Utveckling och konstruktion av dämpare och låssystem för vågkraftverk
Gustav Rydén
Emil Åberg
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten
Besöksadress:
Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress:
Box 536 751 21 Uppsala Telefon:
018 – 471 30 03 Telefax:
018 – 471 30 00 Hemsida:
http://www.teknat.uu.se/student
Development and construction of a damper and locking system for wave power plants.
Gustav Rydén & Emil Åberg
The division of Electricity at Uppsala University is developing a wave energy converter (WEC) consisting of a linear generator connected to a bouy at the water surface through a wire cable called the connection line.
During extreme conditions, the wave power plant will experience forces up to 500 kN, which lead to unnecessary wear and will ultimately cause the failure of the converter. To prevent this there is a need for a damper.
The wave energy converter works at a maximum efficiency when the translator’s are centered with respect to the stator. Due to tidal movements the position of the translator can deviate. There for a mechanical divice that will compensate for this is needed.
This report describes the further development of an earlier project where a tidal wave compensator for a wave energy converter of Seabased AB was developed. The compensator Mattias Maier developed in the earlier project needed a locking system to lock the
compensators position when not active. This report also illustrates the development of a damperthat is to be implemented in the WEC. The damper´s function is to prevent peak forces to occurring. This has to be achiveble without lowering the power plant’s efficiency, meaning that it should only start to moderate the force when it goes above 200 kN.
The design process consisted in developing and dimensioning two
solutions, with special consideration to the standard components and manufacturing methods available at the workshop in Lysekil.
The project resulted in 3D modeled design solutions and complete manufacturing drawings. We also present some recommendations for further studies in chapter 8.
ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2014/09-SE Examinator: Lars Degerman
Ämnesgranskare: Rafael Waters Handledare: Valeria Castellucci
I
Sammanfattning
På avdelningen för el-lära på Uppsala universitet utvecklas ett innovativt vågkraftverk som består av en linjärgenerator placerad på havets botten och från dess translator löper en vajer upp till en boj vid ytan. Vågorna genererar en linjär rörelse till translatorn och elenergi skapas.
Den här rapporten beskriver två projekt. Dels utvecklings- och konstruktionsarbetet av en dämpare till det innovativa vågkraftverket och dessutom utveckling och konstruktion av ett låssystem till en tidigare framtagen tidvattenkompensator som ska sitta på vågkraftverkets boj.
Vid extrema förhållanden uppstår enorma krafter på upp till 500 kN i vågkraftverket och detta leder till onödigt slitage och i värsta fall går vågkraftverket sönder. För att undvika detta behövs en dämpare, men det är viktigt att den inte försämrar vågkraftverkets effektivitet. Den måste alltså aktiveras först när den behövs.
Vågkraftverket arbetar effektivast när translatorns slaglängd är centrerad i statorn. Om slaglängden förskjuts sjunker effektiviteten och kommer i värsta fall resultera i att
translatorn slå i toppen eller botten, vilket i sin tur sliter ut och skadar vågkraftverket. Om vågkraft verken skall kunna användas i delar av världen där det är tidvatten så måste höjdförändringen kompenseras för. På grund av tidvatten måste vajerns längd justeras för att behålla vågkraftverkets effektivitet. För att kompensera för tidvatten används en tidvattenkompensator utvecklad av Mattias Maier. Tidvattenkompensatorn är en form av kättingtelfer som matar ut eller in en kätting som är kopplad till vajern. DC-motorn som används klarar inte att hålla emot de enorma krafterna som uppstår vid extrema
väderförhållanden och därför behöver den support av ett låssystem. Mattias Maier tog under sin utveckling av tidvattenkompensatorn fram en låsskiva i vilken det finns hål för låsning med hjälp av två låskolvar. Låsskivan är utgångspunkten för utveckling av låssystemet.
Genom att tidigt studera andra områden där liknande funktioner finns så fick vi en bra grund inför konceptgenereringen. Val av koncept gjordes genom att använda Pughs matris för att på ett rent objektivt sätt välja ut det bästa konceptet för respektive projekt.
Kontinuerliga möten med handledare och ämnesgranskare har säkerställt att de krav som ställs på slutprodukterna uppnås.
Konstruktionsarbetet har bestått i att utveckla och dimensionera de ingående komponenterna med hänsyn till de standarder och tillverkningsmetoder som finns tillgängliga i verkstaden i Lysekil där de kommer tillverkas om det blir aktuellt.
II
Examensarbetet resulterade ett konstruktionsförslag för respektive projekt. Kompletta ritningar för produktion har också tagits fram så att de finns tillgängliga om produktion skulle bli aktuellt.
Under projektets gång har vi insett att det finns några saker som måste undersökas närmare innan produkten kan gå till produktion, dessa problem har inte ingått i projektet men vi har uppmärksammat behovet av vidare undersökningar i avsnittet för förslag på vidare
undersökningar.
Konstruktionslösningarna uppnår i övrigt de flesta krav som blev uppställda i början av projektet tillsammans med handledarna. I låssystemet ligger säkerhetsfaktorn över 2 på alla utom en del och i dämparen behövs en närmare undersökning för att se att fjädern kommer bete sig som det är tänkt.
Nyckelord: Examensarbete, Vågkraftverk, Dämpare, Tidvattenkompensator, Låssystem, Konstruktion, Produktutveckling
III
Förord
Denna rapport presenterar ett examensarbete där vi utvecklat och konstruerat ett förslag på en dämpare till det innovativa vågkraftsverk som utvecklas vid vågkraftsforskningen på Uppsala universitet samt tagit fram ett låssystem till en tidigare utvecklad
tidvattenkompensator för vågkraftverket. Rapporten redovisar examensarbetets gång från konceptgenerering till slutgiltiga produktförslag på dämpare respektive låssystem.
Vi vill rikta ett stort tack till vår handledare Valeria Castellucci och vår ämnesgranskare Rafael Waters för möjligheten att få göra detta examensarbete och för det goda
sammarbetet.
Ett stort tack också till Seabased Industry AB, Tillväxtverket, StandUP och Sveriges Centrum för förnybar elenergiomvandling som alla ligger bakom möjligheten till detta arbete.
Vi vill avslutningsvis också tacka för den support vi fått från olika företag. Håkan
Jesperson på SKF, Mishra Kumar på Trelleborg AB, Hans Gleisner på Camozzi Pneumatik AB, Björn Johansson på Nordela AB och Markus Byström på SKS Sweden för att nämna några.
