EXAMENSARBETE. Hydrauliskt redskapsfäste till Brokk 160. Hannes Wikberg Högskoleingenjörsexamen Maskinteknik

Transkript

1 EXAMENSARBETE Hydrauliskt redskapsfäste till Brokk 160 Hannes Wikberg 2014 Högskoleingenjörsexamen Maskinteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik

2 Hydrauliskt redskapsfäste till Brokk 160 Hannes Wikberg 2014 Högskoleingenjörsexamen Maskinteknik

3 II

4 Förord Detta examensarbete har utförts på uppdrag av Brokk AB i Skellefteå och är det avslutande momentet i min högskoleingenjörsutbildning inom maskinteknik vid Luleå Tekniska Universitets campus i Skellefteå. Arbetet inleddes tillsammans med Nickie Stangrud innan vi i kapitel 4.2. Konceptutveckling fas 2 valde att arbeta vidare med olika lösningar. Nickie arbetade med en vidareutveckling av det befintliga redskapsfästet med rotationsrörelse och jag med ett nytt koncept med linjär rörelse. Jag vill tacka mina handledare på Brokk, Jan Hedlund och Lars Nyman, för deras beundransvärda engagemang och stöd i mitt arbete. Jag vill även tacka alla som på något sätt varit delaktiga i projektet under dess gång, alltifrån montörer och konstruktörer till inköpare och säljare. Sist men inte minst så vill jag tacka samtliga på Brokk som bidragit till att tiden här har varit fantastiskt rolig och någonting jag länge kommer att minnas! Skellefteå, juni 2014 Hannes Wikberg I

5 Sammanfattning Brokk AB är en tillverkare av fjärrstyrda rivningsmaskiner. På deras maskiner idag sitter det ett mekaniskt redskapsfäste som med hjälp av två kilar, en fast och en som slås in förhand med en kraftig hammare, spänns ut i en adapterplatta kopplad till ett redskap. För att öka effektiviteten och underlätta vid byte av redskap, och då redskapsfästet har uppvisat bristande funktionssäkerhet vid frekventa byten av redskap så vill Brokk hitta en bättre lösning. Syftet med arbetet är att ersätta det nuvarande redskapsfästet med ett automatiskt, styrt med antingen hydraulik eller el, och målet är att det nya redskapsfästet ska vara fullt utbytbart mot dagens lösning. Resultatet blev ett redskapsfäste som med hjälp av två cylindrar och ett glidspår får en linjär rörelse till skillnad från dagens rotationsrörelse, se Figur 11. Det nya redskapsfästet är också fullt utbytbart mot det nuvarande redskapsfästet. Figur 11. En överblick på den slutgiltiga konstruktionen av redskapsfästet. För att uppfylla säkerhetskraven för anläggningsmaskiner som återfinns i standard SS-EN 474-1: A4:2013 så krävs det att man byter ut den manuella säkerhetssprinten mot en automatisk sekundärlåsning, t.ex. en pilotstyrd backventil. Övrigt fortsatt arbete som behöver genomföras innan produktion är att välja tätningar och styrband till kolvar och toppmuttrar. Skulle Brokk göra verklighet av redskapsfästet så kommer det säkerligen ske en optimering av det innan det börjar produceras. II

6 Abstract Brokk AB is a manufacturer of remote controlled demolition machines. Today they have a mechanical quick hitch on their machines that is strapped into an adapter plate using two wedges, one of which is fixed and the other is wrapped with a heavy hammer. To increase efficiency and facilitate tool changes, and because the quick hitch has shown lack of functional safety when changing tool frequently, Brokk now wants to find a better solution. The purpose of this work is to replace the current quick hitch with an automatic, driven by either hydraulic or electric, and the aim is that the new quick hitch will be fully interchangeable with the current solution. The result was a quick hitch with a linear movement, unlike the present rotational motion, using two cylinders and a slide track, see Figure 11. The new quick hitch is also fully interchangeable with existing quick hitch. Figur 11. En överblick på den slutgiltiga konstruktionen av redskapsfästet. To meet the safety requirements for construction machines that can be found in standard SS- EN 474-1: A4:2013 it s necessary to replace the manual safety pin with an automatic secondary lock, for example a pilot operated check valve. Other future work that needs to be carried out before production is to select seals and guide bands for pistons and top nuts. If Brokk would make reality of the quick hitch it will certainly be an optimization of it before it goes into production. III

