DELBAR KABELTRUMMA UTVECKLING OCH FRAKTOPTIMERING

Transkript

1 DELBAR KABELTRUMMA UTVECKLING OCH FRAKTOPTIMERING av Martin Klasson och Fredrik Heijel VT09 15hp BILAGOR Handledare: Lars G Johansson Examinator: Aron Chibba Ett examensarbete utfört enligt kraven vid Högskolan i Halmstad för en Högskoleingenjörsexamen inom Maskinteknik

2 Bilaga 1 Tidplan Bilaga 2 Principlösningar Bilaga 3 Monteringsanvisningar Bilaga 4 Beräkningar

3 Bilaga 1 - Tidplan Aktivitet Framtagning av kravspecifikation Brainstormning Framtagning av 3 principlösningar Val av principlösning Konceptlösning Konstruktionsberäkningar Ta fram ritningar Packplan/solidmodellering Prototyptillverkning/monteringsanvisningar Ta fram presentationsmaterial Rapportskrivning

4 Bilaga 2 Principlösningar

5 Bilaga 2 Principlösningar

6 Bilaga 2 Principlösningar

7 Bilaga 2 Principlösningar

8 Bilaga 2 Principlösningar

9 Bilaga 3 Monteringsanvisningar Monteringsanvisningar: 1. Häng en gavelhalva så den står med sin runda del mot marken. 2. Montera två plattor till kärnan. Skruva fast några av skruvarna som håller ihop plattorna, lämna mer än hälften kvar.

10 Bilaga 3 Monteringsanvisningar 3. Häng upp en gavelhalva till, likt den första och montera den i andra änden av kabeltrumman.

11 Bilaga 3 Monteringsanvisningar 4. Montera de två återstående plattorna i kärnan. Montera även här mindre än häften av skruvarna. Notera att skruvarna måste vara skruvade från samma håll som de i punkt 1.

12 5. Lyft upp och montera de två återstående gavelhalvorna. Bilaga 3 Monteringsanvisningar

13 Bilaga 3 Monteringsanvisningar 6. Montera ett av 8-ekrarskryssen. Montera det i den änden av kärnan som har skruvat ihop.

14 7. Placera nu 4-ekrarkrysset i mitten av kärnan och skruva fast. Bilaga 3 Monteringsanvisningar

15 Bilaga 3 Monteringsanvisningar 8. Skruva fast resterande skruvar som håller ihop plattorna i kärnan. 9. Sätt nu i förstärkningspinnarna i mitten genom hålen i 4-ekrarskrysset och skruva fast dem på utsidan av 8-ekrarskrysset. (Används centrumrör, placera det nu)

16 Bilaga 3 Monteringsanvisningar 10. Montera det sista 8-ekrarskrysset. Skruva även fast förstärkningspinnarna i detta kryss. Färdig att användas

17 Bilaga 4 - Beräkningar.nb Knäckning av förstärkningsrör vid upp och nertagning av trumma För att beräkna detta använder vi Eulers knäckningsfall nummer 3 hämtat ut formelsamling. Rören kommer sitta fastskruvade i 8-ekrarskrysset och man kan säga att det är ledat i 4-ekrarskrysset och sedan fast i andra sidans 8-ekrarskrysset. Detta gör att vi bara har halva bredden på trumman och på så vis får vi en god ökning i hur mycket kraft det klarar av att ta upp innan rören kommer knäckas. Eulers tredje knäckfall är: F E I L E, E-modulen, för stål är N mm 2 Totala längden enligt ritningarna är 2192mm vilket då är delbart med 2 samt att höjden för en mutter kan dras bort, då en sådan svetsats i varje ände för att skruva fast pinnen. D i 24; D y 30; L ; E modul ; Detta ger oss längden mm att räkna med I, som är tröghetsmomentet beräknas enligt formel för rör. Vi ser att I y I z I D4 d I rör D y 4 D 4 i Tröghetsmomentet för en stång är alltså ca23475 mm 4. Vi har nu alla värden att sätta in i grundformeln (1-1) för knäckningen och kan då få ut hur många Newton den klarar av. Vi tar nu även med att vi har fyra förstärkningsrör. Allt detta sätts in i (1-1).