Uppsala, maj 2014
Emil Åberg & Gustav Rydén
IV
1 Inledning ...1
1.1 Bakgrund ...1
1.2 Problembeskrivning...2
1.3 Syfte och Mål ...3
1.4 Avgränsningar ...3
1.5 Kravspecifikation ...4
1.5.1 Låssystem ...4
1.5.2 Dämpare ...4
1.6 Arbetsgång...4
2 Metoder ...7
2.1 Pughs matris ...7
2.2 SCAMPER ...7
2.3 FEM-analys ...7
2.4 Litteraturstudie ...7
3 Förstudie...9
3.1 Olika linjära drivningar ...9
3.1.1 Kulskruv ...9
3.1.2 Drivrem ...10
3.1.3 Kuggstång ...10
3.1.4 Linjärmotor ...11
3.1.5 Hydraulik ...11
3.1.6 Pneumatik...12
3.2 Olika dämpare ...12
3.2.1 Gasdämpare ...12
3.2.2 Hydraulisk dämpare ...13
3.3 Olika fjädrar ...13
3.3.1 Tryckfjäder ...14
3.3.2 Tallriksfjäder ...14
3.3.3 Vågfjädrer ...15
V
3.3.4 Gummifjäder ... 15
3.3.5 Gasfjäder ... 16
3.4 Motorer ... 16
3.4.1 DC-motor ... 16
3.4.2 AC-motor ... 16
3.4.3 Stegmotor ... 16
3.4.4 Linjärmotor ... 16
3.4.5 Hydraulmotor ... 17
3.5 Växlar ... 17
3.5.1 Kuggväxel ... 17
3.5.2 Snäckväxel ... 17
3.5.3 Planetväxel ... 18
4 Koncept ... 19
4.1 Konceptgenerering av låssystem ... 19
4.1.1 Koncept för låskolvsdrivning ... 19
4.1.2 Koncept för låsupphängning ... 24
4.2 Val av koncept för låssystem ... 26
4.2.1 Val av koncept för låskolvsdrivning ... 26
4.2.2 Val av koncept för låsupphängning... 29
4.3 Konceptgenerering av dämpare ... 29
4.3.1 Koncept 3.1 - Magnetcylinder med dämpningsmedium ... 29
4.3.2 Koncept 3.2 - Magnetcylinder med tallriksfjädrar ... 30
4.3.3 Koncept 3.3 - Magnetcylinder med spiralfjäder ... 31
4.3.4 Koncept 3.4 - Tryckcylinder med belastade backventiler ... 32
4.3.5 Koncept 3.5 - Magnetcylinder med MagLev-broms ... 33
4.3.6 Koncept 3.6 - Kolv med endast förspänd fjäder ... 34
4.4 Val av koncept för dämpare ... 34
5 Konstruktion ... 37
5.1 Konstruktion av låssystem ... 37
5.1.1 Justeringar av befintliga komponenter ... 37
VI
5.1.3 Låsupphängning ...48
5.1.4 Inköpta komponenter till låssystem ...54
5.2 Konstruktion av dämpare ...56
5.2.1 Skal...57
5.2.2 Överdel ...59
5.2.3 Kolv ...67
5.2.4 Botten ...72
5.2.5 Gummifjäder ...76
6 Resultat...79
6.1 Låssystem ...79
6.1.1 Funktion ...81
6.1.2 Återkoppling av kravspecifikation ...82
6.2 Dämpare ...83
6.2.1 Funktion ...84
6.2.2 Återkoppling av kravspecifikation ...84
7 Slutsats och diskussion...87
7.1 Utvärdering av projekten ...87
7.1.1 Allmänt...87
7.1.2 Låssystem ...87
7.1.3 Dämpare ...87
7.2 Låsskivan ...87
7.3 Alternativt byta motor för högre låsningshastighet ...88
7.4 Tester krävs på gummifjäder ...88
7.5 Val av rör till låssystemet är ej bestämt ...88
7.6 Styrkort ...88
8 Förslag på fortsatta undersökningar ...89
8.1 Passiv tidvattenkompensator ...89
8.2 Gummifjäder ...89
8.3 Ekonomisk optimering ...89
VII
8.4 Dämpare med magneter som aktiveringsreglage ... 89
8.5 Byta motor till tidvattenkompensatorn ... 89
8.6 Byta motor till låssystemet ... 90
8.7 Flänsar i låsskivorna ... 90
9 Referenser ... 91
10 Bilageförteckning ... 93
VIII
Figurförteckning
Figur 1-1 Lysekilsprojektets innovativa vågkraftverk som det ser ut idag (Seabased.com,
vågkraftverk, 2014) ...1
Figur 1-2 Befintlig lösning av tidvattenkompensator (Maier, 2013) ...2
Figur 3-1 Olika typer av kulskruvar(DesignWorldOnlice.com, kulskruv, 2014) ...9
Figur 3-2 Drivrem(precisionmicrodrives.com, drivrem, 2014) ...10
Figur 3-3 Kuggstång(gearcmm.com,kuggstång, 2014) ...10
Figur 3-4 En typ av linjärmotor(compotech.se, linjärmotor, 2014) ...11
Figur 3-5 Hydraulcylinder(mobilehydraulictips.com, hydraulcylinder, 2014) ...11
Figur 3-6 Pneumatisk cylinder i genomskärning(mathworks.com, pneumatiskcylinder, 2014) ...12
Figur 3-7 Gasdämpare i genomskärning(aratron.se, gasdämpare, 2014) ...12
Figur 3-8 Hydraulisk dämpare(directindustry.com, hydrauliskdämpare, 2014) ...13
Figur 3-9 Tryckfjäder(industritorget.se,tryckfjäder 2014) ...14
Figur 3-10 Staplade tallriksfjädrar(meadinfo.org, tallriksfjäder, 2014) ...14
Figur 3-11 Vågfjäder(globalspec.com, vågfjäder, 2014) ...15
Figur 3-12 En typ av gummifjäder(alibaba.com, gummifjäder,2014) ...15
Figur 3-13 Illustation av hur en hydraulmotor fungerar(daerospace.com, hydraulmotor, 2014) ...17
Figur 3-14 Snäckväxel(conrad.com, snäckväxel, 2014) ...17
Figur 3-15 Planetväxel(stefanv.com, planetväxel, 2014) ...18
Figur 4-1 Fjäder och elektromagnet ...19
Figur 4-2 Två elektromagneter ...20
Figur 4-3 Tvåvägs pneumatisk cylinder med hydraullås ...21
Figur 4-4 Tvåvägs hydraulcylinder med hydraullås ...22
Figur 4-5 Fjäderbelastad hävstång och DC-motor ...23
Figur 4-6 Fjäderbelastat utväxlatkugghjul och DC-motor ...24
Figur 4-7 Låsupphängning lodrätt tangentiellt mot hålskivan ...25
Figur 4-8 Låsupphängning tangentiellt med M-form ...25
Figur 4-9 Låsupphängning tangentiellt med triangelform ...26
Figur 4-10 Fjädermekanism för lagring av energi medan låsskivans hål positioneras ...27
Figur 4-11 Ena sidan av låssystemet enligt det slutgiltiga konceptet ...28
Figur 4-12 Magnetcylinder med dämpningsmedium ...29
Figur 4-13 Magnetcylinder med tallriksfjädrar ...30
Figur 4-14 Magnetcylinder med spiralfjäder ...31
Figur 4-15 Tryckcylilinder med belastade backventiler ...32
Figur 4-16 Magnetcylinder med MagLev-broms ...33
Figur 4-17 Dämpare med hjälp av endast förspänd fjäder. ...34
IX
Figur 4-18 SCK-fenderns reaktion i % med avséende på belastning i % av vad den klarar av. Den undre kurvan visar energiabsorptionen i % per % kompression.(Trelleborg.com,
2014) ... 35
Figur 5-1 Låssystemet i sin helhet. ... 37
Figur 5-2 Nya dimensionerna på låsskivan ... 38
Figur 5-3 Specialdesignat täcklock för fastlåsning av lager. ... 39
Figur 5-4 Fjädermekanismen i genomskärning ... 40
Figur 5-5 Låskolv ... 40
Figur 5-6 Illustration av funktionen med låskolvens fasning i snittvy där låskolven glider mot täcklocket och på så sätt inte kan haka i bussningen med spetsen. ... 41
Figur 5-7 Fjäderhuset ur isometrisk vy. ... 41
Figur 5-8 FEM-analys av fjäderhuset. ... 42
Figur 5-9 Ändstopp ... 43
Figur 5-10 Lock med drivfäste ... 43
Figur 5-11 Glidhylsa med fäste för montage på låsupphängningen. ... 43
Figur 5-12 Motorupphängning. ... 44
Figur 5-13 Kulskruvsupphängning. ... 44
Figur 5-14 Drivningsupphängning med 8000 N belastning från motorn. ... 45
Figur 5-15 Länkarmskonstruktion med länkarmarna i linje med kulskruvsmutterfästet. .... 46
Figur 5-16 Länkarm med jämn bredd hela vägen. ... 47
Figur 5-17 Länkarmen som sammankopplar fjädermekanismerna med kulskruven. ... 48
Figur 5-18 FEM-analys av det första konceptet för låsupphängningen. ... 49
Figur 5-19 FEM-analys av den slutgiltiga konstruktionen. ... 50
Figur 5-20 Låsupphängning bestående av plåtar, rör och bussningar. ... 51
Figur 5-21 FEM-analys av låsupphängning och låskolv tillsammans. ... 52
Figur 5-22 Lagerhus med gängade hål för att kunna skruva fast täcklock. ... 53
Figur 5-23 Täcklock med tre försänkta frigående M4-hål. ... 53
Figur 5-24 SKF’s trådlindade lager. ... 54
Figur 5-25 Dämparen ... 56
Figur 5-26 Skal ... 57
Figur 5-27 FEM-test på skalet... 58
Figur 5-28 Överdel på dämpare med fäste för vajer. ... 59
Figur 5-29 FEM-test på Toppdelen. ... 60
Figur 5-30 Förstärkning sedd från undersidan. ... 61
Figur 5-31 Basplatta ... 61
Figur 5-32 Förstärkningsplåt till dämparens överdel ... 62
Figur 5-33 Den yttre förstärkningsringen ... 62
Figur 5-34 Den inre förstärkningsringen... 63
Figur 5-35 Mothållet för gummimattan ... 63
X
Figur 5-36 Lyftöglor och förstärkningsbalkar ...64
Figur 5-37 Snedslagsbalk ...64
Figur 5-38 Centrumstapelsskiva ...65
Figur 5-39 Lyftögla ...65
Figur 5-40 Gummimatta...66
Figur 5-41 Kolven ...67
Figur 5-42 FEM-test på kolven ...68
Figur 5-43 Kolvtopp...69
Figur 5-44 Grundplatta i kolvtoppen. ...69
Figur 5-45 Stödbalk ...70
Figur 5-46 Kolvstång ...70
Figur 5-47 Kolvstångskroppen ...71
Figur 5-48 Topplatta på kolvstången ...71
Figur 5-49 Nederdel på kolvstången ...72
Figur 5-50 Kolvstångsbotten ...72
Figur 5-51 Lyftögla ...72
Figur 5-52 Bottendelen sett från ovan ...72
Figur 5-53 Bottendelen sett från undersidan ...72
Figur 5-54 FEM-test på bottendelen ...73
Figur 5-55 Bottenplatta med hål för förspänningsskruvar ...73
Figur 5-56 Förstärkningsplatta ...74
Figur 5-57 Mittenring till botten ...74
Figur 5-58 Förstärkningsbalk till botten ...75
Figur 5-59 Ytterring botten ...75
Figur 5-60 PVC-rör för att minska avskavning av färg på kolven ...76
Figur 5-61 Gummifjäder ...76
Figur 5-62 Gummit i fjädern ...77
Figur 5-63 Plåtskiva med tjocklek på 3 mm ...77
Figur 5-64 Topp- och bottenplatta ...77
Figur 5-65 Inköpta schacklet...78
Figur 6-1 Det slutgiltiga produktförslaget för låssystemet. ...79
Figur 6-2 Det utvecklade låssystemet monterat på tidvattenkompensatorn ...80
Figur 6-3 Tidvattenkompensatorn placerad på bojen ...80
Figur 6-4 Fjädermekanismens utséende vid upplåst läge. ...81
Figur 6-5 Fjädermekanismens utséende då fjädern är komprimerad. ...81
Figur 6-6 Fjädermekanismens utséende vid låst läge. ...82
Figur 6-7 Dämparens slutgiltiga produktförslag ...83
Figur 6-8 Till vänster visas dämparen i obelastat läge och till höger syns dämparen när gummifjädern är kompirmerad. Båda i genomskärning. ...84
1
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Lysekilsprojektet startade år 2002 på Uppsala universitet av forskare och doktorander.
