CHALMERS. Stayout. -Ett skydd som står emot

Transkript

1 CHALMERS Stayout -Ett skydd som står emot Integrerad konstruktion och tillverkning (TME 041) Institution: PPU Nina Johansson, Susanna Lindberg, Maria Ludvigsson, Kajsa Taylor och Emil Ödebrink Handledare: Daniel Corin-Stig Grupp C

2 Sammanfattning I denna rapport beskrivs utvecklingen av ett skydd för en stirlingmotor åt företaget Cleanergy. Cleanergy arbetar med solenergi och utvecklar produkter som utnyttjar värmen i solljus för att driva en stirlingmotor. Problemet har varit hög tillverkningskostnad och otillräckligt skydd av stirlingmotor. Volymen på skyddet är ungefär 1m 3 vilket ska innefatta en stirlingmotor på cirka 400 kg och 5 stycken övriga komponenter. Det nya konceptet kan ersätta Cleanergys nuvarande skydd. Metodiken som tillämpats vid framtagningen av skyddet är Värdemodellen. Det nya skyddet har en minskad komplexitetsgrad vilket gör det enklare att tillverka och hantera. Fokus har legat på att få ner antalet komponenter och förenkla de delar som redan finns. Den dyra keramen, vilken används som värmeskydd på framsidan, har skurits ned till en betydligt mindre och optimerad variant. Detta har lett till att kostnaden har kunnat sänkas från till mellan kronor. Långsidor och tak har integrerats till en enda del, topphölje, som bockas till rätt form. Dessutom har handtag fästs vid långsidorna för att förenkla service. Materialet som valts är aluminium då detta har låg densitet och bra korrosionsegenskaper. Cleanergys ursprungliga motorram och ramverk behålls till stora delar. Konceptet har potential för vidareutveckling. 2

3 Innehållsförteckning Sammanfattning Inledning Bakgrund och syfte Problemformulering Avgränsningar Bakgrundsmaterial Metod och genomförande Skyddets livscykel Skyddets kundkrav Kravspecifikation Skyddets position på s-kurvan Referenslösning Konceptval Detaljkonstruktion Prototyptillverkning och funktionellt test Resultat och diskussion Konceptbeskrivning Dimensionering av kritiska system Lucka axel och motor Hållfasthetsberäkning Tillverkningsmetoder och kostnadsuppskattningar Kostnadsuppskattning av hölje Kostnadsuppskattning av ramverk Diskussion och analys av kostnads- och tillverkningsresultat Prototyp Uppfyllande av funktionskrav Slutsatser och rekommendationer Källförteckning Bilaga 1 Kundkedja Bilaga 2 Kanomodellen

4 Bilaga 3 Alternativa koncept Koncept Koncept Bilaga 4 Matlab-beräkning Bilaga 5 Aerodynamiska beräkningar Bilaga 6 Kostnadsuppskattning Bilaga 7 Ritningar

5 1. Inledning 1.1. Bakgrund och syfte Cleanergy är ett relativt nystartat företag (2008) som använder en ny teknologi för att ta tillvara på solenergin [1]. Tekniken går ut på att en spegelförsedd parabol centrerar de varma solstrålarna i en receiver som därefter överför värmen till en stirlingmotor, se figur(1). Solkraftverket arbetar i två lägen; ett aktivt läge när solen skiner och ett inaktivt läge då dåliga väderförhållanden råder. I det inaktiva läget fälls parabolen ner för att skydda dess speglar. När detta sker måste receiverhålet övertäckas för att skydda komponenterna inuti höljet. Detta är ett av skyddets huvudfunktioner. Figur 1 Cleanergys solkraftverk Efterfrågan på förnyelsebar energi har ökat sedan slutet av 1900-talet. Detta innebär att företag som Cleanergy möter en stor marknad när deras produkter utvecklats vidare och blir mer lättillgängliga. Cleanergys vision är att bli en världsledande leverantör av stirlingbaserade klimatneutrala energilösningar. De mest betydelsefulla kunderna är idag statliga organisationer från större länder såsom Kina. Detta eftersom det finns mycket ålderdomlig teknik i Kina som behöver förnyas. Kina vill ersätta kolkraftverk med Cleanergys solkraftverk som ett förnyelsebart och i längden hållbart energialternativ. Tanken är att dessa ska placeras i områden med mycket sol, som exempelvis i öknar och på höga höjder i bergskedjor. Underlaget för detta projekt kommer främst från ett informationsmöte som hölls av Per Eskilson, en representant från Cleanergy [4]. Det skydd som används för stirlingmotorn i dagsläget är komplicerat och är ur tillverkningssynpunkt en för stor kostnadsbärare. Syftet är att omarbeta företagets skydd förbättra detta utifrån vissa kända kriterier. 5

6 1.2. Problemformulering Cleanergy vill ha ett hölje och ramverk som klarar av de extrema väderförhållandena som råder på de platser där skyddet kan komma att användas. Några områden som nämns är Saharaöknen, inre Mongoliet, Gobiöknen och Tibet. Väderförhållandena här är väldigt varierande alltifrån snöstorm och 40 grader kallt till gassande sol och 55 graders hetta. Här blåser det ofta kraftigt och skyddet måste tåla vindar på 35m/s. De solparker som kommer placeras i Asien har påkänning av Asian dust. Asian dust är stora dammoln som innehåller förorenande ämnen så som svavel, kisel, aluminium, kalcium och aska. Utifrån dessa fakta inses det att skyddet måste tåla temperaturskiftningar, ha hög hållfasthet samt kunna stänga ute partiklar av olika slag och väta. Vid receivern där solstrålarna tas emot blir temperaturerna väldigt höga, uppemot 6000 C i fokuspunkten. Denna ligger lite innan receivern och temperaturen minskar därefter så i denna konstruktion har det utgåtts från att det skyddande materialet ska tåla en temperatur på drygt 2000 C. Övriga kriterier som skyddet ska uppfylla är att det ska ha en tillverkningskostnad runt 3000kr/st och ha en hållbarhet på 25 år [4]. Ett stort problem Cleanergys nuvarande lösning har är att de inte har en bra lösning på hur ljusinsläppet ska skyddas då solkraftverket är i viloläge. Målformulering: I vecka 19 år 2011 ska vi efter god planering och gemensamt arbete kunna redovisa ett skydd för stirlingmotor, i form av ram och hölje, som ökar kundvärdet genom sänkt kostnad på kronor och hjälper Cleanergy att etablera sig som marknadsledande företag samt lämnar oss med god förståelse om Värdemodellen Avgränsningar - Inga förändringar på själva stirlingmotorn kommer att göras. - Komponentfästen inuti ramverket utformas inte, men plats för komponenter skapas. - Endast hål för transport av elektricitet skapas - Kostnad för eventuella inköp av nya maskiner tas inte i akt. - Val av leverantörer samt produktionsföretag kommer inte att göras. - I samband med denna rapport avslutas arbetet kring framtaget koncept. 2. Bakgrundsmaterial Materialet kommer från informationsmötet som hölls av Per Eskilsson[4]. Det befintliga skyddet består av aluminiumplåtar som skruvats ihop. På framsidan skyddas receivern med keramiska plattor fastskruvade på aluminiumplattan, se figur(2). Dimensionen kommer från en CAD-modell av Cleanergys nuvarande lösning, se figur 1. Stirlingmotorn tillverkas endast i en storlek och väger cirka 400 kg. Skyddet har en ungefärlig volym på 1m 3. 6

