Innehållsförteckning

Konstruktion och hållfasthetsanalys av ram samt utkast till dumpermodul Olof Karlsson Daniel Granquist MF2011 Systemkonstruktion Skolan för Industriell Teknik och Management Kursansvarig: Ulf Sellgren Februari 2009

Sammanfattning I kursen MF2011, Systemkonstruktion, har ett projektarbete ägt rum för att undersöka potentialen hos ett skotarkoncept. Denna rapport behandlar framtagningen av skotarens ram och dess verifieringen mot hållfastheten. Först antogs ett balktvärsnitt att utgå ifrån till ramen och enkla analytiska beräkningar gjordes för att verifiera att dimensionerna för tvärsnittet var rimliga. Sedan gick man vidare med att ta fram en ram med fästen mot alla skotarens komponenter och tog fram dessa utifrån de konstruktionsrekommendationer som finns för hållfasthetsdimensionering. Efter att ramen i sin helhet tagits fram gjordes en viktreducering för att klara viktmålet på 2 ton för ramen. När en tillräcklig låg vikt nåtts verifierades ramens hållfasthet för olika antagna lastfall. De resultat som man fick resulterade i att ramen fick omkonstrueras på vissa ställen samt att de viktbesparingar som gjort i ramen, till exempel lätthål, fick omkonstrueras och tas bort. Slutligen diskuteras huruvida man kan gå vidare med skotarens ram där det föreslås att bättre lastfall tas fram för att få en bättre bild av hur skotaren belastas och på så sätt kunna reducera ramens vikt och närma sig målvikten på 2 ton. 1

Innehållsförteckning Sammanfattning... 1 Inledning... 3 Ramkonstruktion... 3 Analytisk beräkning av godstjocklek för centralbalk... 3 Hjulupphängningsfästen... 5 Hyttupphängning... 6 Motorplatta... 6 Fäste till dumpercylindrar och dumperflak... 7 Hjuldämpningsfäste... 8 Lätthål... 8 Bultförband... 8 Dumpermodul... 8 FEM-verifiering av ramen och dess fästen... 10 Ramverifiering... 10 Fullastad skotare... 10 Ramverifiering vid maximalt lastad kran... 11 Verifiering av fästen... 15 Hyttens upphängning... 15 Motorn upphängning... 16 Dumperfästen... 17 Maxtest av ramen... 18 Verifiering av hjulupphängningens fästen... 19 Slutsats och vidare analys... 20 2

Inledning I kursen MF2011, Systemkonstruktion, har ett projektarbete ägt rum för att undersöka potentialen hos ett skotarkoncept. Projektet har delats upp på tre projektgrupper där varje grupp har ansvarat för olika delar av skotaren. Denna rapport behandlar skotarens ram som var en av komponenterna tillsammans med hjulupphängningen samt dämpningen som tillföll gruppen. Efter att samtliga gruppdeltagare tagit fram DSM- matriser och funktionsträd delades konstruktionsarbetet upp emellan gruppdeltagarna på så sätt att man bildade tre projekt inom gruppen och som nämnts föll framtagning av ram på denna interngrupp. Ramkonstruktion Ramen i Figur 1 bygger på en centrumbalk med kvadratiskt tvärsnitt, sidan 300 mm och godstjockleken 20 mm. På balken sitter sedan tvärbalkar för hjulupphängning samt ett antal fästen för hytt, motor, dumpercylindrar med mera. Framtagningen samt hållfasthetsverifieringen av ramen presenteras nedan. Figur 1. Den slutliga ramen baserad på en centrumbalk med kvadratisk tvärsnitt och sidan 300 mm. Analytisk verifiering av godstjocklek för centralbalk För att göra en bedömning av ramens hållfasthet för det valda tvärsnittet har det gjorts överslagsberäkningar för att se dess rimlighet. Det valda tvärsnittet visas i Figur 2. Figur 2. Dimensioner för det valda tvärsnittet till ramen 3