7 IV

8 Innehållsförteckning 1. Inledning Brokk AB Bakgrund och problembeskrivning Syfte och mål Avgränsningar Teori Metod Kravspecifikation Konceptutveckling Konceptutveckling fas Konceptutveckling fas Riskanalys och konceptval Konstruktion av ny lösning Tillverkningskostnadskalkyl För- och nackdelar för lösningarna Resultat Konceptutveckling fas Konceptutveckling fas Riskanalys och konceptval Konstruktion av ny lösning Tillverkningskostnadskalkyl För- och nackdelar för lösningar Diskussion Referenser BILAGOR Bilaga A Lösningsförslag från konceptutvecklingsfas 1 Bilaga B Lösningsförslag från konceptutvecklingsfas 2 Bilaga C Konstruktionsritningar V

9 VI

10 1. Inledning 1.1. Brokk AB Brokk AB är ett industriföretag med hemvist i Skellefteå och har i över 35 år varit den ledande tillverkaren av fjärrstyrda rivningsmaskiner. Maskinerna nyttjas mestadels i svår och farlig miljö inom olika industrier såsom kärnkraftsindustrin och processindustrin. Allting började 1976 då de 2 företagen PE Holmgren och Rivteknik fick tanken att skapa en egen rivningsmaskin efter att ha varit inblandade i olika rivningsprojekt under en period. Efter en lyckad förstamaskin, som efter vidareutveckling blev Brokk 250, så växte verksamheten vilket 1982 ledde till att ägarna tog beslutet att etablera ett eget företag för utveckling och produktion av maskinerna. Till en början fick företaget heta Holmhed Systems AB men namnet ändrades så småningom till Brokk AB. Idag är Brokk ett helägt dotterföretag till Lifco Group. [1] 1.2. Bakgrund och problembeskrivning På Brokks maskiner sitter idag ett mekaniskt redskapsfäste, se Figur 1, som används för att koppla fast redskapet på maskinen. Detta spänns ut i krokarna på adapterplattan, alltså fästplattan på redskapet, med hjälp av två stycken kilar var av den ena är fast och den andra slås in med en kraftig hammare. Se Figur 2. För att öka effektiviteten och underlätta vid byten av redskap, samt minimera risken för personskador när kilen ska slås in, så vill Brokk hitta en alternativ lösning till det mekaniska redskapsfästet för Brokk 100 och Brokk 160. Lösningen ska uppfylla kravspecifikationen samt de utrymmeskrav som ställs för de olika standardredskapen. Det ska även göras en riskanalys och en tillverkningskostnadskalkyl, samt att för- och nackdelar för dagens mekaniska lösning och den alternativa lösningen ska tas fram. Figur 1. Det nuvarande mekaniska redskapsfästet. 1

11 Figur 2. Redskapsfästet utspänt i adapterplattan Syfte och mål Syftet med arbetet är att byta ut det mekaniska redskapsfästet som idag används mot ett som styrs av antingen hydraulik eller el, och på så sätt komma ifrån lösningen med kilen som slås in. Målet är att konstruera ett redskapsfäste som är fullt utbytbart mot dagens Avgränsningar Hållfasthetsberäkningar ingår inte i arbetet. 2

12 2. Teori Arbetet kommer att riktas mot Brokk 160 då det är den av maskinerna med minst utrymme för redskapsfästet. Maskinen som väger 1600 kg är trots sin ringa storlek mycket kraftfull och dess smarta uppbyggnad ger den en oerhörd räckvidd vilket kan ses i Figur 3 [2]. Figur 3. Brokk 160 och dess fina räckvidd. Redskapsfästet som ska konstrueras om kopplas fast längst ut på armen och i en länk till brytbågen innan det spänns ut i adapterplattan som sedan tidigare är fastsatt på verktyget, se Figur 4. Formen på brytbågen tillsammans med cylindrarna ger sedan det flexibla rörelsemönstret. 3

