OMKONSTRUKTION AV BORRMAST

Transkript

1 Examensarbete 10 poäng C-nivå OMKONSTRUKTION AV BORRMAST Reg.kod: Oru-Te-EXM080-M110/05 Mona-Lisa Refsbäck Maskiningenjörsprogrammet 120 p Örebro vårterminen 2005 Examinator: Lars Arlebo RECONSTRUCTION OF A COREDRILL MAST Örebro universitet Örebro University Institutionen för teknik Department of technology Örebro SE Örebro, Sweden

2 SAMMANFATTNING Hagby-Asahi AB i Nora tillverkar utrustning för diamantbergborrning och avrivningsverktyg för verkstadsindustrin. Vid undersökning av geologiska förhållanden används framförallt diamantborrning med kärnuttagning. Man använder kärnrör, med längd från 3 till 6 meter, som har till uppgift att samla in och hålla kvar den urborrade kärnan. Borrmaskinen behöver en mast som fungerar som en förlängning av matarbommen. Ju längre kärnrör desto högre mast behövs för att kunna ta upp rören. Masten är idag dyr att tillverka och tillverkaren har behov av konstruktionsändringar på grund av nya funktionella önskemål på masten. Uppdraget har varit att: Ta fram förslag på en höj- och sänkbar konstruktion av masten Förenkla konstruktionen genom att minska på antalet delar Ta reda på alternativ till svetsning Konstruktionsförslaget resulterade i en mast med vevbar teleskopfunktion där drivning sker med hjälp av kuggstång och kugghjul. Masten säkras i önskad höjd med hjälp av en enkel låsanordning. Förslaget medför en minskning både av antalet delar och av antalet svetsar i konstruktionen. ii

3 ABSTRACT Hagby-Asahi AB in Nora manufactures equipments for diamond core drilling and cutting tools for industrial use. Diamond core drilling is commonly used during explorations of geographical conditions. Core tubes, with lengths from 3 up to 6 meters, are used to hold the core sample. The drill needs a mast that works as an extension of the feed boom where the length of the core tube decides the height of the mast. Today the mast is expensive to produce and the manufacture is in need of construction changes because of new functional desires on the mast. The task has been to: Come up with a suggested idea for a mast construction that is able to raise and low Simplify the construction to reduce the number of details Find alternatives for welding The suggestion of the construction resulted in a mast with telescopic function. The extensible parts are wind by a handle where spur gears and gear racks will transmit the motion. The mast is then fasten with locking devices that are easy to use. The suggestion leads to a reduced number of details and less welds in the construction. iii

4 FÖRORD Examensarbetet har genomförts på företaget Hagby-Asahi AB i Nora under 10 veckor, vårterminen Stort tack till: Ola Fredin, handledare på Hagby-Asahi AB Tomas Bäckman, handledare vid Örebro universitet iv

5 INLEDNING... 1 FÖRETAGSPRESENTATION... 1 PROSPEKTERINGSBORRNING... 1 BESKRIVNING AV BORRMASKIN... 2 UPPDRAGSBESKRIVNING... 3 PROBLEMFORMULERING... 3 AVGRÄNSNINGAR... 3 FÖRUTSÄTTNINGAR OCH KRAV... 3 BESKRIVNING AV MASTEN... 4 MAST... 4 RÖRSTÖD... 5 BRYTHJUL... 5 ARBETSMETODIK... 6 TILLVÄGAGÅNGSSÄTT... 6 IDÉER... 7 IDÉ IDÉ IDÉ IDÉ KONSTRUKTIONSFÖRSLAG... 9 MAST... 9 Vevanordning... 9 LÅSANORDNING BRYTHJUL Wirestyrning RÖRSTÖD RESULTAT SLUTDISKUSSION REFERENSER BILAGOR BILAGA BILAGA BILAGA v

6 Inledning Företagspresentation Hagby-Asahi AB grundades 1960 med namnet Hagby Bruk AB för tillverkning av utrustning för diamantbergborrning och avrivningsverktyg för verkstadsindustrin. Produktsortimentet har successivt utvidgats och företaget är idag en ledande leverantör av diamantverktyg och diamantborrmaskiner med tillbehör. Utveckling och tillverkning sker i Nora och produkterna säljs över hela världen. Prospekteringsborrning Vid undersökning av geologiska förhållanden, fyndigheter av malm eller andra nyttiga bergarter, används framförallt diamantborrning med kärnuttagning. Det som skiljer kärnborrning från all annan bergsborrning är alltså kärnans upptagning. Kärnröret är mycket viktigt vid diamantborrning och har till uppgift att samla in och hålla kvar den urborrade kärnan. Den vanligaste längden är 3 m men det förekommer längder upp till 6 m. Kärnrören delas in i enkla, dubbla och trippelkärnrör samt wirelinekärnrör. Wirelinetekniken innebär att när kärnröret är fullt med den utborrade kärnan skickas en fångstanordning ned genom borrören med hjälp av en wire. Fångaren kopplas automatiskt till det inre kärnröret, som samtidigt lösgörs från ytterröret och winchas upp till maskinen. Rören hissas upp med hjälp av rotationsenheten, och denna är hydraulisk manövrerad. Därefter skickas ett nytt innerkärnrör ned igen och borrningen kan fortsätta. Metoden innebär att borrkronan och rörsträngen står kvar i borrhålet medan kärnröret med kärnan tas upp. 1 1 Handbok i Prospekteringsborrning 1