Projektet innefattar forskning på ett nytt innovativt koncept av vågkraftverk där en
linjärgenerator är placerad på botten och dess translator är kopplad till en boj vid havsytan.
Forskning och utveckling utförs vid Uppsala universitet och produktion sker vid Seabased AB’s verkstad i Lysekil men också delvis vid Uppsala universitet.
De innovativa vågkraftverken är uppbyggda av i huvudsak en linjärgenerator placerad på havets botten som via en vajer är kopplad till en boj på havsytan. Havets vågor ger bojen en vertikal svängningsrörelse som i sin tur via vajern får translatorn i linjärgeneratorn att röra sig upp och ner. Denna rörelse genererar elenergi (se figur 1-1).
Figur 1-1 Lysekilsprojektets innovativa vågkraftverk som det ser ut idag (Seabased.com, vågkraftverk, 2014)
2
För att vågkraftverket ska vara så effektivt som möjligt hela tiden måste translatorns slaglängd hållas centrerad i statorn. Skulle inte vajerns längd justeras skulle tidvattnet förskjuta translatorns svängningsrörelse ur det optimala läget. Translatorn skulle då befinna sig utanför det effektiva området vilket praktiskt betyder att den slår i taket eller botten av linjärgeneratorn. Utöver att vågkraftverket får sämre effektivitet skapar detta också onödigt slitage genom de kraftiga kollisionerna. För att dämpa de kollisioner som ändå uppstår så används en fjäder i toppen och i botten av linjärgeneratorn som tar emot translatorn.
För att kompensera för tidvattnet används en kättingtelfer som matar in eller ut en kätting (se figur 1-2). För drift av denna används en DC-motor som via en 4-stegs planetväxel driver en axel. På axeln sitter en kättingkota som matar kättingen ned i eller upp ur kättingsamlaren. På samma axel sitter även en låsskiva som är till för att kunna låsa fast tidvattenkompensatorns läge. Fastlåsningen sker genom att två låskolvar förs in i hålen som finns på låsskivan (Maier, 2013).
Figur 1-2 Befintlig lösning av tidvattenkompensator (Maier, 2013)
1.2 Problembeskrivning
Projektet består av att konstruera en lösning för drivning av låskolvarna och integrera detta med den befintliga lösningen av tidvattenkompensatorn. Låskolvarna ska kunna skjutas in i låsskivans hål och även kunna dras ur. Låset ska klara av att hålla emot de höga dynamiska krafterna som vågkraftverket kommer utsättas för. Låssystemets energikälla är ett batteri
3
som laddas upp med hjälp av solceller på bojen vilket betyder att energiförsörjningen är begränsad. Begränsningen är i dagsläget inte bestämd då denna modul ännu inte är dimensionerad.
De höga krafterna som uppstår vid kollisionen mellan translatorn och toppen av
linjärgeneratorn innebär ett enormt slitage av vågkraftverket och behöver dämpas mer än de befintliga ändstoppen klarar av. Projektet kommer också innefatta utveckling av en typ av dämpare som ska vara monterad någonstans på vajern mellan boj och linjärgenerator.
Dämpningen får inte innebära effektivitetsförlust för vågkraftverket utan ska bara aktiveras när pikkrafter uppstår.
1.3 Syfte och Mål
Examensarbetets syfte är att komplettera Mathias Maiers lösning på tidvattenkompensator för vågkraftverk med ett låssystem som driver låskolvar fram och tillbaka genom låsskivans hål samt ta fram en typ av dämpningsfunktion för vågkraftverket som absorberar pikkrafter.
Lösningarna kommer att konstrueras och modelleras i SolidWorks och
tillverkningsritningar ska tas fram. Arbetet kommer att avslutas med en sammanställning i form av en skriftlig rapport som också kommer innehålla renderade bilder på
produktförslagen.
1.4 Avgränsningar
Examensarbetet innefattar utveckling av låssystemet för tidvattenkompensatorn och
utveckling av dämpningsfunktion för hela vågkraftverket. Arbetet med låssystemet kommer utgå ifrån Mathias Maiers rapport (Maier, 2013). Ändringar i hans konstruktion kommer endast göras om det är absolut nödvändigt för att kunna genomföra konstruktionsarbetet. I övrigt följer vi det han påbörjat. Hållfasthetsberäkningar och ritningar kommer endast göras för låssystemet, justerade komponenter och dämparen.
Vi kommer inte ta hänsyn till vikten på dämparen. Bojens svängningsrörelse ska ha en viss förskjutning relativt vågornas egen svängningsrörelse för att maximera vågkraftverkets effektivitet. Denna förskjutning kommer bero av det motstånd som dämparen och
generatorn ger bojen och eftersom det inte är känt vilken vikt dämparen ska ha för att detta ska uppnås kan vi heller inte anpassa oss efter det.
4
1.5 Kravspecifikation
1.5.1 Låssystem Krav 1
Låssystemet ska tillsammans med hela tidvattenkompensatorn rymmas inom en hexagonformad area på 9,4 m2.
Krav 2
Låsmekanismen ska tåla en belastning på 500 kN och ha en säkerhetsfaktor på 2.
Krav 3
Låskolven ska ha en diameter på ca 60 mm. Detta för att följa Mattias Maiers konstruktion.
1.5.2 Dämpare Krav 1
Dämparen ska tåla en belastning på 500 kN och ha en säkerhetsfaktor på 2.
Krav 2
Dämparens funktion ska inte påverkas av biobeväxning.
Krav 3
Dämparen ska aktiveras först när belastningen överstiger 20 ton.
1.6 Arbetsgång
Projektet började med en förstudie där vi läste Mattias Maiers rapport “Utveckling och konstruktion av en tidvattenkompensator för vågkraftverk” för att se vad vårat projekt grundar sig i. Vi undersökte också lösningar på liknande utmaningar inom andra områden för att med inspiration påbörja konceptgenerering individuellt. Därefter möttes vi för att presentera de koncept som tagits fram och utvärdera dessa. Tillsammans med handledare valdes det koncept som vi skulle arbeta vidare med.
Efter att ett koncept för dämpare respektive låssystem valts ut utvecklades dessa ytterligare efter de erfarenheter vi fått så långt in i projektet.
