Lastutrymmet - Utveckling av lastutrymme till skotare Pak-Yue Wu Anna Ågren MF2011 Systems engineering School of Industrial Engineering and Management March 2009
Sammanfattning Ett lastutrymme ska utformas för en skotare. Lastutrymmet är ett delsystem och ska därmed vara integrerat med resten av skotaren. Lastutrymmet har som grundfunktion att bära timret men även att skydda omgivningen och föraren från fallande timmer. Det bör ha en vikt på 700 kg och det ska kunna bära en last på 12 ton. Det ska kunna monteras ner då skotaren även ska kunna användas med flak. De mått som lastutrymmet bör följa är att det inte får vara bredare än 2,5 meter och den totala höjden på skotaren får inte överstiga 3 meter. Då gränssnitt har ändrats i resten av skotaren så har detta medföljt att lastutrymmet har ändrats flera gånger. Alla versioner finns med i rapporten för att man ska kunna se utvecklingsprocessen. Lastutrymmet har formats i Solid Edge och beräkningar på hållfasthet har även gjorts i Ansys. Höj- och sänkbara pålar har skapats för att operatören lättare ska kunna lasta på och av timret. Det slutliga lastutrymmet klarar en vikt på 12 ton utan problem men dess totala vikt uppgår till 734 kg vilket överstiger kravet på 700 kg. 12 ton är inte en trovärdig vikt då skotaren aldrig kommer få rum med så mycket timmer. Om en trovärdigare lastvikt hade valts så kunde viktkravet på lastutrymmet nås utan problem. 1
Innehåll Sammanfattning... 1 Innehåll... 2 Inledning... 3 Metod... 3 Första versionen... 3 Andra versionen... 6 Slutversionen... 7 Verifiering... 7 Resultat... 10 Diskussion... 10 Slutsatser... 10 Referenser... 11 Bilaga 1 Krav och funktionsanalys... 12 2
Inledning Ett lastutrymme ska utformas för en skotare. Lastutrymmet är ett delsystem och ska därmed vara integrerat med resten av skotaren. Lastutrymmet har som grundfunktion att bära timret men även att skydda omgivningen och föraren från fallande timmer. Kraven som lastutrymmet bör uppfylla förutom detta var givna till: Total vikt på 700 kg Ska klara en last på 12 ton Den ska vara integrerad med skotarramen Det ska gå att montera ner lastutrymmet från ramen (för att skotaren även ska kunna användas med flak) Det får inte vara bredare än 2,5 meter Den totala höjden på skotaren får inte bli mer än 3 meter Metod Först klargjordes systemkraven på lastutrymmet och dessa skrevs ner i en tabell gentemot de funktionella kraven som bör uppfyllas. Sedan gjordes en DSM över de komponenter som har en relation till lastutrymmet. Med hjälp av dessa tabeller kunde man enklare se vilka krav som fanns på lastutrymmet och vilka funktioner och delar som dessa krav är kopplade till. Alla krav ska även kunna verifieras om de uppfylls eller ej. De flesta av kraven kan kontrolleras antingen med CAD eller med finita elementmetoden. Tabellerna och deras relationer (CFM, FMM och DSM) samt verifikationsmedel finns i bilaga 1. För att kunna optimera lastutrymmet till att ta så stor last som möjligt så måste det integreras noggrant med ram och hjulupphängning. Detta medför att då gränssnitten för dessa delar ändras så bör även lastutrymmet ändras för att kunna optimeras. Då det inträffade justeringar i ram och hjulupphängningar så har det medfört att lastutrymmets har ändrats två gånger. För att illustrera processen som skett vid utformningen av lastutrymmet så har alla tre versionerna valts att ta med i denna rapport. Alla versioner av lastutrymmet är gjorda i stål då detta är det konventionella hållbara materialet. Första versionen Lastutrymmet i en skotare brukar vanligtvis bestå av ett antal rack som håller timret och en grind som skyddar föraren från timret. Rack För att kunna klara en så stor last som 12 ton så måste racket utformas med en stabil bas. Detta gjordes med ett kvadratiskt tvärsnitt. Ett kvadratiskt tvärsnitt ger även en stor kontaktyta med lasten, jämfört med till exempel ett cirkulärt, vilket leder till att lasten ligger stabilare p.g.a. friktion. För att kunna maximera lastutrymmet gentemot hjulupphängningen så utformades racket med snett höjande armar (se figur 1). 3
