fördelas jämnt mellan två motorer och tillsammans driva elevatorbandet. Resultatet av en konstruktion med två motorer bidrar till mindre påfrestningar av drivsystemet, till skillnad från ett driftval med en motor. Nackdelen är kostnaderna för motorerna. En generell fördel med att välja elmotorer till en skopelevator är att vridmomentet under låga hastigheter är väldigt höga och kommer därför till stor användning inom betongindustrin.
31
5.5 Mål och krav
Målet med examensarbetet har varit att ta fram ett designförslag för en skopelevator under användning av Computer-aided design (CAD) med mjukvaran Inventor. Designförslaget skulle innehålla konstruktions- och ritningsunderlag, vilket anses vara uppnått enligt Röbäcks Sweden AB. Under arbetet med projektet ställde Röbäcks en del krav som kan läsas i kravspecifikationen.
Kunden till Röbäcks ville även att skopelevatorn skulle matcha ett kapacitetskrav på cirka 300 m3/h till en ballastficka på 20 meters höjd. Dessa krav anses också vara uppfyllda med underlag från de teoretiska beräkningarna och ritningsunderlag.
5.6 Röbäcks om arbetet
Projektet har redovisats för platschef och säljare på Röbäcks som är nöjda med resultatet. De gillade verkligen idén med den runda botten som jag har konstruerat och funktionen med att skoporna tar med sig spillet upp igen. De ser framemot att kunden blir intresserad av
konstruktionen och starta processen av att producera en skopelevator i Röbäcks verkstad.
32
Referenser
[1] Rogers, J. (1994). “The basics of bucket elevators”. Powder and Bulk Engineering, 8, 36-36.
[2] Stevenson, B. (2015). ”How to prevent or mitigate a dust explosion in your bucket elevator”.
Powder and Bulk Engineering, July 2015. Tillgänglig via:
https://www.powderbulk.com/enews/2015/editorial/story_pdf/pbe_06_17_15RIHF.pdf.
[Hämtad 2020-05-20]
[3] Živanić, D, Gajić, A. Zelić, A. (2018). ”Control of the work, elements and modelling of the bucket elevators in modern software packages”. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol 393. Pp 12077. doi:10.1088/1757-899X/393/1/012077.
[4] Pérez-Aparicio, J. L, Bravo R, Gómez-Hernández J. J. (2014). “Optimal numerical design of bucket elevators using discontinuous deformation analysis”. Granular Matter, Vol.16 (4), p.485- 498. DOI: 10.1007/s10035-014-0485-5.
[5] Wikipedia (2019). Tyngdlöshet. https://sv.wikipedia.org/wiki/Tyngdl%C3%B6shet. [Hämtad 2020-06-05]
[6] Nord Drivsystem (2020). Vinkelväxlar.
https://www.nord.com/cms/se/product_catalogue/geared_motors/helical_bevel_geared_motor s/pgop_helical_bevel_geared_motors.jsp. [hämtad 2020-05-30]
[7] Björk, K. (2013). Formler och tabeller för mekanisk konstruktion: mekanik och hållfasthetslära.
Uppl. 7. Märsta: Björks förlag.
[8] SSAB (2019). Hardox 500. https://news.cision.com/se/ssab/r/nya-hardox--500-tuf-slitstal- hjalper-skoptillverkaren-winkelbauer-att-satta-hart-mot-hart,c2753436. [hämtad 2020-05-30]
[9] Rubber Company (2019). Rubbers produktkatalog. Tillgänglig via:
https://online.flippingbook.com/view/501998/36/ [hämtad 2020-05-30]
[10] Rulmeca. Rulmecas tekniska informationspdf. Tillgänglig via:
https://www.rulmeca.com/en/products_bulk/catalogue/1/belt_conveying/1/rollers. [hämtad 2020-03-03]
[11] Rubber Company (2019). Rubbers produktkatalog. Tillgänglig via:
https://online.flippingbook.com/view/501998/24/ [hämtad 2020-05-30]
[12] Tibnor. (2020). Stål, metaller och tro på den nordiska industrin. https://www.tibnor.se/om- tibnor/om-tibnor. [hämtad 2020-05-30]
[13] Tibnor. (2020). Sömlösa Rör.
https://portal.tibnor.com/sv_SE/St%C3%A5l/R%C3%B6r/Konstruktionsr%C3%B6r/S%C3%B6ml%
C3%B6sa-R%C3%B6r-S355J2H-EN10210/p/506002005620 [hämtad 2020-05-30]
Bilaga 1
Figur 31: Ritning som visar genomskärning av vändtrumma