7 Beskrivning av borrmaskin Figur 1 Matarbom (1), rotationsenhet (2), rörhållare (3), wirespel (4), och mast (5) Borrmaskinen består av en matarbom, rotationsenhet, rörhållare, wirespel och en mast. Masten utgör en förlängning av matarbommen. Det är kärnröret, det rör som kärnan hamnar i, som bestämmer längden på masten. Ju längre kärnrör desto högre mast behövs för att kunna ta upp rören. 2

8 Uppdragsbeskrivning Problemformulering Masten är idag dyr att tillverka på grund av många svetsmoment och snäva toleranser. Då man har nya funktionella önskemål på masten är man också i behov av konstruktionsändringar. En kombination stege/stöd, ett medflyttbart rörställ 2 och att masten ska vara höj- och sänkbar (förlängningsbar) är några av de önskemål som tillverkaren har på masten. Avgränsningar Då tiden för arbetet är begränsad kommer tyngdpunkten att läggas på momenten nedan och de kommer att prioriteras i följande ordning: 1. Ta fram förslag på en höj - och sänkbar konstruktion av masten 2. Förenkla konstruktionen genom att minska på antalet delar 3. Ta reda på alternativ till svetsning Förutsättningar och krav Diameter på brythjul ska vara samma som idag och vara ledat så att det faller undan Rörstöden ska vara flyttbara i höjdled samt längdled Masten ska vara delbar/transporterbar/vikbar Längden: 3 meter mellan infästning och brythjul i utdraget läge Säkerhet: Klämrisken ska beaktas vid hantering av masten 2 Med rörställ menas ett stativ där man kan ställa rören för att underlätta hanteringen av dem. 3

9 Beskrivning av masten Figur 2 Mast, moduluppbyggd Mast Masten byggs idag av sammansvetsade KKR-rör och är moduluppbyggd, behövs en längre mast förlänger man den genom att montera på en till enhet. Som tidigare nämnts finns det många svetsar på masten. Det är framförallt svetsen vid bussningarna som blir dyra eftersom de snäva toleranserna inte går att hålla efter svetsning. Figur 3 Beskrivning av moduluppbyggnaden 4

10 Rörstöd På masten finns det rörstöd som ska hålla rören på plats. Dessa ska vara flyttbara i längdled samt justerbara i höjdled. Figur 4 Flyttbart rörstöd Brythjul Då rören dras upp med wire behövs ett brythjul 3 på masten. Hjulet ska vara ledat så att det faller undan (Figur 5), detta medför ett gynnsammare drag i wiren. Då wiren sträcks, vid belastning, ska hjulet pressas fram till rätt läge. Det fungerar inta tillfredställande idag. Troligtvis beror det på att konstruktionen har för hög vikt. Hjulet är försett med tre stycken wirestyrningar. Placering vid belastning Figur 5 Ledat brythjul 3 Även kallat wirehjul 5

11 Arbetsmetodik När man identifierat vilka krav konstruktionen skall uppfylla bör man hitta en lösning som tillfredställer de givna kraven. Den första lösningen brukar sällan vara den bästa, därför är det viktigt att inte stanna upp vid en enda möjlig lösning utan istället skapa många koncept som kan vara mer eller mindre bra lösningar på det givna problemet. Men med många bra idéer kan det vara svårt att välja ut det bästa alternativet. Det är också viktigt att man inte bara väljer det bästa konceptet utan också gör förbättringar genom att försöka ta tillvara goda idéer från bortsorterade alternativ. 4 Tillvägagångssätt Förstudie Idégenerering, brainstorming Idévärdering, ställ dem mot varandra Utformning av förslag Analysera risker och svagheter Förbättra förslag Utveckla förslag Idégenerering Värdering av idéer Utforma förslag Analysera förslag Förbättra förslag Genomför förslag Figur 6 Arbetsgång vid omkonstruktion av mast 4 B. Bergman och B. Klefsjö,