Figur 1 Rack utformat i Solid Edge Då lastutrymmet ska kunna monteras ner från ramen så utformades fästningen till ramen så att det sitter fast med bultar på varje sida. Sex stycken bultar på varje sida gör så att den sitter stabilt på ramen. Sidorna av lastutrymmet består av två stycken pålar som vardera består av två delar. Den övre delen av varje påle är höj- och sänkbar (illustreras i grönt i sitt översta läge i figur 1). Tanken är att man ska kunna höja pålarna i takt med att lasten fylls på. Detta gör så att det är smidigare för föraren att lasta på timret. Pålarna höjs med hjälp av en liten hydraulcylinder som sitter under dem. Då de övre delarna av pålarna enbart väger 5 kg vardera så kan en liten hydraulcylinder väljas. Exempelvis så ger en liten cylinder på 25 mm i ytterdiameter en kolvkraft på ca 3 kn (klarar därmed hela 300 kg) 1. Pålarna är cirkulärt utformade främst för att detta gör det mycket smidigare för dem att höjas och sänkas. Rektangulära eller kvadratiska tvärsnitt är mycket svårare att sammanfoga på grund av kanterna, vilket även kan ge komplikationer vid höjning och sänkning om inte tvärsnitten passar perfekt. Grind Grindens syfte är att skydda föraren från timret. Grinden bör utformas så att föraren kan se så bra som möjligt vid lastning och körning. Därför utformades grinden som galler. Det gjordes så glest som möjligt så att föraren kunde se bra men även så kompakt så att det håller utifall timret trycker mot det i backar etc. Grinden har samma typ av fästning mot ramen som racket (se figur 2). Det ska därmed sitta fast med sex stycken bultar på varje sida av fästningen. 1 Parker Hydraulics hydraulcylindrar 4
Figur 2 Grind utformad i Solid Edge Sammankoppling Antalet rack valdes till tre då detta verkade lämpligt med tanke på att skotaren är relativt liten. Det första racket kopplades samman med grinden för att grinden inte ska ta all kraft från timret (se figur 3). Figur 3 Grinden tillsammans med 3 stycken rack Grinden och det första racket sitter ihopkopplade 5
Andra versionen Då hjulupphängningens gränssnitt ändrades så justerades även lastutrymmet. Detta innebar att både rack och grind kunde sänka sina armar vilket medförde att lastutrymmet blev större (se figur 4). Figur 4 Version 1 respektive version 2 av lastutrymmet sett bakifrån Då beräkningar gjordes i Ansys så visades att denna version av lastutrymmet gav stora spänningar i rackets armar (se figur 5). Den maximala spänningen uppgick till 135 MPa i armarna. Detta beror antagligen på att då armarna sänktes så blev de för raka och klarade inte stora krafter i de yttre delarna av armarna längre. Figur 5 Ekvivalent (von-mises) spänning [Pa] 6
Slutversionen Även fast spänningarna i version 2 inte var kritiska så ändrades ändå armarna ytterligare för att minska spänningarna. De delarna av armarna som får högst spänningar (se figur 5) gjordes lite tjockare och mer lodräta (se figur 6). Verifiering Figur 6 Ny racket utformades för att få stabilare armar För att verifiera att lastutrymmet har uppfyllt de satta kund- och funktionskraven så har lastutrymmets tyngd, mått, hållfasthet och gränssnitt mot andra delsystem undersökts. Tyngd och mått Hur mycket hela lastutrymmet väger undersöktes i Solid Edge. Totalt så vägde det lite mindre än 734 kg. Det satta kravet var att det skulle väga 700 kg vilket innebär att det väger lite mer. Detta anses dock som en acceptabel vikt. Kraven på bredd och höjd fanns i åtanke då lastutrymmet utformades men kan ändå verifieras i Solid Edge. Bredden blir lite mindre än 2,5 meter och höjden på lastutrymmet med ram och hjul understiger 3 meter. 7
Hållfasthet För att verifiera att lastutrymmet klarar en vikt på 12 ton så infogades CAD-filen av racket (se figur 6) in i Ansys. Figur 7 Ekvivalent (von-mises) spänning [Pa] Då det är tre stycken rack så delades den totala kraften (120 kn) på tre vilket gav 40 kn per rack. Denna kraft fördelades sedan ut på racketen. De inre delarna av fästningarna, där ramen ska sitta, sattes som fasta sidor på racketen. Maxspänningen uppgick till 82 MPa (se figur 7), vilket är en helt acceptabel nivå. Dock var det bara en sådan hög spänning i ett hörn av racketen (se figur 8) och i resten av racketen så låg spänningen på som högst 30 MPa. Figur 8 Ekvivalent (von-mises) spänning [Pa] 8