18 Bilaga 4 - Beräkningar.nb E modul I rör 1000 L Dubbarna som går in från vardera håll får som mest ge en sammanlagd kraft på 345.1kN (motsvarande 35.1 ton). Skulle det bli högre finns risk att knäckning sker på förstärkningsrören. För att säkerställa att inte yttrycket blir för stort räknar vi även det. Vi behöver då tvärsnittsarean för ett rör. F = P A 1 3 A rör Dy D 2 i 2 Max tryck som får uppkomma är, enligt uppgift ifrån vår handledare på Svensson Engineering AB, 237 N mm 2. Fördelat över fyra rörs area ger detta genom formel (1-3): A rör Slutsats: Yttrycket är det som begränsar hur stort tryck dubbarna från sidan får belasta. Kraften får inte överstiga 241.2kN (motsvarande 24.5 ton), då kommer trycket bli högre än vad materialet tål i yttryck. Så här stora krafter uppkommer enligt handledare på Svensson Engineering ej vid normal hantering. Knäckning vid användande av centrumrör För att beräkna detta använder vi Eulers knäckningsfall nummer 4 ur formelsamling. Rören kan anses sitta fast monterade i ändarna då de har en innerdiameter som är samma som ytterdiametern på den rörbit som sitter i mitten på 4-ekrarskryssen. Vi räknar detta med utgången att förstärkningsrör inte används då de har så liten godstjocklek i förhållande till det större röret. Eulers fjärde knäckfall är : F = 4 2 E I L 2 2 1

19 Bilaga 4 - Beräkningar.nb E, E-modulen, för stål är N mm 2. Längden för röret är 2180mm Övriga mått är: D icentrumrör 132; D ycentrumrör 152; L ; I, som är tröghetsmomentet beräknas enligt formeln för rör. I D4 d I centrumrör D ycentrumrör 4 D 4 icentrumrör N Vi har nu alla värden för att kunna använda Eulers formel (2-2). 4 2 E modul I centrumrör L Att röret skulle tåla en belastning på 2000 ton är helt orimligt. Vi ser att vi istället får ta hänsyn till trycket som blir över ytan. Det maximala trycket får bli 237 N mm 2. F = P A 2 3 Rörets area är mm 2 A centrumrör D ycentrumrör D 2 icentrumrör ; 2 2 Arean för röret samt det maximalt tillåtna trycket är nu bara att applicera på formel (2-3) 237 A centrumrör Slutsats: Kraften får inte överstiga 1057kN (motsvarande 107.7ton). Vi ser också att maxtrycket är över det maximala yttryck som materialet tål, vilket innebär att det inte är knäckningen som är dimensionerande här.

20 Bilaga 4 - Beräkningar.nb Åtdragningsmoment Standard M16 skruv är genomgående för hela konstruktionen. Samtliga skruvar skall ha samma längd oavsett var de används. Friktionen µ, sätts till 0.14 då vi anser att montering sker i sådana förhållanden att torrt underlag kan antas. d m ; d i ; d y 16; P 2; d h 18; s 24; µ 0.14; M v F F r m tan 1 r mb µ 3 1 där tan = µ cos30, tan = P d m, r m d m 2 samt r mb s d h 4 µ Cos 30 ; P d m ; r m d m 2 ; r mb s d h ; 4 Vi har nu alla värden som behövs i grundformeln (3-1) för att räkna ut M v. M v F F r m Tan r mb µ F F Slutsats: Vi ser nu att åtdragningsmomentet bör vara ungefär 3 gånger större än den önskade förspänningskraften. Normalt åtdragningsmoment är enligt Karl Björk (2006) för en M Nm vilket ger 74kN i förspänningskraft. Inget specifikt moment önskas av Svensson Engineering, utan vid montering skall arbetaren dra skruven med normala verktyg. Med detta menas handkraft eller en slående mutterdragare. Används en slående mutterdragare rekommenderar vi att användaren är väl införstådd i hur mycket moment den använda mutterdragaren kan dra med, och att man kontrollerar att den är inställd så att den ej drar med större moment än 222Nm.