Ekvation 1 och 2 ger tröghetsmomentet respektive vridstyvheten för det ovan redovisade tvärsnittet. I W v t h t b h 6 2 3 3 = 2 h b t = 3,6 10 m (2) 3 2 4 4 = + I = 3,6 10 m (1) Först undersöktes det fall som skulle ge maximalt böjande moment på ramen och resultera i normalspänningar. I Figur 3 visas friläggningen som gjordes. Figur 3. Friläggning av balken vid maximal last Den resulterande normalspänningen tas då fram med Ekvation 3. M b 20000 10 5 σ = z M b 500 knm, z 0,15 m = MPa I = = = 2 σ 208 (3) Den maximala vridningen som ramen kan utsättas för sker då skotaren lyfter den maximala vikten längst ut vilket illustreras i Figur 4. I figuren antas även en del av kranens tyngd ligga längst ut. Figur 4. Den last som ger maximal vridning på ramen Den uppkomna vridskjuvspänningen presenteras i Ekvation 4. Effektivspänningen beräknas sedan i Ekvation 5. M v τ = [ M v = 2000 10 8] τ = 44 MPa (4) W w σ e = σ 2 + 3τ 2 σ = e 222MPa (5) Effektivspänningen kommer upp till 222 MPa vilket är nivån för resttöjningsspänningen för normala stål. Det ansågs dock att man kunde jobba vidare med detta tvärsnitt då resultatet låg inom rimliga gränser. 4

Hjulupphängningsfästen Hjulupphängningarna sitter med pendelarmar bakåt längs centrumbalken. För att kunna fästa dessa pendelarmar behövs då en tvärbalk på vilken fyra fästen fäster varje hjulupphängning. I Figur 5 visar A de fästen som håller de två axlar som ledar en hjulupphängning. Dämpningen som dämpar hjulen sitter längst ut på hjulupphängningen och fäster i ramen i fästet B. För att på ett enkelt och bra sätt leda in kraften från hjulupphängningen i tvärbalken är fästpunkterna för hjulupphängningen triangulära. A B Figur 5. Fästpunkter vid A för hjulupphängningens pendelarmar samt fäste för hjuldämpningen vid B. För att styva upp tvärbalken som håller hjulupphängningsfästen A i Figur 5 utan att öka godstjockleken betydligt i balken sätts liv in (A i Figur 6) som tar upp kraft och fördelar över hela tvärbalken. Då styvheten är mer än tillräcklig för böjning runt skotarens längdaxel skärs lätthål upp genom balken vid hjulupphängning, under centralbalken och in i centralbalken, B, C respektive D i Figur 6. Dessa lätthål kan även utnyttjas för att leda ut hydraulslangar från centralbalken till hjulmotorerna. D B A C Figur 6. För att styva upp innanför hjulupphängningsfästen sätts extra liv in. Lätthål görs där styvhet inte behövs vid B, C och D. Dessa lätthål underlättar dragning av hydraulslangar till hjulupphängningen. 5

Hyttupphängning Fästet för hyttupphängningen byggs upp av fyra plåtar som svetsas ihop som synes i Figur 7. I övre hörnen av hyttfästet sitter de cylindrar som håller hytten via fyra gummibussningar. Från plåtarna tas en del material bort för att dels lätta fästet något, dels låta tvärsnittsarean öka successivt nedåt från fästpunkterna för att därmed undvika spänningsansamlingar. Figur 7. Hyttfästet bestående av fyra svetsade plåtar med fästpunkter för hytten i varje övre hörn. Motorplatta I Figur 8 visas motorplattan som bär den tvärställda motorn och hydraulpumpen. Motorn är tvärställd istället för längsgående på grund av varken den eller hydraulpumpen den driver är smal nog att få plats mellan hjulupphängningen under hytten. Att montera motorn rakt fram skulle ge en endast 1 m bred motorhuv men då 2,4 m lång. Motorplattan har ett hål rakt igenom i mitten för att passa med delar av motorn som sticker ned under fästpunkterna. Förstärkningarna som sitter mot främre hjulupphängningsbalken (A i Figur 8) hjälper till att ta upp krafterna från det moment motorn skapar runt fästet i främre hjulupphängningsbalken. Förstärkningarna sitter mitt emot förstärkningarna inne i hjulupphängningsbalken för att på det sättet enbart belasta skivorna i längsriktning och inte tvärs. För att styva upp motorplattan sätts kanter runt och liv inuti. 6