Maxdeformation beräknades till 2,2 mm i de yttersta delarna av armarna (se figur 9). Detta innebär att då lastutrymmet har en last på 12 ton så kommer de yttersta delarna av armarna sjunka med 2,2 mm. Denna deformation är inte stor och den kommer inte påverka något i resten av systemet. Gränssnitt Figur 9 Total deformation [m] Gränssnitt med de andra delsystemen har samarbetats fram. Framförallt så är det gränssnittet mot ramen och hjulupphängningen som är viktiga. Då lastutrymmet är väldigt flexibelt och kan ändras efter hur resten av systemet ser ut så formades lastutrymmet främst efter de gränssnitt som ram och hjulupphängning lade fram. Detta ledde till att lastutrymmet ändrades då dessa gränssnitt ändrades som nämnts tidigare i rapporten. Då fästningarna till ramen samarbetades fram och även avstånd mellan rack och grind så kunde både rack och grind lätt fästas på ramen (se figur 10). Figur 10 Rack och grind fästa på ramen 9
Resultat Det slutliga resultatet av lastutrymmet syns i figur 11. Diskussion Figur 11 Det slutliga resultatet av lastutrymmet De spänningar och deformationer som visas i figur 7-9 har beräknats fram med en last på 12 ton. Obehandlat timmer direkt från skogen har en densitet på 0,8 kg/dm 3 och detta motsvaras ungefär 12 ton vid 20 m 3. Därmed uppfyller lastutrymmet kraven för mängden timmer den ska kunna frakta, både i fråga om utrymme och hållbarhet. Slutsatser Höj- och sänkbara pålar gör att lastning/avlastning går mycket smidigare Lastutrymmet klarar en vikt på 12 ton utan problem Den totala vikten blir på 734 kg vilket är lite högre än kravet på 700 kg Lastutrymmet uppfyller kraven vad gäller utrymme och hållbarhet. 10
Referenser Parker Hydraulics (2002) Hydraulcylinder HC20 Standard, Katalog HY07-8117/SE Solid Edge, version 20, UGS, 5800 Granite Parkway, Suite 600, Plano, TX 75024, USA Ansys, version 11, SAS IP, USA 11
Bilaga 1 Krav och funktionsanalys Relationerna mellan systemkraven och funktionskraven (CFM) är markerade i den gula delen. Komponenterna och dess relationer är markerade i den blåa delen (DSM) och relationerna mellan kraven och komponenterna (FMM) är markerade i den gröna delen. Bunk Functional requirements Hold logs 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 1.3.7 1.3.8 1.3.9 1.3.10 Attach to frame Control volume Provide stability Divide load weight Shield operator Shield environment Simple design Accessability Usable on the road Durability # Customer needs Bunk Systems requirements Verification method 1.0 End-user needs 1.1 Good performance 1.1.1 Bunk weight max 700 kg CAD assembly 1.1.2 Gross load capacity 12000 kg CAD model 1.1.3 Gross load capacity 40 m 3 Matlab calculation 1.1.4 Normal loading cycle time 10 minutes MBS & control simulation 1.1.5 Normal unloading cycle time 5 minutes Rough calculations 1.1.6 Vertical wheel movement +- 0.45 m Rigid body simulations 1.1.7 Maximum width 2.5 m CAD assembly 1.1.8 Maximum 35 % static load ratio on each wheel CAD assembly 1.1.9 Bunk length minimum 3.8 m CAD assembly 1.1.10 Operate in all weather conditions Field tests 1.1.11 Maximum height 3.0 m CAD assembly 1.2 Little damage on ground 1.2.1 Low and evenly distributed ground pressure FEM analysis 1.3 Security 1.3.1 Protect operator from sliding logs FEM analysis, Reduced lab tests 1.3.2 Protect surrounding from falling logs FEM analysis, Reduced lab tests 1.4 Maintenance 1.4.1 Full maintenace less than once per year Reliability analysis 1.4.2 Part maintenace by operator Disassembly/assembly simulations 1.5 Estetically appealing 1.5.1 Innovative look DMU + interviews 1.5.2 Innovative features DMU + interviews 2.0 Corporate requirements 2.1 High internal commonality 2.1.1 Wheel size 600/55*26.5/700x50/26.5/710/45x26.5 CAD model 2.2 High external variety 2.2.1 Modularized design CAD model 2.3 Reusable product models 2.3.1 JT-repository CAD model 2.4 Upgradable 2.4.1 Planned upgrade program Corporate strategic product development audit 2.5 Easy maintenance 2.5.1 Simple, easily reachable parts CAD assembly 2.6 Easy service 2.6.1 Standard parts supply chain CAD assembly Forwarder DSM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Frame 1 1 g g g g g g g g Wheel damper - front right 2 g 10 Wheel damper - front left 3 g 11 Wheel damper - rear right 4 g 12 Wheel damper - rear left 5 g 13 Gate 6 g 22 s s s gs g Cage 7 g 23 Hydraulic crane 8 g s 24 g Grapple 9 s g 25 Lamps/spotlights 10 gs 25 e Electrical system 11 g g e 27 12