Konstruktionsarbetet gick till så att vi provade olika konstruktionslösningar (dimensioner och former) i CAD-programmet för att sedan välja en enkel konstruktion som också klarar de krav som ställts. Alla komponenter hållfasthetstestades för att se om de klarar de krav som ställts upp.
5
De komponenter som ska köpas in valdes ut genom mail-kontakt med olika företag samt egna beslut genom att titta på företagens hemsidor. Vi presenterade vilka krav
komponenterna behöver uppfylla och därefter fick vi en rekommendation.
6
7
2 Metoder
2.1 Pughs matris
Pughs matris är en metod för att poängsätta olika alternativa lösningar på ett problem och därefter få fram det bästa alternativet med avseende på de kriterier som valts att värdera efter. De olika kriterierna viktas också i olika grad beroende på hur viktiga de anses i sammanhanget. Metoden är vanligt förekommande inom design och konstruktion för att på ett objektivt sätt välja en gemensam lösning som uppfyller flera krav.
2.2 SCAMPER
Scamper är en initialförkortning av Substitute, Combine, Adapt, Modify, Put to another use, Eliminate och Reverse som då på svenska betyder Byta ut, Kombinera, Anpassa, Modifiera, Använda till annat, Ta bort och Vända. Det fungera som en checklista med möjliga förändringar som kan göras på den del eller produkt som utvecklas eller
uppdateras. Kort sagt handlar SCAMPER om att utnyttja existerande idéer och lösningar.
2.3 FEM-analys
FEM-analys är en metod för att undersöka vilka spänningar som uppstår i en konstruktion.
Detta finns inbyggt SolidWorks. Genom att definiera en konstruktions fixerade ytor, material och vilka belastningar den kommer utsättas för beräknar programmet vilka spänningar som teoretiskt kommer uppstå och därmed visar det sig om konstruktionen kommer hålla eller inte.
2.4 Litteraturstudie
Vid litteraturstudie undersöks det om det finns tidigare forskning på det område som valts för att göra arbetet på. Detta för att kunna dra nytta av erfarenheter i tidigare arbeteten. I en litteraturstudie ingår andra rapporter och uppsatser, vetenskapliga böcker och
internetsökningar. I en litteraturstudie skall relevant teori redovisas och alla senare val skall grundas på den redovisade teorin.
8
9
3 Förstudie
För att hitta inspiration inför konceptgenereringen studerade vi lösningar på liknande lösningar.
3.1 Olika linjära drivningar
Eftersom låskolvarna ska drivas linjärt fram och tillbaka så studerades olika alternativa lösningar för att driva dessa.
3.1.1 Kulskruv
Figur 3-1 Olika typer av kulskruvar (DesignWorldOnlice.com, kulskruv, 2014)
Kulskruvar är vanliga inom linjär drivning och har låg friktion. Det finns många olika storlekar och typer. Den låga friktionen uppnås tack vare att kulorna i kulskruvsmuttern rullar i kulskruvens spår, vilket också ger en låg effektförlust.
10 3.1.2 Drivrem
Figur 3-2 Drivrem (precisionmicrodrives.com, drivrem, 2014)
Drivremmar är också vanliga och används till att överföra moment till en linjär eller roterande rörelse. Drivremmar kan vara formbetingade som bilden visar eller
friktionsbetingade. Negativt med denna drivning är att remmar både töjs och slits med tiden.
3.1.3 Kuggstång
Figur 3-3 Kuggstång (gearcmm.com, kuggstång, 2014)
En kuggstång fungerar genom att kugghjulet roterar och driver kuggstången i en linjär rörelse. Om kuggstången istället är fixerad kan kugghjulet driva sig själv linjärt. Denna drivning är lämplig vid långa transportsträckor och hög precision krävs. Nackdelen är att det blir ett glapp vid riktningsbyte.
11 3.1.4 Linjärmotor
Figur 3-4 En typ av linjärmotor (compotech.se, linjärmotor, 2014)
Linjärmotorer kan fungera på olika sätt. Den vanligaste varianten är borstlös,
permanentmagnetiserad DC-motor i linjärt utförande. Eftersom den inte består av några roterande delar vars tröghetsmoment måste övervinnas behöver den bara klara av lastens tröghet. Denna typ av drivning klarar oftast inte så höga laster.
3.1.5 Hydraulik
Figur 3-5 Hydraulcylinder (mobilehydraulictips.com, hydraulcylinder, 2014)
Hydraulik drivs genom reglering av vätsketryck. Det är ett drivsystem med väldigt små och kompakta enheter. De kan behandla stora krafter i förhållande till storleken. Vätskan är dock miljöfarlig och det behövs ett kompressorsystem.
12 3.1.6 Pneumatik
Figur 3-6 Pneumatisk cylinder i genomskärning (mathworks.com, pneumatiskcylinder, 2014)
Pneumatik fungerar likt hydraulik men istället för vätska används tryckluft.
Verkningsgraden är lägre men pneumatik är bättre för miljön vid haveri och luft är mer kompressibelt än hydraulvätska vilket ger en förmåga att absorbera stötar. Även denna drivning kräver ett kompressorsystem.
3.2 Olika dämpare
Då vi ska konstruera en dämpare för vågkraftverket studerades olika typer av dämpningssystem.
3.2.1 Gasdämpare
Figur 3-7 Gasdämpare i genomskärning (aratron.se, gasdämpare, 2014)
13
Gasdämpare liknar pneumatisk cylinder men istället för att tillsätta tryckluft bildas tryck i kammarna genom belastning av kolvstången. Vid kompression av gasdämparen bildas högtryck mellan kolv och bottenplatta och lågtryck mellan kolv och tätning. Trycket jämnas ut genom visst läckage vid kolven. På detta sätt bromsas inte rörelsen helt utan dämpas bara.
3.2.2 Hydraulisk dämpare
Figur 3-8 Hydraulisk dämpare (directindustry.com, hydrauliskdämpare, 2014)
Hydraulisk dämpare fungerar som gasdämpare fast med vätska istället för gas. Även här är det vätska som är miljöfarlig.
3.3 Olika fjädrar
Eftersom det finns många olika typer av fjädrar har vi tittat på de som skulle kunna vara lämpliga till dämparen och låssystemet.
14 3.3.1 Tryckfjäder
Figur 3-9 Tryckfjäder (industritorget.se, tryckfjäder 2014)
Den vanligaste typen av fjädrar är tryckfjäder, vilken är en fjäder gjord av en spiralformad tråd. Vid komprimering blir stigningen i spiralen mindre. Denna typ av fjäder har en relativt låg komprimeringsratio.
3.3.2 Tallriksfjäder
Figur 3-10 Staplade tallriksfjädrar (meadinfo.org, tallriksfjäder, 2014)
Tallriksfjädrar är koniska skivor, de är mycket starka men har en mycket liten slaglängd individuellt. För att öka slaglängden kan de staplas på varandra. Vid komprimering planas tillriksfjädern ut. Dessa fjädrar har dock en relativt låg komprimeringsratio.
15 3.3.3 Vågfjäder
Figur 3-11 Vågfjäder (globalspec.com, vågfjäder, 2014)
Vågfäder är en kombination av bladfjäder, tallriksfjäder och tryckfjäder. Den består av vågformade ringar som sammanfogats så att vågdalarna vilar mot den undre ringens vågtopp. Vid komprimering planas vågorna ut. Denna typ av fjäder har en stor kraft och arbetslängd i förhållande till den egna storleken i jämförelse med till exempel en
tryckfjäder.
3.3.4 Gummifjäder
Figur 3-12 En typ av gummifjäder (alibaba.com, gummifjäder, 2014)
16
Gummifjädrar går att få i många olika utföranden och dess beteende vid kompression kan också variera beroende på form och gummiblandning. Gummifjädrar behöver bli ganska stora för att klara krafter, vilket ger en ökad vikt.
3.3.5 Gasfjäder
Gasfjädrar fungerar som gasdämpare men med skillnaden att luften inte släpps genom kolven över huvud taget. Kompressionsration är i en gasfjäder väldigt liten.
3.4 Motorer
För att kunna driva låskolvarna fram och tillbaka krävs någon form av motor. Därav gjordes en förstudie på olika alternativ för detta.
3.4.1 DC-motor
DC-motorn är den vanligaste typen av elmotor. Den omvandlar likström till kinetisk energi i form av rotation.