7 Aluminiumplåt Keramiskt skydd Fläkt Radiator Stålram Figur 2 Cleanergys befintliga lösning 3. Metod och genomförande Den arbetsmetod som används kallas Värdemodellen [1]. Grundkonceptet i denna arbetsmodell är att låta kundvärdet stå i centrum vid utvecklingen. Kundvärdet fås genom att vikta funktionerna som kunden är ute efter och analysera dem utifrån vilka resurser de kräver. Största möjliga konkurrensmöjlighet uppnås vid högst kundvärde och fokus läggs på kundkraven. Först redogörs skyddets livscykel samt hur kundkraven fastställs. Därefter beskrivs metoden kring utformning av en funktionell kravspecifikation för att fortsätta med positioneringen på s-kurva, referenslösning, konceptval, skyddets detaljkonstruering och slutligen framtagning av prototyp Skyddets livscykel Med hjälp av skyddets livscykel kan kundkraven lättare fastställas. Denna utgörs av fem kategorier: Spekulant Köpare Mottagare Användare - Avvecklare Första gruppen är det skede då kunden först kommer i kontakt med Cleanergy som spekulant. I denna fas är det viktigt med ett bra första intryck, det vill säga att företaget förmedlar rätt image. Grupp två representerar fasen då kunden är köpare. För Cleanergy gäller det att ha ett så konkurrenskraftigt skydd som möjligt och att all fakta, positiv såväl som negativ, görs synlig för kunden. Detta eftersom det skapar trygghet och förhoppningsvis visar på ett oöverträffat kundvärde vilket ökar företagets konkurrenskraft. Tredje gruppen handlar om att tillmötesgå mottagaren på ett lämpligt sätt. Detta sker genom att korrekt information om skyddet lämnas och att rätt antal delar är med etcetera. Det är även av stor 7

8 vikt att detta sker på rätt sätt och vid rätt tidpunkt eftersom en förskjutning av överenskommen ledtid kan innebära stora kostnader för kunden. Oförutsedda kostnader vid exempelvis extra lagerhållning då ett styrningslager tillkommer. Ansvaret för att rätt produkter levereras till kunden ligger främst hos Cleanergy och i andra hand dess leverantörer. Fokus i detta projekt läggs därför istället på att leverera en så enkel produkt som möjligt, för att därmed minimera antalet fel som kan göras. Den fjärde gruppen är då skyddet börjar användas. Här spelar kvalité och förmåga att behålla kundvärde under en längre tid stor roll. Det ska vara enkelt för kunden att börja använda skyddet, fortsätta använda det och till sist att sluta använda skyddet. Möjlighet att köpa reservdelar och att få rätt service bidrar till högre kundvärde. I gruppen avvecklare läggs slutligen fokus på att skyddet ska gå att återvinna och att detta ska vara lönsamt Skyddets kundkrav För att höja kundvärdet är det viktigt att alla krav på produkten verifieras. För att inte tappa något krav på vägen mellan konstruktör och kund har en kundkedja tagits fram vilken kan ses i bilaga(1). Utifrån denna, tillsammans med skyddets livscykel som nämns ovan, utreds vilka krav som kunden har i de olika livsfaserna. Då det inte finns några befintliga kunder att tillgå görs en intervju med personal från Cleanergy. Detta för att få en uppfattning om vad kunden är ute efter för funktioner och krav på skyddet. Kraven delas upp i tre olika grupper som listas enligt Kanomodellen [1]. Grupperna är: baskrav (de krav som absolut måste uppfyllas), uttalade krav (kundens uttalade krav) samt pricken över i -krav (kundvärdeshöjande krav). Dessa krav finns listade i bilaga(2) och utgör en grund till fortsatt utveckling Kravspecifikation Vi tillverkning av en produkt är det viktigt att utgå ifrån vilka funktioner kunden är ute efter. Dessa skapas utifrån kundkraven och listas i en funktionsbaserad kravspecifikation, vilken ses i tabell(1). Rubrikerna är: funktioner, klass, prestandamått, enhet och målvärde. Mätbara målvärden fastställs utifrån givna krav. Funktionerna ordnas i fyra grupper vilka beskrivs enligt följande: Huvudfunktionerna har störst betydelse för kunden. De beskriver produktens huvudsyfte. Genom att höja prestandan på dessa ökar skyddets kundvärde. Tilläggsfunktioner är så kallade extrafunktioner. Dessa ökar kundvärdet om de uppfyller extraordinära kundbehov, då kunden är villig att betala för dem. Stödjande funktioner har ingen synlig betydelse för ett ökat kundvärde. De måste däremot finnas för att skyddet skall fungera ordentligt. Då dessa kostar pengar utan att de ökar kundvärdet är stödjande funktioner något som bör reduceras. Oönskade funktioner är precis som det låter, oönskade. Det är funktioner som sänker kundvärdet och ska därför elimineras. 8