A Figur 8. Motorplatta fäst i framhjulsupphängningens tvärbalk, förstärkt med fyra trianglar som överför krafter till liven inne i framhjulsupphängningsbalken. Fäste till dumpercylindrar och dumperflak Fästet till dumpercylindrarna måste, för att få någorlunda startvinkel på hydraulcylindrarna, gå ut en bit från ramen. För att staga upp de stora krafter som krävs för att lyfta det 20 ton tunga dumperflaket med last används 20 mm tjocka plattor framåt som lättas med hål vilka inte bör försämra hållfastheten nämnvärt vid skivbelastning, syns bäst på den vänstra bilden i Figur 9. I den högra bilden i Figur 9 syns den platta som stagar för krafter uppifrån på hydraulcylinderfästet. Denna ordentliga förstärkning av fästet behövs då lyftvinkeln i början av dumpertippningen beräknas endast bli runt 20 grader, vilket betyder att en kraft långt över 200 kn måste användas. Figur 9. Dumpercylinderfästet ovanifrån till vänster och underifrån till höger. För dumperflaket sätts ett fäste längst bak på ramen, se Figur 10. Fästet är endast en cylinder som dumperflakets fäste roterar runt vid tippning. Lasten från dumperflaket bärs i sänkt läge av hela ramen då dumperflakets botten ligger an mot ramens ovansida. 7

B A Figur 10. Dumperfäste (A) längs bak på ramen. Hjuldämpningsfäste Fästet till hjuldämningen sitter på ramen strax bakom bakersta delen av hjulupphängningen. Från hjulupphängningen sitter en dämpare fast i fästet i ramen, B i Figur 10 ovan. Lätthål De lätthål som, förutom lätthålen i hjulupphängningsbalkarna som tidigare behandlats, finns på ramen återfinns mestadels på ovan- och undersidan av ramen. Anledningen är att ovan- och undersidan tar upp krafter som försöker böja ramen i sidled, krafter som bara blir en liten del av det totala lastfallet. Böjkrafterna från last och utrustning kommer att vara betydligt större, varför det endast är ett lätthål på sidorna av ramen. Lätthålen syns tydligt i Figur 1. Bultförband De bulthål som är ansatta som fästpunkter för olika delar som monteras på skotaren listas nedan med tillhörande bild (Figur 11) som visar respektive position. A. Kranfäste. 6 st M20 på varje sida B. Grindfäste. 6 st M20 på varje sida C. Bunkfäste. 6 st M20 på varje sida per bunkfäste D. Fäste till hydraultank. 4 M8 per hydraultank. En hydraultank på vardera sida. A B C D C C Dumpermodul Figur 11. Platser för bultförband på ramen. Att kunna använda skotaren för att frakta last som behöver ett dumperflak är ett sätt att få in fler funktioner i samma produkt, vilket kan leda till att användaren har mer nytta av 8