3.4.2 AC-motor
En AC-motor matas till skillnad mot en DC-motor med växelström. Oftast matas den med trefas växelström men det förekommer också motorer som matas med enfas växelström.
3.4.3 Stegmotor
Stegmotorn är en typ av elmotor som har hög lägesnoggrannhet.
3.4.4 Linjärmotor
Som tidigare beskrivits under förstudien om linjära drivningar är linjärmotorn en borstlös, permanentmagnetiserad DC-motor i linjärt utförande.
17 3.4.5 Hydraulmotor
Figur 3-13 Illustration av hur en hydraulmotor fungerar (daerospace.com, hydraulmotor, 2014)
Hydraulmotorer finns i olika utföranden. Bilden visar den vanligaste varianten vilken drivs på grund av tryckskillnad mellan in- och utlopp. Funktionen kan liknas med ett vattenhjul.
3.5 Växlar
3.5.1 Kuggväxel
Kuggväxeln växlar rotationshastighet, rotationsriktning och moment genom att ett kugghjul med en viss radie driver ett eller flera andra kugghjul med en annan radie. Skillnaden i radie ger den önskade utväxlingen.
3.5.2 Snäckväxel
Figur 3-14 Snäckväxel (conrad.com, snäckväxel, 2014)
18
En snäckväxel liknar kuggväxeln men ena kugghjulet är ersatt med en skruv. Drivning är enbart möjligt på skruven. Genom att driva skruven så roterar kugghjulet och det är skruvens stigning tillsammans med kugghjulets radie bestämmer utväxlingen. Systemet är självlåsande då ingen drivning sker på skruven. Denna växel har låg verkningsgrad och får ett litet glapp vid rotationsriktningsbyte.
3.5.3 Planetväxel
Figur 3-15 Planetväxel (stefanv.com, planetväxel, 2014)
Planetväxel är en mer avancerad typ av kuggväxel. Kort sagt kan den beskrivas som en kuggväxel bestående av tre steg i den uppsättning som figur 3-15 visar. Den innersta kuggen, solhjulet, omges oftast av tre sammanlänkade planethjul som är inneslutna av ytterringen (se figur 3-15). Denna typ av växel ger också möjligheten att välja olika utväxling genom att låsa ett av de tre stegen i växeln.
19
4 Koncept
I detta kapitel presenteras de koncept som togs fram för låssystem och dämpare. Målet med konceptgenereringen är att komma fram till ett slutgiltigt koncept till varje delprojekt att arbeta vidare med.
4.1 Konceptgenerering av låssystem
4.1.1 Koncept för låskolvsdrivning
4.1.1.1 Koncept 1.1 - Fjäder och elektromagnet
Figur 4-1 Fjäder och elektromagnet
I passivt läge ger fjädern en tryckkraft som håller kvar låskolven i hålskivans hål. När elektromagneten aktiveras dras kolven ut ur hålskivan därför att elektromagnetens dragkraft är starkare än fjäderns tryckkraft.
Positivt med detta koncept är att energi endast förbrukas när låset är öppet. Fjäderns tryckkraft gör att låskolven snabbt åker in i hålskivans hål och detta minskar risken för höga skjuvkrafter på låskolven. Batteriet, som driver tidvattenkompensatorns DC-motor, kan utnyttjas till att driva låset.
20
Negativt är att det krävs en otroligt stark elektromagnet för att uppnå den kraft som behövs på ett relativt långt avstånd. Magnetkraften avtar med den negativa kvadraten av avståndet.
Detta skulle också innebära en stor energiåtgång.
4.1.1.2 Koncept 1.2 - Två elektromagneter
Figur 4-2 Två elektromagneter
I passivt läge belastas låskolven inte med någon kraft. När elektromagneten på höger sida aktiveras dras låskolven in i låsskivans hål och låser den. När istället elektromagneten till vänster aktivers dras låskolven ut ur hålskivan och låset är öppet.
Positivt med detta är att i jämförelse med koncept 1.1 krävs ingen energiförsörjning för att hålla låset öppet eller stängt. Då energi ej tillförs kommer låskolven vara stilla. Den högra elektromagnetens dragningskraft gör att låskolven snabbt åker in i låsskivans hål och detta minskar risken för höga skjuvkrafter på låskolven. I detta koncept kan batteriet, som driver kompensatorns DC-motor, utnyttjas till att driva låset.
Det negativa med det här konceptet är att det är osäkert om låskolven ligger still samt som i koncept 1.1 att elektromagneterna som krävs behöver vara orimligt stora.
21
4.1.1.3 Koncept 1.3 - Tvåvägs pneumatisk cylinder med hydraullås
Figur 4-3 Tvåvägs pneumatisk cylinder med hydraullås
Låskolvens rörelse drivs av en tvåvägs pneumatisk cylinder. För att låsa fast positionen används ett hydraullås. Hydraullåset består av ett ventilsystem och genom att stänga ventilerna stoppas luftflödet och systemets läge låses.
Positivt med detta koncept är att låskolven alltid har en fixerad position när ventilerna i hydraullåset är stängda. Lufttrycket gör att när låsskivans hål är i fas så åker låskolven snabbt in och detta minskar risken för höga skjuvkrafter på låskolven. Systemet drivs också av el så batteriet som driver tidvattenkompensatorn kan utnyttjas.
Det negativa med konceptet är att det pneumatiska systemet kräver en kompressor på bojen och att verkningsgraden för ett pneumatiskt system är endast 15 % (Gleisner, 2014).
22
4.1.1.4 Koncept 1.4 - Tvåvägs hydraulcylinder med hydraullås
Figur 4-4 Tvåvägs hydraulcylinder med hydraullås
Koncept 1.4 fungerar ungefär som koncept 1.3 men istället för pneumatik används hydraulik. Istället för tryckluft används alltså en fluid.
Positivt är att en hydraulkompressor tar mindre plats är en pneumatiskkompressor och det går att använda batteriet som driver DC-motorn till att även driva detta system. Även den här lösningen fixerar låskolvens position genom att hydraullåset stänger ventilerna.
Hydraulik har också hög verkningsgrad i jämförelse med ett pneumatiskt system. Precis som koncept 1.3 drivs systemet med el så batteriet på bojen kan utnyttjas.
Det negativa är att systemet medför en risk för miljön då hydrauloljor inte är miljövänliga.
23
4.1.1.5 Koncept 1.5 - Fjäderbelastad hävstång och DC-motor
Figur 4-5 Fjäderbelastad hävstång och DC-motor
Koncept 1.5 fungerar ungefär som koncept 1.1 som har en fjäder som belastar låskolven hela tiden. Men fjädern belastar inte kolven direkt utan använder sig av en hävarm med viss utväxling vilket gör kraften från fjädern starkare. När det sedan ska låsas upp så går en motor igång och trycker med hjälp av en kulskruv på hävarmen för att motverka fjädern, vilket gör att låskolven dras ut.
Positivt är att hävarmarna ser till att inte lika starka fjädrar behövs till systemet.
Negativt är att det blir en extra motor och konceptet innehåller ganska många delar.
24
4.1.1.6 Koncept 1.6 - Fjäderbelastat kugghjul med utväxling och DC-motor
Figur 4-6 Fjäderbelastat utväxlat kugghjul och DC-motor
Koncept 1.6 liknar koncept 1.5 men istället för hävarmar så används kugghjul för att skapa en utväxling. Utväxlingen skapas igenom att de två stora kugghjulen drivs av ett mindre kugghjul som sitter på en motor. Sedan är de två stora kugghjulen fjäderbelastade för att hålla låskolvarna på plats när tidvattenkompensatorn är låst.
Positivt är att det blir väldigt exakta rörelser samt att det skulle kunna gå att använda en vinkelväxel för att få utväxlingen, vilket gör att motorn behöver mindre plats när den kan monteras vertikalt istället för horisontellt.
Negativt är att motorn antagligen kommer behöva bli något större än i koncept 1.5 och att systemet tar mycket plats.
4.1.2 Koncept för låsupphängning
Låsupphängningen är den del som ska ta upp krafterna från låsskivan.
25
4.1.2.1 Koncept 2.1 - Lodrätt tangentiellt mot hålskivan
Figur 4-7 Låsupphängning lodrätt tangentiellt mot hålskivan
Hålskivan kommer ge en tangentiell kraft på låsupphängningen, enligt pilarna, och därför bör upphängningen konstrueras i linje med den kraften. I detta koncept låses låsskivan i de svarta punkterna, se figur 4-7. Upphängningen är konstruerad lodrätt, vilket är tangentiellt med hålskivan i den punkten. Viktigt att också tänka på är att om hålskivans moment är medsols så ger detta en tryckkraft i den högra låsupphängningen och en dragkraft i den vänstra. Detta kan komma att påverka konstruktionen.