21 Bilaga 4 - Beräkningar.nb Skjuvning av skruvar som håller 8-ekrarskryssen i kärna samt gavel Vid upprullning av kabel/wire dras denna med 2000 kg sträckning för att ge tät lindning. Skruvarna som håller 8-ekrarskryssen i kärnan och vidare i gaveln utsätts då för skjuvkrafter. Men hur stora? Radien till mitten på trumman är 2000 mm. Med 2000 kg kraft på kabel/wire ger detta följande moment i Nmm Momentet som kabeln/wiren ger är Nmm Vi dividerar detta med radien till skruvarna för att se vilken kraft de utsätts för. F 8 ekrarskruv Vi antar att vid värsta fall hamnar all kraft på endast en eker vilket då gör att den kraften delas upp på 2 skruvar. Detta är verkligen extremfall då kraften i princip delas lika mellan samtliga 16 skruvar. 2 A M16 d i ; 2 8 ekrarskruv F 8 ekrarskruv A M N mm 2 är under tillåten skjuvspänning för skruven. För att få fram säkerhetsfaktorn använder vi till s s till s s 4 1 För att lösa till använder vi en formel hämtad ur Karl Björks Formler och Tabeller för Mekanisk Konstruktion (2006): till till 0.6 till till 0.6 till till

22 Bilaga 4 - Beräkningar.nb till 8ekrarskruv (4-2) i (4-1) ger oss: till s s s s till 4 3 s 640; s till Slutsats: Skruvarna håller för belastningen. Vi ser att vi har säkerhetsfaktorn 3.38 på dessa skruvar i förbandet. Skjuvning på skruvar samt styrpiggar som håller ihop gavelhalvorna Om hela trumman står så att skarven på gavlarna står nästan helt vertikalt kan vi uppskatta att hela kraften från trummans totalmassa (trumma inkl wire/kabel) verkar för att skjuva skruvarna som håller ihop gavlarna. Detta fördelat på 4 förband med vardera 6 M16 skruvar i klass 8.8 samt en styrpinne som skall skjuvas av. Maxvikten på trumman enligt uppdragsgivare, kan sägas vara trumvikten och 30 ton kabel, vilket blir maximalt 33ton F komplett = Antal skruvar A M F komplett ; A M16 di ; 2 A styrpigg 30 2 ; 2 Dessa värden sätts in i formel (5-1). 2 F komplett 24 A M16 4 A styrpigg

23 Bilaga 4 - Beräkningar.nb N mm 2 är under tillåten skjuvspänning för skruven och materialet i styrpiggen. till till 0.6 ger oss att vi har följande säkerhetsfaktor här. För att få fram säkerhetsfaktorn använder vi t s, vilket ger: s t s s s s t 5 2 För detta krävs först t. Som vi får genom att = t 0.6 = t 0.6 t t (5-3) i (5-2) ger oss tillsammans med att s för skruven är 640 N mm 2 s 640; s t Slutsats: Skruvarna håller för belastningen. Vi ser att vi har säkerhetsfaktorn 7.63 på dessa skruvförband. Skjuvning på skruvar som håller 4-ekrarskryss De skruvar som håller fast förstärkningskrysset i mitten kommer att utsättas för skjuvkrafter då kabeln rullas på trumman. Vi vill vara säkra på att skruvarna tål de sjuvkrafter som uppstår. De skruvar vi använder oss av är standard 8.8 skruvar med s 640 N mm 2 och skjuvarean