produkten. Att ersätta lastområdet och kranen med ett dumperflak är relativt enkelt gjort. Nedan visas skotaren i Figur 12 med dumperflaket i normalläge och i Figur 13 med dumperflaket i maximalt upphissad position 30 grader. Flaket i sig väger som enkel principkonstruktion drygt 9 ton. Beräkning av lastfall för hållfasthet på ramen beräknas för 20 ton. För att öka tippbarheten kan lösningen vidareutvecklas antingen med teleskopcylinder som trots samma kortaste längd kan bli längre i utfällt läge. Det andra alternativet för att ha längre hydraulcylindrar utan att startvinkeln på lyftet blir för liten är att bredda de fästen som sitter i ramen för att på det sättet kunna ha fästen längre upp på dumperflakets utsida. Hydraulcylindrarna i modellen är inte dimensionerade för att klara av lastfallet utan endast fiktiva för att visa konceptets funktion. Figur 12. Skotare med dumpermodul. Figur 13. Högsta tippvinkel 30 grader. Bredare mellan lyftcylindrar eller teleskopcylindrar ger bättre lyftvinkel med samma krävda lyftkraft. 9

FEM-verifiering av ramen och dess fästen För vidare analys av ramen har beräkningar av effektivspänning och deformation gjorts i FEM- programmet ANSYS 11.0. Detta för att kontrollera att materialet i ramen och fästena har den hållfasthet som krävs samt att deformationerna är rimliga i kritiska delar. Som generellt lastfall används den maximala vertikal lasten för det specifika fallet med en säkerhetsfaktor på 1,5 samt en inbromsning med en retardation på ett g. Dessutom har det antagits att hjullastaren bara står på två hjul, de diagonalt mot varandra. Ramverifiering För den generella ramen finns ett antal generella lastfall. Nedan behandlas dessa belastningsfall ett i taget för att utröna hur basen till ramen klarar av belastningarna. Vidare undersöks fästena för de olika komponenterna på skotaren. Slutligen kommer en analys av ramen att göras då samtliga komponenter belastar ramen. Fullastad skotare För att göra en första analys av ramen undersöktes hur ramen klarar kraften från det maxlastade (14 tons last) lastområdet. Resultatet av de uppkomna effektivspänningarna presenteras i Figur 14. Som bilden visar uppnås spänningar på 186 MPa vilket inte oroar om man tänker på resttöjningsgränsen för normala stål. Dock bör man undersöka ett mer normalt lastfall för att säkerställa att inte utmattningsgränsen överskrids vid körning. De deformationer som uppstår presenteras i Figur 15. En maximal deformation på 6,6 mm uppstår men då den äger rum längst bak på ramen anses inte detta som funktionskritiskt. Generellt sätt ligger deformationerna mellan 0 och 1 mm vilket anses acceptabelt. Figur 14. Spänningar vid maximal last i lastområdet 10

Figur 15. Uppkomna deformationer i ramen vid maximal last i lastområdet Ramverifiering vid maximalt lastad kran Vid verifiering av ramen då även kranen är lastad antas ett vridande moment vid kraninfästningen på 359 knm som uppkommer vid 2,8 tons last (både kranen och lastens vikt antas ligga längst ut) 8,5 meter rakt ut från sidan med en säkerhetsfaktor på 1,5. Dessutom belastas kraninfästningen med kranens och lastens tyngd med en säkerhetsfaktor 2. Lastfallet visas i Figur 16. Det har det antagits att skotaren är fullastad och står på alla fyra hjul. Figur 16. Lastfall vid maximalt belastad kran Figur 17 redovisar resultatet och som man kan se nås maximala spänningar på 682 MPa, vilket är alldeles för högt. Dock är dessa spänningar i hålen och kan bero på singulariteter vid skarpa kanter. Bortsett från det kan man se att stora delar av ramen belastas med spänningar på över 200 MPa, som har använts som riktvärde för maximal tillåten spänning. Lastfallet kan ses som extremt men det är viktigt att komma ihåg att denna rörelse är mycket vanlig och exakt vilka dynamiska krafter som uppstår på grund av gung i lyftet är oklart. 11

Figur 17. Effektivspänningar vid fullt belastad kran För att få en klarare bild av hur stor del av kranen som belastas med effektivspänningar på över 200 MPa togs den figur fram som visas i Figur 18. Här kan man utläsa att delen mellan främre hjulinfästningen och kranen behöver styvas upp mot vridskjuvspänning då det med största sannolikhet är det vridande momentet som orsakar dessa höga laster. För att reducera spänningarna i denna del av ramen ändrades tvärsnittet från kvadratiskt ihåligt till ett cirkulärt hål. Ändringen av tvärsnittet åskådliggörs i Figur 19. Figur 18. Den del av ramen som belastas med effektivspänningar som överstiger 200 MPa. 12