9 Funktioner Klass Prestandamått Enhet Målvärde Skydd håller motor och komponenter Skydd skyddar motor och komponenter Huvudfunktioner Kraft som ram och låda kan hålla Newton 4000 mot väta Genomsläpp av väta ml/h 0 mot Asian dust och Intrångsmöjlighet för sand sand och partiklar g/m^3 0 mot vind Tryck på låda vid vind N/m^2 vet ej mot solljus Vindhastighet m/s 35 Livslängd vid UVbelastning År 25 Värmetolerans - runt hål C 2000 Värmetolerans - låda C 100 Hål släpper in solstrålar Genomlysning % 100 Skydd isolerar ljud Tilläggsfunktioner Ljudstyrka decibel 70 Skydd dämpar vibrationer Frekvens mm/s 2 Skydd släpper in servicepersonal Stödjandefunktioner Få komponenter st 3 Skydd släpper ut elektricitet Passningstolerans mm 2 Inget underhåll på lådan och ram krävs Oönskadefunktioner Livstid År 25 Kostnad inköp Kostnad Material kr/produkt 1000 Tillverkning kr/produkt 2000 Kostnad drift Servicepersonal kr/produkt 0 Tabell 1 Funktionsbaserad kravspecifikation 3.4. Skyddets position på s-kurvan Att använda en s-kurva under utvecklingsskedet är viktigt för att inte hamna efter konkurrensmässigt redan innan produkten nått marknaden. Då tillvaratas erfarenheter från andra koncept vilket ökar möjligheten att satsa resurser i tidiga faser. Genom att definiera i vilket av de olika stegen barndom, uppväxt, mognad och ålderdom produkten befinner sig, fås ett effektivt verktyg för att veta var fokus ska ligga. Som ses i figur(3) nedan ligger skyddet i den fas som kallas barndomsfasen. Fokus i denna fas ska läggas på att få fram ett skydd som först och främst uppfyller huvudfunktionerna. 9

10 Figur 3 S-kurva 3.5. Referenslösning Referenslösningen som väljs bygger till stor del på Cleanergys nuvarande lösning. Det som finns att tillgå på marknaden för sterlingmotorer med solfångare, är i stor utsträckning datamodellerade bilder där produkterna har låg hänsyn till dem speciella miljöer som konceptet skall klara av. Dock har viss inspiration kring design och montering kunnat användas. Den valda referensen syns nedan i figur(4). Genom att välja ut de bästa dellösningarna från tidigare koncept en referenslösning skapats. Denna ligger till grund för det fortsatta arbetet. Figur 4 Referenslösning Den existerande lådan från Cleanergy är basen i referensen, med vissa tillägg: - En fästanordning bestående av snäpplås väljs för att undvika lösa delar. - En aerodynamisk form väljs för att vatten och dylikt enkelt ska rinna av. - Få komponenter används för att förenkla tillverkning och montering av skyddet. - Plattan som skyddar receiverhålet består av en torkarbladsinspirerad arm som täcker hålet då solkraftverket är i inaktivt läge. 10

11 3.6. Konceptval För att få fram flera alternativa lösningsförslag används brainstorming. Då fås en stor kvantitet av dellösningar vilka genom en morfologisk matris sätts samman till olika koncept. Efter vidareutveckling itereras koncepten i en Pughmatris varur ett vinnande koncept skapas. För alternativa koncept se bilaga(3) Detaljkonstruktion Detaljkonstruktion av ett koncept kräver en ständig avvägning mellan konstruktörens vision och de reella krav som ställs på producerbarhet, livslängd och ekonomiska aspekter. De verktyg som används för att tillgodose de ofta motstridiga kraven är: - DFMA, Design for Manufacturing and Assembly - Hållfasthetsberäkningar - Swiftkalkyleringar DFMA metoder används för att optimera skyddet utifrån att det ska vara enkelt att tillverka, ha låg monteringstid samt låg kostnad. Fokus läggs på att reducera och integrera antalet detaljer. Vidare görs, inom ramen för DFMA, en kostnadskalkyl enligt Swift. Där jämförs olika tillverkningsprocesser med olika material. Även hanterings- och monteringstid beräknas och adderas till den totala tillverkningskostnaden för varje komponent [2]. Kritiska detaljer i produkten behöver detaljkonstrueras med beräkningar för att försäkra att dessa har en konstruktion som klarar av de påfrestningar skyddet utsätts för. Vad gäller axel, skydd och keramplatta används mekaniska beräkningar samt geometri för att försäkra att dessa delar håller för de krav som ställs. Höljets tjocklek itereras fram med hjälp av FEM-beräkningar i CAD-modellen. En kostnadsberäkning enligt Swifts metod genomförs på de mest komplicerade delarna, ramverket och topphöljet. Beräkningen utförs för att ur ett kostnadsperspektiv se vilket material och vilken tillverkningsmetod som är mest lämplig. Swiftkalkylerignarna tar hänsyn till komponentens komplexitet, tillverkningsbarhet och monteringskostnader (inklusive löner) [2] Prototyptillverkning och funktionellt test En prototyp byggs i syfte att kunna använda denna vid presentationer samt för att utföra tester. Testerna görs för att se hur pass väl skyddets funktioner uppfylls. Skalan på prototypen är 1:4. Testerna som utförs är enkelheten i att montera/demontera skyddet samt kontroll av dess täthet. För att försäkra att servicepersonalen lätt och snabbt kan ta sig in i skyddet och serva motorn mäts tiden det tar att demontera höljet. Även de ergonomiska aspekterna beaktas för framtida rekommendationer. För att testa skyddets täthet täcks detta av sand och vatten. 11