13 Figur 4. Armens uppbyggnad på Brokk

14 3. Metod 3.1. Kravspecifikation Ska-krav: - Mått mellan axlar ska vara mm. - Redskapsfästet ska ha en säker låsning. - Redskapsfästet ska styras med hydraulik eller el. - Axlarna ska ha en diameter på mm Bör-krav - Bör vara fullt utbytbart mot dagens lösning. - Känsliga komponenter bör vara skyddat utformade. - Det bör vara en robust konstruktion. - Så få komponenter som möjligt. - Bör ha en klämkraft av cirka 30 kn Konceptutveckling Konceptutveckling fas 1 Examensarbetet inleddes med en konceptutvecklingsprocess som delades in i två faser. Konceptutvecklingens första del inleddes med en intensiv idégenerering där alla tankar och idéer, mer eller mindre genomförbara, kritades ner på papper utan djupare utvärderingar. Sedan anordnades ett möte med handledarna på företaget där samtliga konceptidéer diskuterades igenom Konceptutveckling fas 2 Under den andra delen av konceptutvecklingen gjordes en djupare analys av de utvalda grundkoncepten och dessa utvecklades till ett flertal olika lösningsförslag. Samtliga lösningsförslag konstruerades i CAD till 3D-modeller för att lätt kunna jämföra de olika lösningarna mot varandra vid montering i armen Riskanalys och konceptval En riskanalys genomfördes, i samrådan med en montör på Brokk, på de konceptidéer som återstod efter den andra konceptutvecklingsfasen. Efter riskanalysen genomfördes ett möte med handledarna där det slutgiltiga konceptvalet gjordes Konstruktion av ny lösning Ett möte hölls med en anställd på Wipro för att få veta ungefär hur stora inbyggnadsmått som skulle krävas för cylindrarna. Sedan färdigställdes samtliga detaljer i CAD innan det gjordes konstruktionsritningar för alla dessa. Det gjordes även en sammanställningsritning för hela redskapsfästet. 5

15 3.5. Tillverkningskostnadskalkyl För att få en budgetoffert på hur mycket redskapsfästet skulle kunna kosta att tillverka så togs kontakt med inköpsavdelningen som i sin tur tog kontakt med olika leverantörer för att se vilka som skulle klara av att tillverka redskapsfästet och till vilken kostnad För- och nackdelar för lösningarna När för- och nackdelar skulle jämföras mellan det nuvarande redskapsfästet och den nya konstruktionen så anordnades möten med en konstruktör, handledarna och en säljare som fick dela med sig av deras åsikter kring det nuvarande och det nya redskapsfästet. 6

16 4. Resultat 4.1. Konceptutveckling fas 1 Efter möte med handledarna så valdes tre grundidéer ut för vidare arbete i den första konceptutvecklingsfasen. Den första idén, som kan ses i Figur 5, bestod av en dubbelverkandecylinder med dubbla kolvar och kolvstänger som skulle skjutas ut åt var sitt håll och låsa redskapsfästet i sitt maxläge med hjälp av kilformade kolvstångsändar. Figur 5. Cylinder med dubbla kolvar och kolvstänger som låser redskapsfästet i sitt maxläge. Den andra idén, som kan ses i Figur 6, är en variant av den första idén där skillnaden är att man har en vanlig dubbelverkande cylinder som bara jobbar i en riktning istället för två, med andra ord så låser den bara ena sidan. Detta alternativ skulle bli aktuellt ifall det inte skulle finnas nog med utrymme för att lyckas genomföra idén i Figur 5. Figur 6. Cylinder som enbart låser redskapsfästets ena sida. Den tredje idén som valdes ut för fortsatt arbete var att två dubbelverkande cylindrar skulle kopplas mellan axlarna och på så sätt få en linjär rörelse på redskapsfästet. En variant på denna idé kan ses i Figur 7. 7

17 Figur 7. Cylinder kopplad mellan axlarna för att få en linjär rörelse på redskapsfästet. Några av de övriga grundidéerna som sorterades bort kan ses i Bilaga A Konceptutveckling fas 2 Efter att ha sållat bort lösningsförslag som inte gick att genomföra eller helt enkelt ha ansetts för dåliga så återstod två alternativ i slutet på den andra utvecklingsfasen som ansågs fullt utbytbara mot det nuvarande redskapsfästet. Den första lösningen, som återfinns i Figur 8, har en linjär rörelse med hjälp av 2 cylindrar, en på varje sida, och ett glidspår så att väggarna kan glida mot varandra. Figur 8. Redskapsfästet får en linjär rörelse med hjälp av cylindrar och glidspår. 8