Figur 19. Ändring av tvärsnitt i ramen för förbättrad upptagning av vridmoment Den nya ramen belastades med samma lastfall som tidigare och gav då det resultat som presenteras i Figur 20. Här ser man att maxspänningarna nästan halverats och Figur 21 visar hur stor del av ramen som utsätts för spänningar över 200 MPa. Figur 20. Uppkomna spänningar efter modifiering av ramen 13

Figur 21. Spänningar som överstiger 200 MPa Modifieringen gav upphov till önskat resultat och ramen utsattes för ännu ett kranlastfall men då kranen är placerad bakåt ovanför ramen. Resultatet redovisas i Figur 22 och man kan konstatera att detta lastfall motiverar till att lätthålen på sidan av ramen och ovanför, närmast kranen, förändras då onödiga spänningskoncentrationer uppstår vid dessa. 14

Figur 22. Motivering till förändring av lätthål på ramen Verifiering av fästen Hyttens upphängning Det lastfall som användes vid analysen av hyttens fäste var en vikt på 1 ton med en säkerhetsfaktor på 1,5 samt en inbromsning på ett g. Hyttfästet antogs sitta stelt fast på ramen, egentligen fastsvetsad, då det endast är fästets spänningar som vi är intresserade av. Lastfallet visas i Figur 23. Figur 23. Hyttens fäste på ramen och det antagna lastfallet 15

I Figur 24 redovisas de uppkomna spänningarna och som man kan se är dessa mycket låga. Resultatet visar på att spänningarna leds in i fästet på ett tillfredställande sätt och att fästets utformning utför önskad funktion. Man kanske skulle kunna viktoptimera denna infästning en del då spänningarna ligger en faktor 10 under rikvärdet. Dock anses att tid inte bör läggas på att först och främst optimera denna infästning då detta inte skulle bidra i någon större utsträckning till viktreduceringen av skotarens totala vikt. Vad som också bör nämnas att deformationerna blev väldigt små, storleksordningen 0,1 mm. Figur 24. De uppkomna spänningarna i hyttfästet för det ovan nämnda lastfallet Motorns upphängning Även för detta lastfall antogs en säkerhetsfaktor mot tyngden på 1,5, en inbromsning på ett g och att motorns upphängning sitter fast på en stel ram. För detta fall räknades på vikten 1500 kg vilket inkluderar både motor och pump. De resulterande spänningarna presenteras i Figur 25. 16

Figur 25. Effektivspänningarna som uppstår i hyttfästet Även här erhålls mycket låga spänningar, och deformationer, och en reducering av vikten skulle säkert kunna åstadkommas. Men man skulle istället kunna arbeta på att ta fram en upphängning som passar mer generellt för motorer, för denna motorupphängning har tagits fram för att passa just denna motor och pump. Sedan kan man ju ställa sig frågan om det är ett relevant lastfall för just en motorupphängning där det hela tiden är stora vibrationer. Men man får ju i alla fall en uppfattning om fästets hållfasthet och den verkar vara tillfredsställande. Dumperfästen Det lastfall som används vid verifiering av dumperfästena är en last på 20 ton med en säkerhetsfaktor på 1,5 som initialt lyfts med lutningen 17. De då uppkomna krafterna presenteras i Figur 26. Figur 26. Lastfallet vid verifieringen av dumperfästena De resulterande spänningarna visas i Figur 27 och som man kan se nås spänningar på 446 MPa men de höga spänningarna verkar främst finnas kring lätthålen. 17