12 Idéer Innan idéarbetet kom igång studerades olika typer av master, både företagets egna konstruktioner, genom tiderna, men även konkurrenters konstruktionslösningar. Förstudier har också gjorts på liknande produkter såsom kranar och annan lyftutrustning. I ett tidigt skede beslöts det att masten skulle vara teleskoperbar i tre delar, vilket också följande idéer bygger på. Idé 1 Till en början bestod arbetet av att hitta profiler som skulle kunna fungera bra ihop och det gällde då framför allt standardprofiler som t.ex. I-balk, L-balk eller VKR-rör. Problemet med att använda VKR-rör är att insidans yta är alltför grov för att delarna ska kunna röra sig mot varandra. Ett annat problem var att hitta lämpliga dimensioner för att dessa standardprofiler skulle passa i varandra. Figur 7 Exempel på en L-balk konstruktion Idé 2 En kombination av standardprofiler och bockade plåtprofiler provades i nästa skede. Svårigheten med kombinationerna var att hitta en bra metod för att låsa fast de olika delarna i varandra. Ett förslag var att med en sprint låsa delarna i varandra. Men att dra en sprint genom ett stort antal hål skulle innebära för mycket pillgöra för den personen som ska sköta maskinen. Figur 8 Exempel på kombination av olika profiler 7

13 Idé 3 Genom att förse den mellersta profilen med klossar på ovan- och undersida och passande hålbilder på de två övriga profilerna skulle masten kunna låsas ihop med hjälp av klämförband. Tanken var att ha någon form av fjädrar mellan profilerna så att när man lossat på förbandet skulle delarna fjädra ifrån varandra för att underlätta höjning och sänkning av masten. Konstruktionen är robust och kan förväntas klara de belastningar den kommer att utsättas för. Men tillverkningskostnaden skulle bli hög då laserskärning, som skulle krävas för fyrkantshålen, är en dyr metod. Figur 9 Kloss- variant Idé 4 Klossvarianten framkallade idén med att använda kuggstång istället för klossar. Senare utvecklades idén till att kunna veva fram masten istället för att skjuta den ut och in för hand och då istället använda kuggstång i kombination med ett drivhjul. Bockade C-profiler valdes bland annat för att slippa svetsar men också för att kunna placera rörstöden i slitsen. Låsning sker med bultar på ovansidan och eventuellt också på undersidan. Figur 10 Kuggstång/kugghjul konstruktion 8

14 Konstruktionsförslag Idén med att kunna veva fram masten med hjälp av kuggstång/kugghjul utvecklades vidare och resultatet blev följande. Mast Masten är konstruerad av plåt som bockats till c-profiler. Det för att erhålla de önskade dimensionerna och en stabil konstruktion. De två delarna som ska kunna röra sig, 2 och 3, är försedda med kuggstång på ena långsidan. De är monterade med kuggarna nedåt för att förhindra att smuts lägger sig på kuggen. Kuggstången kommer inte att utsättas för hög belastning och behöver därför inte vara av hög modul. Styrningar av plast behövs på profilernas (1 och 2) insidor för att centrera profilerna i varandra och för att motverka att byrålådseffekter uppstår, se bilaga 3. Hålbilderna på profil 2 och 3 behövs för låsanordningen. Figur 11 Profil 1, 2 och 3 Vevanordning På profilerna 1 och 2 finns vevanordning. Den består av kugghjul med axel, glidlagrat i en bussning. Hopfogning av bussningen i profilen kan möjligen göras med ett konstruktionslim avsett för metall. Änden på axeln, där veven ska placeras, har ett fyrkantshål. Figur 12 Vevanordningens sammansättning 9

15 Låsanordning För att underlätta för maskinoperatören vid höjning och sänkning av masten behövdes ett snabbt och enkelt förband av något slag. Låspinnarna på denna låsanordning låser samman två profiler. När man lossar på skruvarna trycks låsanordningen isär så att den lösgörs från den inre profilen som då kan vevas ut eller in, se bilaga 1. För att detta ska fungera behövs det genomgående hål för låspinnarna i profilen och dess styrningar. Figur 13 Låsanordning Figur 14 Genomgående hål i styrning/profil Brythjul Konsolen där brythjulet är monterat ser ungefär ut som på den befintliga masten. Den fästs med skruvförband i profil 3. Vaggan, den runda plåten med urfräst spår i, är fastsvetsad i konsolen. Brythjulet är lagrat och axeln ligger i spåret. Konstruktionen får lägre vikt jämfört med den befintliga på grund av reducerat antal delar. Figur 15 Konsol med ledat brythjul 10