18 Då det bildas ett moment runt axlarna när redskapsfästet spänns ut i adapterplattan, vilket innebär en risk för knäckning av cylindern, så gjordes en andra lösning med 4 cylindrar istället för två för att slippa momentet, se Figur 9. För att rymma cylindrarna på ovansidan så krävdes det att man gick ner i cylinderstorlek och detta innebar en liten risk då konstruktionen inte blir lika robust. Figur 9. Redskapsfästet får en linjär rörelse med hjälp av cylindrar och glidspår. Ett urval av övriga lösningsförslag som ratades finns att se i Bilaga B. 9

19 4.3. Riskanalys och konceptval Riskanalyserna som gjordes för de två olika konceptidéerna kan ses i Tabell 1 och 2. Bedömningarna av sannolikheten och konsekvensen gjordes i skala 1-5 där 1 är minst och 5 är störst. Riskvärdet får man sedan ut genom att multiplicera värdena för sannolikheten och konsekvensen. Tabell 1. Riskanalys för redskapsfästet med två cylindrar. Risk Cylindrarna klarar inte av att hålla trycket och redskapet lossnar från fästet. Kolvstången knäcks. Skada på redskapsfäste eller brytbåge. Klämrisk Skadehändelse/ plats Hydraulslang går sönder. Cylindern klarar inte av momentet som bildas vid maxläge. Redskapsfäste körs ihop då armen befinner sig i minläge. Redskapsfästet körs ihop när man ska dit med sprinten. Sannolikhet Konsekvens Riskvärde Åtgärd Sprint som håller redskapsfästet på plats Konstruera om för att minska momentet Info om att redskapsfästet inte bör köras ihop då armen befinner sig i minläge Dubbelkommando för att köra ihop fästet. Tabell 2. Riskanalys för redskapsfästet med 4 cylindrar. Risk Cylindrarna klarar inte av att hålla trycket och redskapet lossnar från fästet. Skada på cylinder eller brytbåge. Klämrisk Skadehändelse/ plats Hydraulslang går sönder. Redskapsfäste körs ihop då armen befinner sig i minläge. Redskapsfästet körs ihop när man ska dit med sprinten. Sannolikhet Konsekvens Riskvärde Åtgärd Sprint som håller redskapsfästet på plats Info om att redskapsfästet inte bör köras ihop då armen befinner sig i minläge Dubbelkommando för att köra ihop fästet. 10

20 Det var länge väldigt jämt mellan de två alternativen men det slutgiltiga konceptvalet föll till slut på redskapsfästet med två cylindrar, se Figur 10, då detta kändes aningen mer robust vilket är en viktig egenskap. Det krävs också bara hälften så många hydraulslangar som i lösningen med 4 cylindrar. Figur 10. Slutgiltiga konceptvalet föll på det här redskapsfästet. 11

21 4.4. Konstruktion av ny lösning En överblick av den slutgiltiga konstruktionen, samt sidovyer då redskapsfästet befinner sig i min- och maxläge, finns att skåda i Figur 11, 12 och 13. Redskapsfästet låses hydrauliskt med hjälp av cylindrarna som pressar ut redskapsfästet i sitt maxläge. Det finns även en manuell sekundärlåsning i form av säkerhetssprintarna. Figur 11. En överblick på den slutgiltiga konstruktionen av redskapsfästet. Figur 12. Redskapsfästet från sidan i sitt maxläge. 12

22 Figur 13. Redskapsfästet från sidan i sitt minläge. Cylindrar med en innerdiameter på 25 mm krävs för att nå klämkraften på 3000 kg. Detta innebär att cylindrarna får en ytterdiameter på 35 mm då man vill ha en godstjocklek på minst 5 mm. Då väggarna endast är 30 mm breda och det inte finns något utrymme att bygga på utsidan där adapterplattan kommer i vägen så måste en förskjutning av cylindrarna ske in mot mitten på redskapsfästet vilket kan ses i Figur 14. Figur 14. Cylindrarna placeras förskjutna mot mitten då det saknas utrymme för att placera dem helt centralt. Redskapsfästet fungerade även fint insatt i armen vilket kan ses i Figur 15 och