12 4. Resultat och diskussion Konceptet framtaget av den beskrivna metoden kan ses i figur(5). Under denna rubrik kommer funktionen av det genererade konceptet först redovisas. Därefter framförs dimensionering av de kritiska system som finns. Vidare tas resultat av kostnadsuppskattning och val av tillverkningsmetod upp, vilka diskuteras direkt efteråt. Även den framtagna prototypen presenteras och diskuteras. Avsnittet avslutas med en diskussion av konceptets funktioner. Figur 5 Skydd för stirlingmotor 4.1. Konceptbeskrivning Den framtagna produkten består av fyra olika moduler, se figur(6) och figur(7) nedan: - En ram av aluminium som är integrerad med två aluminiumplåtar, en på framsidan och en på baksidan. - Ett aluminiumhölje som förs på ovanifrån för att täcka motorn och komponenterna. - En bottenplatta som täcker underifrån. - En lucka av aluminium täckt av keramiskt material. Ramen ses i figur 4 nedan. Den är uppbyggd av aluminiumstänger med fyrkantstvärsnitt som ger stadga åt hela konstruktionen. Ytterligare stänger har tillförts för att enklare kunna fästa komponenter. Framsidan har ett hål som släpper in det koncentrerade solljuset till receivern. För att få en god ventilation i skyddet och hindra vätgasansamling finns en fläkt placerad inuti ramen. Genom ett hål på baksidan strömmar luft in till fläkten och luften förs sedan ut genom ett hål i bottenplattan. Hålet är placerat under vätgastuben. Då information om placering av detta saknas har ett tillfälligt hål skapats som illustration. Båda hålen täcks av filter och ytterväggsgaller för att förhindra att sand och damm tränger in. Bottenplattan görs i aluminiumplåt och fästs med skruvförband på ramens undersida. Höljet förs på ovanifrån i skåror i ramens vertikala stänger, se figur(7). Detta fästs sedan fast med skruvar in i ramens nedre liggande stänger. För att lättare kunna dra av och på höljet fästs två handtag, ett på vardera sida. Att konstruktionen ska sluta tätt är viktigt 12

13 för att motorn och komponenterna ska skyddas från damm, väta och sand. Mellan de olika delarna kommer därför gummilister fästas. Ramverk Hölje Figur 6 Ramverk Lucka Figur 7 Skydd med avtaget hölje Bottenplatta Hålet som släpper in solljuset måste förslutas vilket görs genom en roterande lucka. Luckan består av ett keramiskt material, ALTRA KVS, som klarar av mycket höga temperaturer. Keramen är fäst i en hållare av aluminiumplåt. Denna fästs i sin tur på en axel som genom framsidan av ramen leder in till en elmotor som klarar av att rotera luckan. I aktiverat läge är hålet öppet, vilket ses i figur(8). När solkraftverket inaktiveras roteras luckan så att hålet täcks, se figur(9). Gummilister eller borst placeras runt hålet (mellan luckan och ramen) och förhindrar damm, sand och väta att tränga in från sidorna. Luckan hålls kvar i detta läge genom att den lutar mot ett stopp som är fastsvetsad på framsidan av ramen. I det aktiverade läget är det motorn som håller den i rätt position. Figur 8 Aktiverat läge, öppen lucka Figur 9 Inaktiverat läge, stängd lucka 13

14 I tidigare versioner av skyddet, exempelvis referenslösningen, är luckan och den skyddande keramen två olika komponenter. Dessa två väljs att integreras då det ger tydliga fördelar. Det blir färre komponenter, men den största fördelen anses vara att luckan nu också är skyddad. Vid eventuella störningar kan det koncentrerade solljuset träffa luckan, vilket nu inte spelar någon roll. För att sätta fast skyddet på solkraftverkets arm har Cleanergy en motorram. Tidigare har botten av skyddet varit öppen och på så sätt har motorramen kunnat hålla upp motorn. Cleanergy anses nöjda med denna, men då det finns behov att det ska sluta helt tätt blir denna tvungen att omarbetas. Alternativt att bottenplattan justeras för att passa motorramen. Ritningar av skyddets olika komponenter finns i bilaga(7). Då detta endast är ett koncept och tillräcklig kunskap saknas är ritningarna ej toleranssatta Dimensionering av kritiska system Nedan beskrivs dimensionering av komponenterna lucka, axel och motor. Resultatet av beräkningarna används som underlag vid detaljkonstruktion av skyddet. Det görs även en hållfasthetsberäkning av detta med hjälp av simulering i Inventor. Detta för att se att skyddet klarar av kraften från de givna vindhastigheterna. Ett Matlab-program skapas för att utföra beräkningarna och för att snabbt kunna få fram nya resultat vid ändringar på luckans geometri. Detta program finns i bilaga(4) i vilket valda värden beskrivs noggrannare Lucka axel och motor Modulen med axeln, luckan och motorn kräver speciell montering inuti lådan och därför måste hänsyn tas till hur denna skall utformas. Luckan består av en dyr keram vilken, genom minimering, är sänker kostnaden. Axeln tar upp större delen av kraften och dimensioneras för att garantera hållbarhet. Elmotorn ses över för att få kunskap om hur mycket utrymme denna kan komma att kräva inuti lådan Avgränsningar Det krävs avgränsningar då hela modulen är ett komplext system med många frihetsgrader och flera iterationer krävs för att kunna optimera denna. Avsaknad av kunskap kring solparabolens styrsystem medför att elmotorn lämnas till vidareutveckling för att optimeras mot övrig elektronik. Beräkningarna är övergripande och avser användas för att ta fram rimliga dimensioner på skyddet. Eventuell växellåda och styrbox monteras i serie med motor, där det finns utrymme för ytterligare montering. Hållfasthetsberäkningar med avseende på utmattning beräknas ej. Här finns utrymme för vidare utveckling Lucka Luckan dimensioneras utifrån de uppgifter som lämnats av Cleanergy. Avståndet från låda till solfångare är 4,5 m. Med en felmarginal på 1 innan inaktivering fås ett spann på 80 mm utanför receiverhålet. En säkerhet 2 ger 160 mm utanför solkonens bana. Med förutsättningen att solkonen går ut och in från vänster upp till höger har en säkerhetszon skapats. Denna förenklas geometriskt och utvidgas i nederkant för att låta axeln ha sin infästningspunkt där. Ur rotationssynpunkt är höger nederkant optimalt för infästningen vid hänsyn till utrymme kring receivern. Efter att luckan 14