24 Bilaga 4 - Beräkningar.nb A M16 di Vi ser att i extremfallet hamnar all kraft ifrån upprullningen på en punkt. I denna punkt är lasten 2000kg, i N blir då denna kraft F förstärkningskryss Vidare ser vi att för att vi skall råka ut för ett brott som orsakar en instabilitet i konstruktionen behöver två areor skjuvas av. Om skruven bara skjuvas av på ett ställe kommer konstruktionen fortfarande hållas ihop av de två avskjuvade bitarna. Så vår skjuvarea blir således A skjuvförstärkning 2 A M Vi har nu allt för att kunna använda formeln = F för att få fram de skjuvkrafter som vi får. A förstärkningskryss F förstärkningskryss A skjuvförstärkning N mm 2 är under tillåten skjuvspänning för skruven. För att räkna ut säkerhetsfaktorn använder vi oss av till s vilket ger: s till s s s s till 6 1 För att lösa till använder vi till till 0.6 vilket ger:

25 Bilaga 4 - Beräkningar.nb till till 0.6 till till till förstärkningskryss s 640; s till Slutsats: Skruvarna håller för belastningen. Vi ser att vi har säkerhetsfaktorn 5.87 på dessa skruvförband. Optimalt mått mellan bultar Vi väljer att använda oss av Rötschers formler för att få fram det optimala avståndet mellan våra skruvförband över hela trumman. Vidare avser vi att räkna ut skruvarnas styvhet samt flänsarnas styvhet. Det Rötscher i sin idealmodell föreslår är att de påfrestningar ett förband tar upp kan anses distribueras som en kon vars en halva har vinkeln 45. Bultarnas optimala avstånd är det som ger en kon vars ena halva har vinkeln 27. Rötscher rekommenderar i sin modell att konerna lappar över varann en liten bit om det inte finns en packning med i skruvförbandet. På så vis får vi ett tätt förband. ( - Guidelines.pdf, ). Vi är dock först och främst intresserade av hur mycket material som behöver finnas i förbandet runt hålet, vilket det finns ett klart uttryck för. Vi väljer också att använda oss av vinkeln 30, då detta rekommenderas av handledare på HH. Använd formel för att räkna ut A k ( klämd area) är: A k d h L k tan 2 ln L 1 k tan dw d h 1 L k tan dw d h 7 1

26 Bilaga 4 - Beräkningar.nb Följande specificerar vi: d h = frigående håldiameter, som är 18mm L k = de två plåtarnas sammanlagda tjocklek = 8mm d w = skruvskallens anläggningsyta = 22,5mm enl SS EN-ISO 4032 Detta är allt som behövs för att kunna för att räkna ut den A k enligt (7-1) d h 18; L k 8; d w 22.5; d h L k Tan 30 2 Log 1 L k Tan 30 dw d h 1 L k Tan 30 dw d h Slutsats: Vi ser i uträkningen ovan att ca 218 mm 2 material kommer att påverkas av skruvförbandet. Denna yta kommer att fördelas som en kon utifrån var skruvsida. Detta ger oss två triangulära areor med den sammanlagda arean 218 mm 2. På varje sida av skruvhålet kommer det att behövas 109 mm 2 material. Arean av en triangel är b h vilket innebär att vi kommer att få en 2 yta som är 8mm i basen ( materialtjockleken) och 27.25mm hög. Bockningsradie Bockningsradie för centrumplattorna beräknas enligt Verkstadhandboken 10 upplagan Liber Förlag ISBN x Sid 161. Enligt tabell bör bockningsradien för stål med tjocklek 6 och med R m 400 N mm 2 vara 8mm ifall man bockar mot valsriktningen och 10mm om man bockar längs valsriktningen. Slutsats: För bästa hållfasthet ska bockningen ske mot valsriktningen med en bockningsradie på 8mm. Svetsberäkningar vid upprullning Vi ponerar att de mindre balkarna av 8-ekrarskrysset inte finns. Svetsen är runt om hela U profilen. På grund av mothållshålen bildas det ett moment som försöker böja svetsen.