23 Figur 15. Redskapsfästet insatt i armen i sitt maxläge. Figur 16. Redskapsfästet insatt i armen i sitt minläge. Alla konstruktionsritningar finns att hitta i Bilaga C. 14

24 4.5. Tillverkningskostnadskalkyl Ingen leverantör har i skrivande stund hunnit lämna någon budgetoffert För- och nackdelar för lösningar Nuvarande redskapsfäste Fördelar: Kostnadsmässigt en billig konstruktion. Nackdelar: Kilen måste slås in för hand vilket är ineffektivt och ger ökad risk för personskador. Har en tendens att falla igenom vid upprepade redskapsbyten. Blir glapp p.g.a. nötning om kilen inte justeras efterhand. Hydrauliskt redskapsfäste Fördelar: Ökad effektivitet vid redskapsbyte, samt minskad risk för personskador då redskapsfästet låses hydrauliskt istället för med en mekanisk kil. Undviker glapp då man hela tiden ligger med tryck. Lättare att koppla redskapet av och på. Nackdelar: Dyrare än det nuvarande redskapsfästet. Går inte köra ihop då armen befinner sig i minläge. Inte lika slagtålig som det nuvarande. 15

25 Ska-krav: Mått mellan axlar ska vara mm. Redskapsfästet ska ha en säker låsning. Redskapsfästet ska styras med hydraulik eller el. Axlarna ska ha en diameter på mm. Bör-krav Bör vara fullt utbytbart mot dagens lösning. Känsliga komponenter bör vara skyddat utformade. Det bör vara en robust konstruktion. Så få komponenter som möjligt. Bör ha en klämkraft av cirka 30 kn. 5. Diskussion Syftet med examensarbetet var att hitta en alternativ lösning till det mekaniska redskapsfäste som används till Brokk 100 och Brokk 160 idag. För att nå målet att konstruera ett redskapsfäste som skulle vara fullt utbytbart mot dagens redskapsfäste så sattes en kravspecifikation med olika ska- och bör-krav upp. Då samtliga ska-krav och de flesta av börkraven uppfylldes så anses det nya redskapsfästet vara fullt utbytbart mot det nuvarande. De bör-krav som kanske inte uppfylldes helt var framförallt att ha så få komponenter som möjligt men delvis också att känsliga komponenter ska vara skyddat utformade. Då det gäller att ha så få komponenter som möjligt så är ju det väldigt relativt, men om man jämför med det nuvarande redskapsfästet så är det en stor skillnad att alla 4 väggarna, som görs som smidesämnen, ser precis likadana ut i det nuvarande redskapsfästet vilket innebär att det endast behövs en smidesform. Detta till skillnad från i det nya redskapsfästet där det blir 4 st. olika delar. Det är även en bidragande orsak till att det nya redskapsfästet blir dyrare. Men rent tekniskt så är väggarna 4 st. komponenter både på det nya och på det nuvarande redskapsfästet, även om det är 4 olika delar för det ena och 4 likadana för det andra. Däremot så blir det fortfarande fler komponenter totalt sett på det nya redskapsfästet då det tillkommer kopplingar, kolvstänger o.s.v. till cylindrarna. De känsliga komponenterna som bör vara skyddat utformade är i detta fall cylindrarna. Även om de hamnar rätt så skyddat bakom adapterplattan och verktyget så är det troligtvis inte tillräckligt för att kunna garantera att det inte faller in skrot som skadar cylindrarna. Om detta redskapsfäste skulle börja användas så kan det nog bli aktuellt att försöka skydda cylindrarna ännu mer, t.ex. med skyddsplåtar eller annat. Då det nya redskapsfästet blir dyrare än det nuvarande så måste man kunna motivera för kunderna varför de ska betala mer för att få det nya istället för att köpa det nuvarande vilket kan vara svårt innan det är beprövat. För att se om det nya redskapsfästet faktiskt fungerar bättre och om det håller så skulle man kunna använda sig utav en kund som får testköra det nya redskapsfästet under en längre tid och ge feedback kring hur det fungerar och om de anser att det är tillräckligt mycket bättre än det nuvarande eller om det behöver utvecklas ytterligare. 16