15 konstrueras i CAD beräknas den totala volymen till 0,008 m 2 med en tjocklek på 30mm. Tjockleken bestäms utifrån den som Cleanergy tidigare haft på sin produkt. Massan uppgår till ca 3,3 kg med vald keram. Även masscentrum för luckan räknas ut, detta med avseende på axeln, för att beräkna vilka moment som axeln belastas med Axel Axeln bestäms till att vara 100mm lång då en kortare axel har en mindre utböjning och därmed en mindre tjocklek. Axeln är upphängd i två lager, ett precis bakom främre kortsidan och ett intill elmotorn. Med dessa mått dimensioneras axeln mot utmattning enligt von Mises. Där har den maximala belastningen på axelns ände vid luckan uppskattats till luckans egentyngd. Dessa beräkningar ger en diameter på 4.4mm. För att få så kostnadseffektiva lager som möjligt bör man använda diametrar i hela tiotal och därför bör diametern uppgå till 10mm. Med en sådan dimensionsökning och de låga varvtal som axeln utsätts för kan beräkningar mot utmattning åsidosättas Motor Att beräkna vilka krafter motorn utsätts för har endast till syfte att garantera att placeringen av en motor med det uträknade kraftbehovet kan monteras inuti skyddet. Därför görs endast en väldigt enkel beräkning som syftar till att få en känsla kring vilka krafter motorn bör klara av. Genom att omvandla det moment som maximalt verkar på axeln, luckans tyngd multiplicerat med avståndet från axeln, och omvandla det till Watt fås en fingervisning kring vilket område motorn bör placeras. Då föga kunskaper om styrsystemet för produkten finns sattes tiden från full öppning till full stängning till 5s. Detta tillsammans med vinkeländringen ger varvtal och vinkelhastighet. Tillsammans med tumregler inom elmotordrift som säger att motorns arbetsvarvtal bör vara 0.7 gånger maxvarvtalet och att arbetseffekten bör vara ungefär hälften av maxeffekten kunde varvtal, 1.7 varv per minut, och önskad maxeffekt, 0,3185 Watt, beräknas. Efter sökningar på internet, bland försäljare av elmotorer, fastställs de generella dimensionerna 60x100mm. Det varierar vilken del som motsvarar längd och vilken som motsvarar bredd men dimensionerna kommer att kunna placeras inuti lådan. 15

16 Hållfasthetsberäkning För att göra FEM-beräkningar på skyddets CAD modell ansätts en kraft på detta. Kraften beräknas genom att använda de vindar skyddet ska stå emot, vilka uppgår till 35m/s. Beräkningarna resulterar i att det framtagna konceptets detaljkonstruktion håller. Detta då den maximala tryckspännningen uppgår till cirka 4 MPa, vilket är lägre än aluminiums sträckgräns, se figur(10) nedan. Uträkningarna bifogas i bilaga(5). Figur 10 FEM beräkning i Inventor 4.3. Tillverkningsmetoder och kostnadsuppskattningar De tillverkningsmetoder som passar det framtagna konceptets topphölje och integrerade ramverk är följande [2]: Hölje: Komponenten kan tillverkas genom följande valda processer: Klippning, svetsning Toppsidan och de två sidorna klipps ut och svetsas samman. Klippning och bockning En plåt som utgör hela topphöljet klipps ut och bockas sedan till rätt form. 16

17 Ramverk med integrerad fram- och baksida: Komponenten kan tillverkas genom följande valda processer: Sandgjutning Komponenten gjuts till sin färdiga form i en sandform. Komponenten ligger med framsidan ner och fylls nerifrån och upp. En fyllnads- och stelningssimulering behövs för att bedöma processens svårighet. Extrudering, klippning, svetsning Stängerna extruderas och klipps av till dess rätta längd. Fram- och baksida klipps till. Alla delar sammanfogas med hjälp av svetsning. Dessa tillverkningsmetoder kostnadsuppskattas och jämförs. Resultatet redovisas nedan i tabell(2) och tabell(3). Beräkningar samt antaganden ses i bilaga(6) Kostnadsuppskattning av hölje Förklaring av hölje A till D: Hölje A och B tillverkas genom att tre stycken utklippta plåtar svetsas samman med två svetsar. Materialet är skillnaden mellan A och B. Hölje C och D tillverkas genom att först klippa ut rätt storlek på plåten, som därefter bockas två gånger till rätt form. Materialet är skillnaden mellan C och D. Kostnad för tillverkningen av hölje: Pris för material med dagens växelkurs Pris för arbetskraft med dagens växelkurs Totalkostnad Hölje A, aluminium 1665 kr 65 kr 1730 kr Hölje B stål 832 kr 65 kr 997 kr Hölje C, aluminium 1656 kr 7 kr 1663 kr Hölje D, stål 821 kr 7 kr 828 kr Tabell 2 Resultat av kostnadsuppskattning för hölje Kostnadsuppskattning av ramverk Förklaring Ram A till D: Ram A och B består av 16 extruderade stänger som klipps till rätt längd och som därefter svetsas samman i 14 stycken svetsningar. Utklippt fram- och baksida svetsas därefter på denna. Skillnaden mellan dessa är materialet. Ram C och D gjuts till sin färdiga form, enligt tillvägagångssätt beskrivet tidigare. 17

18 Kostnad för materialtillverkningen för ram: Pris för material med dagens växelkurs Pris för montering med dagens växelkurs Totalkostnad Ram A, aluminium 1637 kr 218 kr 1855 kr Ram B, stål 822 kr 218 kr 1040 kr Ram C, aluminium 2176 kr 0 kr 2176 kr Ram D, stål 1085 kr 0 kr 1085 kr Tabell 3 Resultat av kostnadsuppskattning för ramverk Diskussion och analys av kostnads- och tillverkningsresultat Det går att använda både stål och aluminium som material i alla tillverkningsmetoderna. Som ses i kostnadsuppskattningen ovan är det nästan dubbelt så dyrt att använda aluminium, men detta material har många fördelar. Fördelarna är att det är mycket lättare och det korroderar mindre. På grund av dessa fördelar väljs i nuläget aluminium, främst för att få ner vikten på skyddet. Detta är ett av kraven som ska uppfyllas utifrån kravspecifikationen. Resultatet visar att bockningen för höljet medför en lägre kostnad, därför väljs topphölje C. Enligt plåtbearbetningsexperten Gustav [6] skulle denna metod vara den billigaste, vilket stämmer bra. Med samma anledning som för höljet väljs ram A, då denna är billigare. Den totala kostnaden för de två komponenterna inkluderat monteringskostnad av dessa ger ett tillverkningspris på 1855 kr kr + 2 kr = 3520 kr. De två kronorna står för monteringskostnaden. Ett krav som ställdes tidigt var att ett skydd inte skulle kosta mer än 3000 kronor. Topphöljet samt det integrerade ramverket har redan överskridit denna summa. Ytterligare kostnader kommer att tillkomma från bottenplatta, lucka, lager och elmotor. Bottenplattan utgör inga större kostnader. Däremot tros luckan och elmotorn påverka kostnaden mer. Dock är det ändå viktigt att ha i åtanke att kostnadsuppskattning med Swift bara ger en fingervisning av tillverkningskostnaden. Därför anses det inte omöjligt att i slutändan hamna på ett tillverkningspris kring 3000 kronor. Vad gäller ramverket bör tillverkningsmetoder för detta ses över. Problem kan uppstå kostnadsmässigt om en aluminiumram behålls eftersom svetsning i materialet är komplicerat och kostnadskrävande. Samtidigt behöver en lösning för att kunna integrera en eventuell stålram med ändsidorna utvecklas om material byts. Om produktionsvolymen skulle komma att öka, till minst det dubbla, och en större plåttjocklek skulle kunna tänkas användas kan gjutning vara ett bättre alternativ [5]. 18