Figur 27. Spänningarna i ramen för dumperlastfallet För att få en klarare bild av vart de höga spänningarna uppstår visas i Figur 28 de spänningar som överstiger 200 MPa och de bekräftar det tidigare antagandet om att de höga spänningarna främst bildas kring lätthålen vilket kräver omkonstruktion av hålen eller rent utav borttagning av de samma. Men figuren påvisar även att det bakre dumperfästet belastas hårt och borde ses över. Figur 28. De spänningar som överstiger 200 MPa Deformationerna i ramen har även undersökts för det berörda fallet och resultatet illustreras i Figur 29. Man kan utläsa att deformationer på 5 mm nås vilket kan ses som mycket men då det inte är någon funktionskritisk detalj som deformeras anses inte detta som ett problem. Man skulle kunna styva upp fästet till dumpercylindrarna men det kan få som följd att spänningarna ökar markant i denna. Figur 29. Deformationer i ramen för dumperfallet Maxtest av ramen För att slutligen verifiera att ramen håller då den utsätts för samtliga belastningar har ett maxtest gjorts. Figur 30 visar lastfallets som har antagits och det är summan av alla de lastfall som har använts ovan vid verifiering av de olika fästena. Även för detta ramfall antas att skotaren står på två hjul. Dock antas inte att kranen är i utfälld position. 18

Figur 30. Införandet av krafter vid maxtest av ramen De då uppkomna spänningarna visas i Figur 31 och det visar sig att ramen belastas med spänningar på 200 MPa som främst belastar ramens bakre del, det vill säga från lasten som skotaren bär. Återigen ser man att det kring lätthålen uppstår spänningskoncentrationer vilket motiverar att lätthålen tas bort helt och hållet. Annars anses det att ramen klarar belastningen och ramen kan användas för det givna fallet. Figur 31. Ramen då den utsätts för samtliga belastningar Verifiering av hjulupphängningens fästen Under samtliga fall då hela ramen har analyserats har det satts cylindrical supports i hjulupphängningsfästena vilket har medfört att inga spänningar eller deformationer har uppstått här. För att verifiera att dessa håller har alla krafter från det senaste lastfallet ovan summerats för att belasta fästena eftersom de genererar en motkraft till lasten. Detta illustreras i Figur 32. Det antas att all denna last belastar de båda framhjulen. 19

Figur 32. Verifiering av hjulupphängningens fästen Resultatet av lastfallet blev spänningar som uppnår 214 MPa vilket illustreras i Figur 33. Det som oroade innan var att godset i lastöronen var för tunt men som man kan se belastas främst delen under själva rambalken. Detta kan bero på de inspänningsförhållanden som har valts, där underdelen av balken har belagts med en så kallad fixed support vilket medför att balken är helt stel. Trots detta kanske man kan överväga en mjukare övergång till balkdelen av ramen. Figur 33. Spänningarna som uppstår vid test av hjulupphängningsfästena Slutsats och vidare analys Efter alla modifieringar väger ramen nästan 2800 kg, vilket är 800 kg mer än målvikten. Den slutgiltiga ramen är inte optimerad med avseende på vikt och funktion, utan bör endast ses som en modell för att undersöka rimligheten för konceptet. Om vidare tid skulle ges för optimering skulle målvikten med största sannolikhet nås. För att gå vidare med framtagning och verifiering av ramen föreslås följande: Bättre och mer detaljerade lastfall för att inte överdimensionera och belasta konstruktionen med för stor tyngd. Sammanställa ett normaliserat lastfall för dimensionering mot utmattning. 20

FEM-analysen måste göras noggrannare för samtliga komponenter och ramdelar för att få en bättre insikt i ramens hållfasthet. Den utförda analysen har gjorts med avseende på att ta fram en uppskattning av spänningar och deformationer. Egentligen finns ingen begränsning av hur detaljerad man gör analysen då bland annat modal-undersökningar kan göras där störfrekvenser hos lastfallen måste tas fram. Man måste anpassa analysen efter tillgänglig tid mot eftersökt resultat. 21