Positivt med detta koncept är att konstruktionen är mycket enkel.
Det negativa med konceptet är att infästningen i botten av konstruktionen kräver mycket yta.
4.1.2.2 Koncept 2.2 - Diagonalt tangentiellt mot hålskivan (M-form)
Figur 4-8 Låsupphängning tangentiellt med M-form
26
Precis som koncept 2.1 bygger även detta koncept på att ta upp kraften i den tangentiella riktningen, som pilarna visar. Skillnaden är att istället för att konstruktionen är lodrät så är den diagonal och kraften tas upp under centrum. Det sitter också lodräta stödbalkar för att hålla upp konstruktionen när låset är öppet och hålskivan inte ger något stöd.
Fördelen med det här är att kraften tas upp i gemensam punkt.
Nackdelen är lika som i koncept 2.1 att infästningen kräver yta.
4.1.2.3 Koncept 2.3 - Diagonalt tangentiellt mot hålskivan (triangelform)
Figur 4-9 Låsupphängning tangentiellt med triangelform
Det som skiljer det här konceptet från koncept 2.2 är att istället för två lodräta stödbalkar så används istället en vågrät stödbalk. Detta gör att monteringsytan på bojen blir väldigt liten.
Denna konstruktion kräver lite yta och kraften från hålskivan centreras i en punkt.
4.2 Val av koncept för låssystem
4.2.1 Val av koncept för låskolvsdrivning
För att bestämma vilket koncept som ska utvecklas vidare så används Pughs matris. Det är ett rent objektivt sätt att välja ut det bästa konceptet baserat på utvalda kriterier med olika viktning.
27
Tabell 4-1 Pughs matris där koncept 1.5 tilldelas flest poäng
Kriterier Viktning Koncept 1.1
Koncept 1.2
Koncept 1.3
Koncept 1.4
Koncept 1.5
Koncept 1.6
Enkel konstruktion 5 4 3 4 4 4 4
Enkel att tillverka 5 4 4 3 3 4 3
Miljövänlig 4 5 5 5 1 5 5
Få komponenter 4 5 4 3 3 3 3
Låg kostnad 4 4 3 2 1 4 4
Låg energiförbrukning 5 1 1 2 3 5 5
Låg vikt 2 5 5 2 1 4 3
Summa 111 98 89 72 121 114
Som tabellen ovan visar så fick koncept 1.5 flest poäng och detta betyder att det är detta koncept som ska utvecklas vidare.
Eftersom konceptet består av väldigt många komponenter så ska detta reduceras. Istället för hävarmar så kommer en stel arm användas och istället för ha en separat kolv som är
fjäderbelastad ska den funktionen byggas in i låskolvarna. Detta skulle kunna lösas på följande sätt (se figur 4-10).
Figur 4-10 Fjädermekanism för lagring av energi medan låsskivans hål positioneras
Genom att ha en fjäder precis bakom låskolven så behöver inte motorn ta hänsyn till hålens position utan låskolven trycks in av fjädern när hålen centreras framför låskolvarna. Denna lösning tillsammans med den fixerade armen kopplad till kulskruvsmuttern ger följande slutgiltiga koncept:
28
Figur 4-11 Ena sidan av låssystemet enligt det slutgiltiga konceptet
Som bilden visar har även motorn förflyttats och är placerad mellan glidhylsorna, detta ger en mer kompakt konstruktion. I detta koncept fyller fjädern en mycket viktig funktion.
Nämligen att motorn inte behöver ta hänsyn till hur låsskivans hål förhåller sig till
låskolven utan om hålen inte har rätt position så kommer fjädern komprimeras och lagra det utförda arbetet tills låskolven får fri bana. Detta i sin tur leder till att energiåtgången för låssystemet blir kontrollerad vilket är en stor fördel då energiförsörjningen kommer vara begränsad.
Alternativet hade varit att låta motorn stå och jobba tills låskolven skjutits in helt och hållet och tiden det skulle ta för detta beror på hur DC-motorn i tidvattenkompensatorn styrs.
Motorn ska också ha en hållbroms som gör att låssystemets läge är fast när energi inte tillförs.
29 4.2.2 Val av koncept för låsupphängning
I samråd med handledare valdes koncept 1 eftersom det har en enklare konstruktion än de övriga och ytan som behövs för montering på bojen kommer anpassas efter den lösning som tas fram i detta projekt.
Det visade sig också att det finns för lite plats för att konstruera låsupphängningen eftersom låsskivans hål sitter för nära låsskivans fäste till axeln. Hålen i låsskivan behöver placeras längs en större diameter och därefter måste hållfasthetstester utföras.
Tidvattenkompensatorns huvudaxel måste också justeras så att den blir längre. Låsskivan måste positioneras längre ifrån det närmaste lagerhuset för att få plats med montering av låsupphängningen på bojen.
De två låsupphängningarna kommer att belastas på olika sätt. Den ena kommer utsättas för tryckkraft och den andra för dragkraft. Hänsyn kommer inte tas till detta vid
konstruktionsarbetet på så sätt att två olika lösningar tas fram utan istället kommer en gemensam konstruktion för båda sidor att tas fram. Anledningen till detta är att reducera antalet olika komponenter, vilket i sin tur gör det enklare i produktionen.
4.3 Konceptgenerering av dämpare
4.3.1 Koncept 3.1 - Magnetcylinder med dämpningsmedium
Figur 4-12 Magnetcylinder med dämpningsmedium
30
Det första konceptet för dämpning består av ett cylindriskt hus med en magnet i toppen som klarar hålla fast kolven med en kraft som motsvarar den normala belastningen i vajern. När denna kraft överskrids släpper magneten och dämpningsmediet strömmar genom hållen i kolven. Dämpningen beror av storleken på hålen och vilket dämpningsmedium som väljs. I botten ska det finnas någon typ av dämpning som lindrar kollisionen.
Avståndet mellan kolven och magneten i utdraget läge ska vara tillräckligt kort för att magneten ska kunna dra tillbaka kolven efter dämpningen.
Detta skulle möjligtvis även kunna användas som en passiv lösning för
tidvattenkompensatorn vilket tas upp i avsnittet om tips på fortsatta undersökningar.
Genom att öka avståndet mellan kolven och magneten i utdraget läge så att magneten inte drar tillbaka kolven förrän translatorn går i botten och belastningen i vajern minskar.
Genom att bygga en kedja av den här typen av dämpare där varje dämpare arbetar inom ett intervall som motsvarar den precision som krävs för att translatorn ska vara centrerad och effektiv så uppfylls kraven för tidvattenkompensatorn.
Fördelen med detta koncept är att det ger stora möjligheter till variation av de olika parametrarna såsom arbetslängd och dämpning.
Nackdelar med konceptet är att antalet permanentmagneter som behövs för att få rätt kraft skulle bli mycket stort samt att konstruktionen är något komplicerad.
4.3.2 Koncept 3.2 - Magnetcylinder med tallriksfjädrar
Figur 4-13 Magnetcylinder med tallriksfjädrar
31
Detta koncept fungerar i grunden precis som koncept 3.1 men istället för
dämpningsmedium används tallriksfjädrar för att dämpa rörelsen när vajerns kraft övervinner magnetens kraft. Genom att stapla olika starka tallriksfjädrar på varandra så skapas en progressivt ökande fjädring vilket skapar en mjuk dämpning som även klarar mycket hög belastning.
Positivt med denna lösning är att den inte bygger på att komprimera gas eller vätska så ingen värme kommer skapas. Det är också en relativt enkel konstruktion.
Negativt är precis som för koncept 3.1 att antalet magneter skulle bli för stort för att det ska vara ekonomiskt försvarbart.
4.3.3 Koncept 3.3 - Magnetcylinder med spiralfjäder
Figur 4-14 Magnetcylinder med spiralfjäder
Koncept 3.3 fungerar nästan exakt lika som koncept 3.2 men här består istället dämpningen av en tryckfjäder.
Fördelen är att konstruktionen är mycket enkel och kan byggas väldigt lång.
Nackdelen är att konstruktionen måste byggas minst så pass lång att kraften som krävs för att komprimera fjädern i början är svag nog att ge en mjuk dämpning och att fjädern klarar av den maximala belastningen i slutet av komprimeringen.