19 4.4. Prototyp I slutskedet tillverkades en prototyp för att realisera slutlösningen, se figur(11). Stänger i stål svetsades samman till ramverket och två tunna plattor av stål svetsades därefter fast på kortsidorna. På plattan, som motsvarar framsidan, gjordes ett hål för receivern innan det skulle svetsas och på bakstycket ett hål för fläkten. Höljet gjordes i bockat aluminium precis som handtagen som nitades fast på höljet. Keramplattan gjordes i trä och vitmålades. Elmotorn gjordes symboliskt som en rektangulär träbit med en axel i stål. En skruv utgjorde stoppet för luckan. Vid tätningen mellan topphölje och integrerat ramverk användes en tätningslist. Framför fläkthålet fästes en ventilkåpa. Prototypen tillverkades till största del i stål då aluminium är svårare att svetsa i. Eftersom prototypen är relativt liten utgör tyngdskillnaden mellan lättare aluminium och tyngre stål ingen avgörande faktor. Det gör att stål blev ett lämpligt material även ur den synpunkten. Dessutom är det ett billigare material. Den enda delen som gjordes i aluminium var höljet med tillhörande handtag. Den del som motsvarar keramen gjordes med fördel i trä då kerammaterialet är mycket dyrt och inte lika lätt att forma som trä. Figur 11 Prototyp Då prototypen inte kan jämföras med den verkliga produkten helt och hållet mättes inte tiden för demontering. Storleksskillnad, det faktum att skåror saknas och otillräcklig tid i prototyplabb ledde till att testet blev oanvändbart. Det test som var användbart är det angående tätheten. Vatten hälldes över kritiska punkter. Sand användes inte på grund av det faktum att om vatten inte läcker in kommer inte heller sand att göra det. Resultatet av testet visar att en liten mängd vatten trängde in i skyddet. Detta beror troligen på att prototypens passningsform inte helt stämmer överens med detaljritningarna. Om mer tid hade lagts på prototyptillverkningen hade ett bättre resultat erhållits. 19

20 4.5. Uppfyllande av funktionskrav I denna del diskuteras huruvida funktionskraven som listades i den funktionsbaserade kravspecifikationen uppnås. En av skyddets huvudfunktioner är att skydda Stirlingmotor och komponenter från väta, Asian dust, sand, vind och mot det koncentrerade solljuset. Genom att försäkra täthet genom gummilister, borst, passning och filter ska väta, Asian dust samt sand hållas ute. Skyddet ska hålla för de kraftiga vindar som det utsätts för. Detta stärks med FEM-beräkningar då dessa visar på en godtagbar deformation. Luckan skyddar motor, komponenter och framsida av hölje mot det koncentrerade solljuset vid avvikande ljuscentrering. Beräkningar visar att luckan enligt teorin kommer att ge ett tillräckligt skydd. Dock är det osäkert om kunskapen kring solkraftverkets sätt att verka är tillräcklig och en vidareutveckling bör därför göras av Cleanergy. Ytterligare en huvudfunktion skyddet har är att släppa in solljus till receivern, vilket hålet på framsidan gör. Detta stämmer efter antagandet att måtten från Cleanergys nuvarande lösning är de rätta. Skyddet har som tilläggsfunktion att isolera ljud och dämpa vibrationer. För att göra detta har gummilister använts. I vilken utsträckning detta uppfylls bör vidare testas av Cleanergy med bättre lämpade test än vad som kan utföras på en nerskalad prototyp. Då skyddet fortfarande är i barndomsstadiet läggs ingen tyngd på tilläggsfunktionerna. Att skyddet släpper in servicepersonal är något som mycket fokus har lagts på. Målet är färre låsnings- och monteringsmoment än vad referensen har. Detta uppfylls då framsida och baksida är integrerade med ramverket och topphöljet, som tidigare bestod av tre delar, är en enda del. Topphöljet förs på via skåror, vilket bidrar till att färre skruvar används för att hålla topphöljet på plats. Handtagen gör det lättare att lyfta av höljet. Detta tillsammans med färre låsningsmoment underlättar montering och demontering. Ingen stor vikt vid placering och utformningen av handtagen görs, det rekommenderas därför att förbättras med avseende på ergonomi och hanteringsutrustning. Helst köps dessa in standardiserade då det är mer ekonomiskt. Användandet av likadana standardiserade skruvar i alla skruvförband leder till att få verktyg behövs, och det går snabbare och lättare att montera. Skyddet har låg vikt då det görs av aluminium, vilket även underlättar montering och demontering. Skyddet ska också släppa ut elektricitet och det antas att endast ett tätat hål för sladd behövs. Hålet visas inte i ritningar och skisser då detta är en avgränsning. En oönskad funktion är att solstrålar, vind, sandpartiklar, Asian dust och väta sliter på skydd. Material väljs efter detta. Det som måste studeras mer är det faktum att aluminiumplåten kan blästras av sandstormar och kraftiga vindar. Materialets skyddande oxidskikt kan därför komma att försvinna vilket leder till korrosionsangrepp. Detta blir ett problem då skyddet ska hålla i 25 år utan underhåll. För att lösa det kan till exempel någon form av ytskikt vara tänkbart. Miljöpåverkan är en ständigt aktuell fråga och en viktig inverkan vid presentation av konkurrensmässiga produkter. Att skyddet är uppbyggt av endast två olika material förenklar återvinningen. Den hälsoskadliga keramplattans yta är minskad för minimerad miljöskada. 20