16 Wirestyrning Styrningen består av en rulle som ligger an mot brythjulet med hjälp av två dragfjädrar. Rullens axel leds i spår som är placerade på konsolen. Genom att fästa styrningen på konsolen, och inte på brythjulet, bidrar även det till en lägre vikt på brythjulskonstruktionen. Figur 16 Wirestyrning Rörstöd Ändringar har gjorts på den bockade plåtdetaljen, delen som röret ska vila mot. Istället för två trattar finns det nu bara en på den änden som ska vara mot dragriktningen av rören. På den andra sidan fyller den ändå ingen funktion. Det minskar också risken att placera stödet åt fel håll, alltså med den höga kanten närmast operatören. Figur 17 Rörstöd 11

17 Resultat Figur 18 Masten i sitt kortaste läge Figur 19 Masten i sitt längsta läge Profil 1 är fäst, med ett gångjärn på ovansidan och med skruvförband på undersidan, i en platta som skruvas fast på matarbommen. Gångjärnet behövs för att masten ska kunna vikas över matarbommen för att underlätta transportering. Mastens längd, mellan infästning och hjul, är som längst ca 3 meter och som kortast ca 1 meter. Ingen svets i masten, endast på brythjulskonsolen och på låsanordningen men det beror på hur man väljer att tillverka den. Konstruktionsförslaget medför minskat antal detaljer. 12

18 Slutdiskussion Konstruktionsförslaget är i stora drag bra men det har under arbetet framkommit andra sätt att lösa låsanordningen, det ledade brythjulet och wirestyrningen på. När det gäller låsanordningen kommer den troligtvis inte att fungera bra i kallt klimat med mycket is och snö. Hålen kan isa igen och skruvarna frysa fast. Vid underjordsborrning tror man däremot att det kan vara en bra lösning. Anordningen medför också att masten inte blir steglöst ställbar. Ett alternativ kan vara att använda kugghjulet och kuggstången för låsningen. I det fallet kan man använda motor istället för vevanordning. Eventuellt skulle en sådan anordning då behövas på båda sidor om masten för att klara av belastningen den kommer att utsättas för. Ett annat alternativ är att använda hydraulcylindrar för utskjutning och låsning av masten. Detta medför att kuggstång/kugghjul inte alls behövs. Problemet kan vara att hitta cylindrar med tillräcklig slaglängd och som är möjliga att bygga in i profilerna på ett bra sätt. Det ledade brythjulet kommer troligen inte att uppfylla kravet att det ska pressas till rätt läge då wiren belastas, som på den befintliga konstruktionen. Den cirkulära formen på plåten genererade en ny idé. Om den runda plåten med det urfrästa spåret istället för att svetsas fast ges möjlighet att vridas runt sitt centrum kommer troligen brythjulet orka till rätt läge i spåret. Det som är positivt med den nya utformningen är att den blir lättare med det reducerade antalet delar. En wirestyrning tros inte vara tillräcklig för att hålla wiren kvar på hjulet. Den mest viktiga placeringen av styrningen är vid konsolens infästning i masten, se bilaga 2. Möjligheten finns att montera ytterligare en styrning på hjulet. Men att använda styrrullen som djupmätare var en idé som föddes till följd av utformningen. Nackdelar med valet av c-profil är att smuts, snö och vatten kommer att samlas i profilerna. Ett förslag var i ett tidigt skede att vända på profilerna men då försvann möjligheten att utnyttja spåret för rörstödsinfästningen. Tänkbart är att borra upp något hål på undersidan för att avleda vatten och smuts. Gällande mastens utseende så sammanfaller dess form bra med maskinens övriga utrustning. Masten ger ett mer enhetligt intryck än den befintliga konstruktionen. Återstående arbete är att utforma en kombinerad stege/stöd för masten. Stege krävs för att man ska nå upp till vev, wire och hjul. Vid borrning vertikalt kan det bli över 5 meter upp till hjulet. Nästa moment är att göra hållfasthetsberäkningar och kostnadsberäkningar på konstruktionsförslaget. Resultatet av arbetet kommer förhoppningsvis att generera i fler nya idéer hos konstruktörerna på Hagby-Asahi AB. 13

19 Referenser Tryckta källor: Bergman, B & Klefsjö, B., 2001, Kvalitet från behov till användning. Studentlitteratur, Lund. Finkel, M. & Thoring, T., 1989, Handbok i prospekteringsborrning. Svenska gruvföreningen Kommittén för prospekteringsborrning (PBK). Internet: < maj

20 Bilagor Bilaga 1 Låspinne Vevhål Låsanordning låst Låsanordning öppen 15

21 Bilaga 2 Viktigaste placeringen 16

22 Bilaga 3 Plaststyrning Kuggstång Vevanordning Plaststyrning 17