32
4.3.4 Koncept 3.4 - Tryckcylinder med belastade backventiler
Figur 4-15 Tryckcylinder med belastade backventiler
När kraften i vajern blir tillräckligt stor så övervinner trycket under kolven den belastade backventilen nere till höger (se figur 4-15). I och med att ventilen öppnas strömmar luft eller vätska genom den högra ledningen till den övre kammaren samtidigt som fjädern dämpar kolvens rörelse. Därefter när kraften i vajern sjunkit så kommer fjädern bilda övertryck i den övre kammaren som till slut öppnar den belastade backventilen uppe till vänster. Detta gör att dämparen kan dra ihop sig igen efter utförd dämpning. Dämpningen skulle också kunna bestå av tallriksfjädrar. De backventiler som i flödesriktningen sitter i slutet av ledningarna behöver endast belastas så att de stängs igen och inte hänger löst när det inte är något flöde. De är till för att hindra att högt tryck bildas i ledningarna.
Fördelen med det här konceptet är att det är enkelt att i efterhand ställa in vid vilken belastning dämparen ska aktiveras.
Nackdelen är att det krävs otroligt starka backventiler och de finns inte som standard i den storleksklassen. Det krävs också ett medium (troligtvis fluid) som ej är lämpligt att använda i den miljön som vågkraftverket kommer placeras.
33
4.3.5 Koncept 3.5 - Magnetcylinder med MagLev-broms
Figur 4-16 Magnetcylinder med MagLev-broms
Att lägga till magneter på kolven medför att styrkan på den övre magneten skulle kunna minskas (se figur 4-16). Genom att även placera en magnet i botten av huset med polerna riktade tvärt emot hur polerna på magneterna som sitter på kolven är riktade så skapas en stark MagLev-broms i den sista biten av dämparens arbetslängd. Genom att MagLev- bromsen står för att ta emot de allra största krafterna så kan fjäderns kraft-krav minskas ned vilket skulle underlätta val av fjäder.
34
4.3.6 Koncept 3.6 - Kolv med endast förspänd fjäder
Figur 4-17 Dämpare med hjälp av endast förspänd fjäder.
Genom att endast förspänna en fjäder kan samma beteende uppnås som vid
magnetdämparna. Dämparen kommer inte aktiveras förrän förspänningskraften överstigs.
Positivt med det här konceptet är att det i jämförelse med de andra koncepten är en enkel och billig konstruktion. Negativt är att ju mer förspänning som läggs på fjädern desto mer av fjäderns slaglängd har redan utnyttjats.
4.4 Val av koncept för dämpare
Tillsammans med handledare tilldelades varje kriterium en viss viktning. Detta gör att kriterierna påverkar resultatet olika mycket beroende på hur viktiga de är för projektet.
Tabell 4-2 Tabellen visar Pughs matris och resultatet att koncept 3.6 är bäst
Kriterier Viktning Koncept 3.1
Koncept 3.2
Koncept 3.3
Koncept 3.4
Koncept 3.5
Koncept 3.6
Enkel konstruktion 5 4 5 5 3 3 5
Enkel att tillverka 5 2 4 5 3 3 5
Enkel att montera 4 4 3 3 4 3 4
Miljövänlig 4 4 4 4 3 4 5
Få komponenter 4 5 5 5 4 3 5
Låg kostnad 5 3 3 3 4 2 5
Låg effektivitetsförlust 5 5 5 5 4 5 5
Låg vikt 2 3 3 3 4 2 4
Klarar biobeväxning 4 5 4 4 5 4 4
Summa 148 155 160 142 118 170
35
Efter värdering av de olika koncepten via Pughs matris (se tabell 4-2) så valdes koncept 3.6 som det koncept vi ska arbeta vidare på.
Efter att ha pratat med Lesjöfors AB om lämplig fjäder så visade det sig att det skulle behöva konstrueras en över två meter lång dämpare för att få ut en dämpning på en
halvmeter. Om tallriksfjädrar ska användas skulle det behövas minst 60 stycken staplade på varandra och detta är inte en ekonomiskt hållbar lösning. Det behövs alltså en typ av fjäder som går att komprimera mycket och samtidigt är väldigt stark.
Ett förslag från ämnesgranskaren var Trelleborg AB’s SCK-fendrar vilka är tillverkade av gummi. Primärt används de till att skydda hamnkanten mot kollision med båtar och färjor.
De har ett speciellt deformationsbeteende som passar väldigt bra till konceptet. Figur 4-18 visar SCK-fenderns reaktion på kraft. Y-axeln representerar det procentuella värdet av den maximala belastningen och X-axeln visar den procentuella komprimeringen av den
ursprungliga totala längden. Reaktionskurvan har en brant stigning till 25 % kompression vilket ger en kort förspänningslängd och från 25 % förändras inte belastningen nämnvärt vilket ger en lång komprimeringslängd. Samtidigt är kurvan för energi absorptionen linjär hela vägen (se figur 4-18).
Figur 4-18 SCK-fenderns reaktion i % med avseende på belastning i % av vad den klarar av. Den undre kurvan visar energiabsorptionen i % per % kompression.(Trelleborg.com, 2014)
36
Efter att ha varit i kontakt med Trelleborg AB’s tekniska support i Singapore uppmärksammades att de krypningar som sker i gummit kommer göra att
förspänningskraften kommer avta för snabbt. Vi fick istället en rekommendation om att använda gummilager som används inom infrastrukturen. Gummilager är cylindrar bestående av gummi- och metallskivor som är lagda i lager (Kumar, 2014).
37
5 Konstruktion
Vid konstruktionen av låssystemet och dämparen utnyttjas i största möjliga mån de standardråvaror som finns tillgängliga i verkstaden i Lysekil. Detta görs för att tillverkningen ska bli billig och enkel. I Lysekil används stålet S355M som har en sträckgräns på 355 MPa.
5.1 Konstruktion av låssystem
Figur 5-1 Låssystemet i sin helhet.
5.1.1 Justeringar av befintliga komponenter
Axeln och låsskivan är komponenter som ingår i Mattias Maiers konstruktion, för att kunna använda dem i konstruktionsarbetet så har ett par små förändringar behövts göras.
Diametern mellan hålen i låsskivan har ökats från 390 mm till 420 mm (se figur 5-2) för att det var för trång mot flänsskivorna. Nu finns det mer plats för låsupphängningen. Ökningen av denna diameter medförde ingen förändring av tidvattenkompensatorns noggrannhet på 10 cm eftersom den faktorn endast påverkas av vinkeln mellan hålen (Castellucci, 2014).
Däremot medförde förändringen en ökning av hela låsskivans diameter från 500 mm till
38
510 mm eftersom materialet mellan hålen och låsskivans ytterkant annars skulle vara väldigt tunn. 510 mm är den största diametern som går att ha med den valda höjden på axeln som är 265 mm och det är nu 10 mm till godo mellan låsskivan och botten på bojen.
Figur 5-2 Nya dimensionerna på låsskivan
Även hålen i hålskivan har dimensionerats om för att passa de lagren som ska sitta där. De har nu diametern 70 mm och den rekommenderade toleransen H7. Lagrens funktion är att minska friktionen mellan låskolven och dess bana. Detta är en kritisk komponent för hela låssystemet eftersom det är friktionen där emellan som avgör hur stor kraft låskolvarna behöver kunna tryckas och dras med.
Utanpå låsskivan svetsas ett specialdesignat täcklock fast och det är till för att hålla lagren på plats (se figur 5-3). Hålen är mindre än låsskivans hål men större än lagrens
innerdiameter. Anledningen till utformningen är att inte skapa kanter som låskolven kan fastna i när den trycks mot låsskivan och glider till hålet. Monteringen blir enklare också eftersom det bara är två delar att svetsa fast istället för 20 stycken små täcklock.
39
Figur 5-3 Specialdesignat täcklock för fastlåsning av lager.
Axeln som allting är monterat på har förlängts med 90 mm för att låsskivan ska få ett längre avstånd till lagerhuset. Orsaken till detta är att låsupphängningen behöver mer plats för att kunna monteras på bojen.
5.1.2 Låskolvsdrivning
För låskolvsdrivningen krävs inte en säkerhetsfaktor på två, med undantag för låskolven, eftersom krafterna inte kan överstiga motorns kraft.
40 5.1.2.1 Fjädermekanism
Figur 5-4 Fjädermekanismen i genomskärning
Fjädermekanismens grundläggande beståndsdelar från vänster är låskolv, fjäder och lock med drivfäste. Allt detta sitter i ett rör som benämns som fjäderhus. Fjäderhuset är placerat i ett större rör som det kan röra sig fritt i axialled i.