21 5. Slutsatser och rekommendationer Ett koncept till Cleanergys problem har tagits fram. Det skall förtydligas att det är ett koncept som tagits fram och flera aspekter bör ytterligare utvecklas innan skyddet går till produktion. Vissa av dessa saker ligger under avgränsningarna och andra har helt enkelt inte legat inom projektets tidsram. De viktigaste kraven som ställts av Cleanergy, bland annat att det ska skydda mot sand, Asian dust, väta, solljus och vind, har lösts men det behövs ytterligare tester, beräkningar och simuleringar för att säkerställa detta. Hållfasthetsberäkningar, till exempel mot utmattning, behöver göras för att se till att skyddet kommer att hålla hela sin livslängd på 25 år. Plåttjocklek och eventuellt ytskikt bör studeras och utformningen av den motorram som diskuterats ovan bör också bestämmas. För att ytterligare försäkra sig om säkerheten i stängningen av receiverhålet skulle luckan kunna snedställas någon grad för att tryckas mot öppningen vid stängning. Även det material som skall hjälpa till att täta mellan metallytorna bör försökas tas fram med hänsyn till de temperaturer som luckan kan tänkas uppnås. En slutsats som kan dras är att skyddet har förbättrats vilket var syftet med detta projekt. Dock är konceptet inte färdigutvecklat. Målformuleringen anses delvis ha uppfyllts. Kostnaden har sänkts men troligen inte med kronor vilket var målet. Uppskattningsvis ligger tillverkningspriset mellan till kronor. Kundvärdet har alltså ökat, även på grund av de andra förbättringar som gjorts. Cleanergy har fått en hjälp på vägen för att utveckla deras skydd. 21

22 Källförteckning Litteratur [1] Lindstedt P,Burenius, J. The Value Model - How to Master Product Development and Create Unrivalled Customer Value. Nimba AB; [2] Swift K G, Booker J D. Process Selection From design to manufacture. 2 uppl. Elsevier Ltd; Internet [3] CleanergyAB. [Använd ] ; 2011.Tillgängligt på Muntlig källa [4] Eskilson Per, Cleanergy AB [5] Hamberg Kenneth, institutionen för material- och tillverkningsteknik. [6]Holmqvist Gustav, institutionen för material- och tillverkningsteknik. 22

23 Bilaga 1 Kundkedja Kundkedjan visar produktens berörda parter 23

24 Bilaga 2 Kanomodellen 24

25 25

26 Schematisk bild över Kanomodellens funktion. 26

27 Bilaga 3 Alternativa koncept Koncept 1 Figurer Hölje med pjäxknäppning: Ramen med skåror och fästen för pjäxknäppning: Aktivt läge: Inaktivt läge: Beskrivning Den aerodynamiska formen gör att vatten och annat lättare rinner av och att ljud isoleras. Gummibussningar längs bottenplattan används för att motverka vibrationer samt ge ett visst spel då pjäxknäpperna sluts. För att skydda hålet i viloläge har keramplattan gjorts sådant att denna är justerbar och kan komma i en position där den täcker hålet. Platan sitter på en roterande axel som drivs av en elmotor som sitter innanför skyddet. Keramen är den befintliga keramen ALTRA KVS (Al 2 O 3 ). Pelare i en förstärkt bottenplatta används för att underlätta monteringen då det skyddande höljet lätt förs på och håller sin position. Denna ger även stöd för höljet så att det blir mer stabilt och andra komponenter kan möjligen fästas här. Antal pelare och dess positionering kan varieras beroende på var fästen för komponenterna behövs. För att försäkra att höljet sitter på plats används såkallade pjäxknäppen, se figur ovan. Detta för att påsättningen av skyddet blir smidigare då inga skruvar behövs eller att passningen i åtdragningen blir ojämn. Kortsidorna sätts på genom skåror som finns i pelarna (svarta streck på stolparna i figuren). Första komponenten som sätts på är baksidan i vilken fläkten och dess filter monteras. Därefter sätts topphöljet på och spänns på som tidigare nämnts. Framsidan monteras sist och är böjd över höljet (cirka 1 cm) för förbättrad passform. En tätning vid skarven förhindrar vatten- och sandintrång. Höljet är en aluminiumlegering, då denna är lätt att bearbeta och forma och även är lätt till vikten och klarar av de förhållanden som råder. För att 27

28 minska risken för korrosion av pjäxknäppen är även dessa av aluminium. Pelarna och eventuellt bottenplattan är av stål för högre stabilitet och för att minska materialkostnad. Koncept 2 Beskrivning Lösningen är framtagen för att ha så enkel konstruktion som möjligt. Den har en enkel fyrkantig form som är enkel att tillverka genom exempelvis extrudering. Skydd (alla lösa sidor) och ramverk sätts ihop med skruvar, dock inte med för många eftersom komponentantalet ska hållas lågt. Ramverket är här en bottenplatta med infästningar. Den har gummibussningar mellan metalldelar för att motverka vibrationer. Den är även tätad i infästningarna för att hindra vatten från att tränga in. Keramplattan antar en lättproducerad fyrkantig form med hål för solstrålarna. Storleken på keramen är beräknad till att vara så liten som möjligt. Valt keramämne är det ursprungliga Al 2 O 3. Material för övriga delar av lösningen har valts till aluminiumlegering för skyddets yttre del och stål till bottenplattan då det har ett lägre pris. För att skydda hålet framtill mot bland annat Asian dust används ett lock som sitter på en hävarm framtill på yttersidan. Denna fungerar ungefär som en vindrutetorkare som står lodrätt då stirlingmotorn är i viloläge och fälls ner åt höger då den är i aktivt läge. Hävarmen styrs av en elmotor som använder de signaler som medför att stirlingmotorn går in och ut ur viloläge. Motorns placering är på insidan av skyddet nära bottenplattan. 28