26 Det som är känt är att de kunder som ofta byter redskap brukar få problem med det nuvarande redskapsfästet då det tenderar att falla igenom, alltså att det viker ihop åt fel håll, p.g.a. nötning. Dessa kunder skulle säkerligen välkomna ett nytt redskapsfäste. Däremot fungerar det nuvarande redskapsfästet bra för de kunder som aldrig byter redskap förutom att kilen kan behöva justeras i efterhand för att undvika glapp. De kunderna lär inte vara lika pigga på att behöva lägga ut mer pengar för att få ett redskapsfäste de inte är i behov av. Ett alternativ skulle kunna vara om det nya redskapsfästet kan väljas som ett tillval till maskinerna istället för att ingå i standardpaketet, det skulle dock innebära en större prisökning för de som väljer till detta än det hade varit om det skulle gå som standard. I slutskedet av examensarbetet blev jag varse om en standard (SS-EN 474-1: A4:2013) som behandlar generella säkerhetskrav för anläggningsmaskiner. Bilaga B i denna standard handlar om krav på redskapsfästen och adapterplattor och den säger att om man har en heleller semiautomatisk låsning så får man inte ha en manuell säkerhetslåsning, som t.ex. den säkerhetssprint som återfinns i det nya redskapsfästet. Anledningen till detta är att det skett otäcka olyckor där maskiner tappat t.ex. skopor p.g.a. att föraren ignorerat instruktionen att gå fram och sätta i sprinten och istället litat på att hydrauliken inte ska fallera. Då de flesta redskapen ska kopplas till hydrauliken så skulle man på dessa kunna hävda att när man ändå ska fram för att koppla den så skulle man lika gärna kunna sätta i sprinten samtidigt men då det finns ett redskap som används, en skopa, som inte ska kopplas hydrauliskt så innebär detta att en annan säkerhetslösning måste till istället för säkerhetssprinten. Ett alternativ skulle kunna vara att installera en backventil i cylindrarna eller att på annat sätt ha en automatisk mekanisk spärr som låser fast när man kör ut redskapsfästet i sitt maxläge. Förutom det redan ovan nämnda så innefattar det fortsatta arbetet med redskapsfästet även val av tätningar och styrband till kolvar och toppmuttrar. Skulle Brokk göra verklighet av redskapsfästet så kommer det säkerligen att ske en undersökning av samtliga mått och radier för att optimera redskapsfästet så mycket som möjligt innan det börjar produceras. 17

27 6. Referenser [1] (Hämtat ) [2] (Hämtat ) 18

28 BILAGOR Bilaga A: Lösningar från konceptutveckling fas 1 Figur 15. Cylinder som fästs vid axel som går genom rotationspunkten i redskapsfästet och pressar ut det i adapterplattan. Figur 16. Kilar som skjuts ut och låser redskapsfästet i sitt maxläge med hjälp av elmagneter. Figur 17. En mekanisk självlåsning på redskapsfästet.

29 Figur 18. Cylinder som pressar ut redskapsfästet med hjälp av en fyrlänksmekanism. Figur 19. Låsmekanism på adapterplattan.

30 Bilaga B: Lösningar från konceptutveckling fas 2 Figur 20. Cylinder med dubbla kolvar och kolvstänger som skjuter ut åt var sitt håll och låser redskapsfästet i sitt maxläge. Denna idé gick bort då det helt enkelt inte fanns utrymme nog för att det skulle gå att genomföra. Figur 21. Cylinder med kil som låser redskapsfästet i sitt maxläge. Idén valdes bort då det var osäkert om det skulle räcka att enbart låsa ena sidan.

31 Figur 22. Två cylindrar som låser var sin sida på redskapsfästet. Idén föll bort då det uppstod för många problem längst vägen som t.ex. att det var svårt att få tillräckligt med slaglängd. Figur 23. Linjär rörelse på redskapsfästet med hjälp av två cylindrar och ett glidspår. Väldigt lik slutgiltiga lösningen. Idén valdes bort då det ansågs vara ett bättre alternativ att ha cylindrarna inbyggt i smidesämnena än att fästa dem under väggarna.

32 Bilaga C: Konstruktionsritningar

33

34

35

36

37