Figur 5-5 Låskolv
41
Låskolven har en diameter på 59,5 mm och längden från spetsen till klacken är 190 mm.
Längst fram är låskolven fasad med en vinkel på 50 grader som gör att spetsen inte hakar i lagret (se figur 5-5), detta kommer minska slitaget av lagren.
Figur 5-6 Illustration av funktionen med låskolvens fasning i snittvy där låskolven glider mot täcklocket och på så sätt inte kan haka i bussningen med spetsen.
Längst bak är en klack som fungerar som ändstopp för låskolvens rörelse i fjäderhuset. Det är sedan denna klack som fjäderhuset har grepp om när låskolven dras ur.
Fjäderhus
Figur 5-7 Fjäderhuset ur isometrisk vy.
42
Fjäderhuset kommer att bestå av ett ämnesrör med innerdiameter som ger plats för fjädern, som har en ytterdiameter på 70,00 ± 0,8 mm, samt godstjocklek för möjlighet att ha tre gängade hål för M4 i ändarna på röret. Rörets dimensioner kommer bero av de rör som köps in för tillverkning av dessa. Den största belastning som den kommer kunna utsättas för är en dragkraft på 4000 N. En FEM-analys gjordes för att se om det håller. I analysen användes innerdiametern 71,30 mm och ytterdiametern 88,90 mm vilket är ett standardrör från Uppsala Handelsstål AB som vi valt som exempel. (Uppsala Handelsstål AB, Stål- och metallkatalogen 2012)
Figur 5-8 FEM-analys av fjäderhuset.
FEM-analysen visade att fjäderhuset har en säkerhetsfaktor på ca 145.
På bakre änden ska ett lock skruvas fast och på det sitter en länkarm fastsvetsad i vilken en axel till kulskruvsmuttern skruvas fast. På den främre änden av röret skruvas en stoppbricka fast vilken låskolven löper genom. Även denna har ett spel mot låskolven för att ge den en så friktionsfri rörelse. Här kommer det behöva smörjas. Funktionen med denna är att tillsammans med klacken på låskolven skapa ett ändstopp för låskolvens rörelse i
43
fjäderhuset och tack vare detta kunna dra ur låskolven ur låsskivan med motorns fulla kraft utan påverkan av fjädern.
Figur 5-9 Ändstopp Figur 5-10 Lock med drivfäste
Glidhylsa
Figur 5-11 Glidhylsa med fäste för montage på låsupphängningen.
Fjäderhuset kommer att glida i en glidhylsa. Glidhylsan består också av ett rör men med en innerdiameter som ger lite glapp för fjäderhuset. På den främre änden svetsas en
monteringsplatta fast för att modulen enkelt ska kunna skruvas fast i låsupphängningen med hjälp av fyra M4-skruvar (M6S 4 8.8).
44 5.1.2.2 Upphängning av drivning
Upphängning av motor
Figur 5-12 Motorupphängning.
Upphängningen av motorn består av 8 mm-plåtar i form av bottenplatta, basplatta och fyra snedslag som svetsas ihop. I basplåten finns hål för montering av motor och växel. Motorn och växeln skruvas fast med M6-skruvar(M6S 6 8.8). Mellan skruvhålen är också ett hål för drivaxeln. För montering på bojen finns fyra stycken frigående hål för M6-skruvar.
Upphängning av kulskruv
Figur 5-13 Kulskruvsupphängning.
45
Kulskruvens upphängning tillverkas precis som motorupphängningen förutom att hålen för montage är annorlunda placerade. Även hålet i mitten är större så att kulskruvsfästet får plats.
För motorupphängningen och kulskruvsupphängningen gjordes en gemensam FEM-analys eftersom de tillsammans kommer ta upp kraften som motorn driver med. När fjädrarna komprimeras uppnås en kraft på 8000 N och eftersom motorn klarar detta så kommer motorn kunna dra i låskolven åt andra hållet med samma kraft om så hög friktion skulle uppnås. Till exempel vid pikkrafter i bojen och låsskivan belastar låskolven med denna kraft. På grund av detta måste drivningsupphängningen testas med kraft åt båda håll.
Figur 5-14 Drivningsupphängning med 8000 N belastning från motorn.
FEM-analysen ger ett bra resultat då spänningen inte överstiger 355 MPa.
46 5.1.2.3 Länkarm
Länkarmen kommer sammankoppla kulskruvsmuttern och fjäderhuset. Dess konstruktion måste anpassas efter kulskruvsmutterns utseende. För att länkarmaren ska klara av den kraft de kommer utsättas för krävs en viss bredd på armarna. Det första konceptet för detta var att ha armarna i höjd med kulskruven men detta leder till att konstruktionen blir vek närmast kulskruvsmuttern (se figur 5-15).
Figur 5-15 Länkarmskonstruktion med länkarmarna i linje med kulskruvsmutterfästet.
För att konstruktionen ska vara stark hela vägen så behöver länkarmen vara lika bred hela vägen. För att detta ska vara möjligt måste kulskruvsmutterfärstet sitta under eller över länkarmen. Att konstruera på det sättet gav ett betydligt bättre resultat (se figur 5-16).
47
Figur 5-16 Länkarm med jämn bredd hela vägen.
Denna lösning är både lättare att tillverka och att montera. Tack vare utskärningen av hålet där kulskruvsmuttern ska sitta är det bara att föra på länkarmen och skruva fast den.
Konceptet som figur 5-15 visar hade konstruktionen behövts monteras på kulskruvsmuttern redan innan kulskruven monteras ihop. Figur 5-17 visar konceptet i normalt läge.
48
Figur 5-17 Länkarmen som sammankopplar fjädermekanismerna med kulskruven.
5.1.3 Låsupphängning
Låsupphängningen är den modul som ska klara hålla för de höga krafterna med en säkerhetsfaktor på 2. I låssystemet sitter det två upphängningar, en för varje låskolv. Den ena kommer utsättas för dragkraft och den andra för tryckkraft.
Från början konstruerades låsupphängningen alldeles för vek och FEM-analysen gav följande resultat.
49
Figur 5-18 FEM-analys av det första konceptet för låsupphängningen.
Som bilden visar uppstår en spänning på 585 MPa och materialets sträckgräns är 355 MPa.
Detta betyder att låsupphängningen måste förstärkas en del. FEM-analysen visar att det är vid skruvhålen i bottenplattan som de högsta spänningarna uppstår. För att minska detta förstorades bottenplattan samt att ytterligare en bottenplatta lades till. Även basplåtarna som lagerhusen sitter i breddades ned mot bottenplattan för att sprida kraften mer. Detta gav följande, betydligt bättre resultat.
50
Figur 5-19 FEM-analys av den slutgiltiga konstruktionen.
FEM-analysen visar att konstruktionen uppnår en säkerhetsfaktor 2 med god marginal.
Säkerhetsfaktorn blev ca 3,0 (se ekvation 1). Att enbart bredda basplåtarna samt att endast lägga till en extra bottenplatta testades men de två alternativen individuellt gav ej ett godkänt resultat.
51
Figur 5-20 Låsupphängning bestående av plåtar, rör och bussningar.
Bilden visar låsupphängningen i sin slutgiltiga konstruktion. Det är en väldigt enkel konstruktion bestående av plåtar, rör och bussningar. Vikten för en låsupphängning hamnade på ca 50 kg.
Efter att låsupphängningen var konstruerad utfördes en FEM-analys för att se om låskolven tillsammans med låsupphängningen klarar av kraven. Kraften applicerades i en bussning som annars sitter i låsskivan. Här utsätts låsupphängningen istället för tryckkraft.
52
Figur 5-21 FEM-analys av låsupphängning och låskolv tillsammans.
I testet belastades bussningen med 353,6 kN vilket är den dubbla maximala kraften som kommer uppstå (se ekvation 2). Detta innebär att testet gjordes med en faktor 2 inräknad i belastningen och testet blev lyckat (se figur 5-21). Spänningen överstiger inte materialet S355M’s sträckgräns på 355 MPa.
5.1.3.1 Basplåtar
Plåtarna är av tjockleken 15 mm och andledningen till det är att verkstaden i Lysekil har detta som den största standardplåten. För att nå upp till den tjocklek som krävs så läggs lager med plåtar som svetsas ihop för att stödja varandra bättre. Bottenplåtarna har sex frigående M20-hål för montering på bojen. Bultarna som håller fast låsupphängningen ska