29 Bilaga 4 Matlab-beräkning %% Lucka %Area beräknad i CAD. %Densitet hämtad från hemsida och tjocklek 30mm uppskattad. rau=400; radie=0.075; Dl=0.03; al= ; ah=pi*(radie^2); Vl=(al-ah)*Dl; Ml=Vl*rau; Mh=ah*rau; % [kg/m^2] %[m] %[m] tjocklek %[m^2] area lucka %[m^2] area hål %[m^3] Volym lucka %[kg] massa lucka %[kg] massa hål %Tröghetsmoment och masscentrum % Plattan delas upp i fem geometriska figurer, två rektanglar, och % 3st anpassade trianglar. Numrering av dessa finns på separat bildfil % och kan erhållas vid behov. % Area at1= ; at2= ; at3= ; ar4= ; ar5= ; %Volym Vt1=at1*Dl; Vt2=at2*Dl; Vt3=at3*Dl; Vr4=ar4*Dl; Vr5=ar5*Dl; %Massa Mt1=Vt1*rau; Mt2=Vt2*rau; Mt3=Vt3*rau; Mr4=Vr4*rau; Mr5=Vr5*rau; %[m^2] %[m^2] %[m^2] %[m^2] %[m^2] %[m^3] %[m^3] %[m^3] %[m^3] %[m^3] %[kg] %[kg] %[kg] %[kg] %[kg] % Masscentrum för varje figur relativt sig själv och avstånd relativt axeln. % Relativt sig själv med normala koordinataxlar. x1= /3; x2= /3; x3= /3; x4= /2; x5= /2; y1=( )/3; y2= /3; y3=y2; y4= /2; y5= /2; % Relativt axeln 29

30 x1_= e-3; x2_= e-3; x3_=71.478e-3; x4_= e-3; x5_=-108.4e-3; xh_=-245e-3; y1_=334e-3; y2_=110.39e-3; y3_=y2_; y4_= e-3; y5_=73.18e-3; yh_=335e-3; % Beräkning av totala masscentrum relativt axeln. Detta gjordes i CAD. x_= e-3; y_=398e-3; %% Dimensionera axel % Friläggning ger följande krafter om egentyngden försummas mg=ml*9.81; Ra=mg*1.3; Rb=mg-Ra; % Dimensionering mot brott m.h.a von Mieses, men först momenten a=0.03; b=0.13; l=0.14; z1=linspace(0,a); M1=-mg.*z1; z2=linspace(a,b); M2=-mg.*z2+Ra.*z2; z3=linspace(b,l); M3=-mg.*z3+Ra.*z3+Rb.*z3; M=[M1 M2 M3]; l_plott=linspace(0,l,300); axis equal figure(1) plot(l_plott,m) % Vridmomentet är beroende av vinkeln men vi bör ändå dimensionera för det % största möjliga momentet vilket är masscentrum för luckan ggr tyngden Ml Mvrid=Ml*y_; % Effektivspänning enligt von Mieses, här har ett billigt stål använts % vilket påverkar sigma. sigmas=200e6; Db=(((32./(pi*sigmas)).*sqrt((M.^2)+((3/4)*Mvrid^2))).^(1/3)); max(db) % Hitta vilket moment som motorn belastas med när den körs. alfa=36; %grader delta_t=5; %s rpm=1.2; %varv per minut rps=rpm/60; % varv per sekund 30

31 omega=rps*2*pi; %radianer pers sekund % Vi har ju inga mått på accelerationen så vi väljer att bortse från den då % värdet normalt är ca 2ggr större än normalt kan vi ansätta säkerhet mot % det. %När motorn skall vrida kommer ett varierande moment behövas om jämn %hastighet skall hållas, oavsett så kommer det största momentet som motorn %skall dra runt vara Mvrid. Vilket vi även dimensionerar efter. Vi %försummar friktion i lager och gummiringar. Även en eventuell växellåda %försummas. %Max varvtal skall vara 0.7*arbetsvarvtal och arbetseffekt ggr %maxeffekt. maxvarvtal=rpm/0.7; Max_effekt=Mvrid*omega*2; %Östergrens producerar väldigt många motorer, det som verkar passa oss %ligger på 60*100 lite olika vad som är längd och vad som är bredd. % Även andra tillverkare av elmotorer kan erbjuda dessa mått. 31

32 Bilaga 5 Aerodynamiska beräkningar För att kunna göra FEM beräkningar på CAD modellen av skyddet behövdes en kraft att ansätta. Kraften beräknades genom att anta att de vindar skyddet behövde klara av uppgick till 35m/s, vilket går under benämningen orkan och är mycket kraftiga vindar. Antagandet gjordes då information om vindhastighet inte fanns. Kraften och därefter trycket beräknades enligt följande formel för aerodynamiskt drag med luft = drag kraften = drag koefficienten =densiteten =hastigheten =arean Där 2,1 för rektangulär box och densiteten ändras beroende på temperatur och blir högre med lägre temperatur för luft. I detta fall användes densiteten för 35 C. 35 1,1455 / 2 2,1 1, Sträckgränsen för aluminium, ligger mellan 7-11 MPa medan en aluminiumlegering har en sträckgräns, som ligger betydligt högre, mellan MPa. För att vara på den säkra sidan utgår vi från den rena formen av aluminium och klarar fortfarande sträckgränsen då FEM analysen från CAD modellen visar på ett högsta värde på 5 MPa, vilket ses i bilden till höger. Konstruktionen håller alltså för de tryckkrafter som genom vindar kan påverka skyddet. 32

33 Bilaga 6 Kostnadsuppskattning Tabeller över materialkostnadsuppskattning av hölje: Tabell över hanteringskostnadsuppskattning av hölje: 33

34 Tabeller övermaterialkostnadsuppskattning av ramverk: Tabell över hanteringskostnadsuppskattning av ramverk 34

35 Kostnadsuppskattning av montering av ramverk och hölje: summa Po summa Pg H=Ah+summa Po+summa Pg F=Af+summa Pf+summa Pa Summa Pa F H+F Cma Assembly beskrivning Ah Po1 Po2 H Af Pf1 Pf2 Pf3 Pf4 Pf5 Pf6 Sub-assembly ramverk och topphölje ramverk 3 0 0,1 0,1 0 3, ,1 0,2296 summa Pf topphölje 3 0 0,1 0,1 0,8 3, ,1 0 0,3 0,1 0, ,5 37,4 2,0944 Summa: 2,324 Cma=C1[H+F] 35

36 Bilaga 7 Ritningar 36

37 37

38 38

39 39