27 Bilaga 4 - Beräkningar.nb : vinkelrät 2 vinkelrät 2 b 0 vinkelrät vinkelrät b : vinkelrät 2 vinkelrät vinkelrät vinkelrät Jämförelsespänning enligt von Mises j vinkelrät2 3 vinkelrät2 2 vinkelrät 2 b ReL m u ReL m u j (9-3) = (9-4) ger: ReL M b e max m u I x ReL I x M b e max m u Säkerhetsfaktorerna för material respektive svetsen räknar vi med följande: m 1.1, u 1.1, f 1.1, n I x för U240, är 3598 = mm 4 Vi tar inte hänsyn till svetsens bidrag i detta då den är så liten i förhållande till balken. Ett a-mått på 4mm kommer räknas in i e max. e max a 120 a 124 mm Vi använder nu (9-7), (9-6) i (9-5) M bmax

28 Bilaga 4 - Beräkningar.nb Detta är det maximala överförbara vridmomentet i Nmm. För att få reda på hur stor kraft detta motsvarar i drivhålet dividerar vi det med avståndet dit som är 570mm Den maximala kraften i drivhålet som svetsförbandet klarar av att överföra är kn. Maximal kraft som uppkommer beräknas efter förutsättningen att man drar med kabeln med kn F f n (2ton) mothållning på en radie till centrum på maximalt 2000mm. Drivhålen sitter 700mm från centrum. U240 balken medför att svetsen är 120mm närmare drivhålen respektive max radie där wiren dras. Max kraft uppkommer då endast ett drivhål används Slutsats: Max kraft som uppkommer i drivhålet (om bara ett drivhål används) är 77.02kN. Svetsförbandet klarar av att överföra detta med 1.47 i säkerhetsfaktor. m n u f Svetsberäkningar för vinklar i 4-ekrarskryss Vid infästning av förstärkningskrysset svetsas vinklar fast på UNP balken. Dessa svetsas på 3 av sina 4 sidor vilket ger att det är en parallell svets och två vinkelräta svetsar i förhållande till angreppskraften. Den parallella svetsen benämns med längden L, den vinkelräta svetsens längd benämns med bredden B. F tot F parallell F vinkelrät 10 1 L 46; a 4; n parallell 1; R el 237;

29 Bilaga 4 - Beräkningar.nb Den parallella svetsen är 46mm lång. Inga avdrag i ändarna för a mått då det svetsar vidare från dess ändar till de vinkelräta svetsarna. Antalet parallella svetsar, n, är 1. a-måttet är 4mm. Säkerhetsfaktorerna för material respektive svetsen räknar vi med följande: m 1.1, u 1.1, f 1.1, n parallell F parallell f n F parallell parallell n a L n a l 10 3 Jämförelsespänning för att lösa parallell. j 3 parallell2, j R el, m u R el 3 parallell2 3 parallell m u 10 4 Genom att kombinera (10-2), (10-3), (10-4) får vi: R el F parallell f n n a L 3 m u 10 5 F parallell R el n parallell a L För den vinkelräta svetsen gäller följande: B 51 4; a 4; n vinkelrät 2; R el 237; F vinkelrät vinkelrät n 2 a B F vinkelrät vinkelrät n 2 a B 10 6 Jämförelsespänning för att lösa vinkelrät. j vinkelrät2 3 vinkelrät, vinkelrät vinkelrät, j 2 vinkelrät, j R el, vinkelrät R el m u 2 m u 10 7 Kombinering av (10-6) samt (10-7) ger: F vinkelrät R el n 2 a B m u

30 Bilaga 4 - Beräkningar.nb R el F vinkelrät n vinkelrät 2 a B Den totala kraften förbandet kan ta upp kan vi nu räkna ut med formel (10-1) F parallell F vinkelrät Slutsats: Skulle det bli ett större kraft än 60.2 kn (motsvarande ett tryck på 6.1ton) finns risk att svetsarna brister, detta med en säkerhetsfaktor på Detta är bara för en vinkel och i varje förband fördelas krafterna på 2 vinklar. Då maxlasten kan bli maximalt 19.64kN (motsvarande 2 ton) så anser vi att detta är hållbart.