Bilaga 1 Examensarbete Integrerad parallellaxeldrift
Fakulteten för teknik- och naturvetenskap Tobias Fjällström Arvid Johansson Integrerad parallellaxeldrift Integrated parallel shaft drive Examensarbete Datum/Termin: 06/2008 Handledare: Hans Johansson Examinator: Nils Hallbeck Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60 [email protected] www.kau.se Sammanfattning Studenter vid Karlstads universitet har genomfört examensarbete (MSGC17 Examensarbete för högskoleingenjörsexamen i Maskinteknik, 22.5 hp) inom ramen för maskiningenjörsprogrammet. Kursens syfte är att tillämpa ett ingenjörsmässigt arbetssätt med urskiljning, formulering och lösning av ett tekniskt problem. Kursen genomförs med fördel tillsammans med ett företag, skall genomföras självständigt och leda fram till en muntlig och skriftlig presentation. Denna rapport beskriver ett förbättringsarbete åt Metso Paper i Karlstad, gällande drivningen av två stycken skruvdomkrafter som med en vals skall spänna viran eller filten i pappersmaskinen. Arbetet har lett fram till ett komplett förslag med tillverkningsunderlag och grundar sig på en asynkronmotor med genomgående axel med två planetväxlar på vardera sidan av motorn. Detta grundar sig på ett konceptval (avsnitt 2) som behandlar vanligt förekommande växlar och motorer, och valet gav just denna lösning då vi ansåg att detta är mest platsbesparande. Lösningen skall kunna anpassas på ett flertal olika domkraftskonfigurationer, gällande motordimensioner, nedväxling och längd på parallellaxel som kopplar ihop driften av domkrafterna. Denna anpassning sker genom att drivpaketets hållare anpassas, men är i grunden densamma. Därefter väljs motorer, växlar, m.m. på det sättet som vi beskriver i rapporten och vi har valt att visa våran lösning fullt ut på en konfiguration med domkrafterna A50 som ligger på ett avstånd på ca 6 m ifrån varandra. Vidare har en täckkåpa utformas för att skydda hela drivpaketet från att komma i direkt kontakt med pappersmassan. Kraven som vi har fått från Metso Paper är att lösningen skall kunna monteras som en modul. Detta har inneburit för våran del att lösningen kan levereras till kund färdigtmonterat i form av ett drivpaket med hållare och täckkåpa, samt en st. parallellaxel. Abstract Students at Karlstad University has carried out a degree project within the Study Programme in Mechanical Engineering. The projects main purpose is to apply the knowledge of the Programme and shall be carried out together with a company. The project shall be driven out independently and lead to both an oral and a written presentation. This report describes a work of improvement for Metso Paper in Karlstad, referring to the motor and drive train mechanism of two screw jacks that is used to tightening the wind or felt in the paper machine. This project has lead to a complete proposition, a description of manufacturing and is founded upon an asynchronous motor with a thoroughgoing drive shaft with two planetary gear boxes on both side of the motor. This solution is a result of an evaluation of different concept (chapter 2), regarding common motors and gears on the market. The reason that we used this motor and gears is mainly due to the minor space requirements that such solution can accomplish, with an inline drive train. The solution shall be able to fit different configurations of screw jacks, regarding the size of motor, ratio of gears and the length between the jacks. This is mainly done with adjustments of the holder, to fit the motor and the rest of the drive train. But this is basically the same solution. Subsequently the motor, gears and other components is selected accordingly to this report and we have chosen to show our solution fully on the screw jacks A50 that is placed in configuration that is about 6 m apart. Further, due to the conditions in the paper machine, a cover has been designed to prevent the paper pulp to come in direct contact with motor and drive train. The requirements that Metso Paper has set up is that the solution should be able to come as a module, meaning in our case that the motor, drive train and holder can be delivered as one unit together with a parallel shaft that connects the two screw jacks. Innehållsförteckning 1. Inledning ................................................................................................................ 5 1.1 Introduktion ...................................................................................................... 5 1.2 Syfte ................................................................................................................. 5 1.3 Mål ................................................................................................................... 5 1.4 Bakgrund .......................................................................................................... 5 1.5 Företaget ........................................................................................................... 6 2. Utvärdering av tänkbara lösningar .......................................................................... 7 2.1 Snäckväxel ........................................................................................................ 7 2.2 Tappväxel ......................................................................................................... 7 2.3 Dubbla motorer ................................................................................................. 8 2.4 Planet växlar ..................................................................................................... 8 2.5 Konceptval ........................................................................................................ 9 3. Teori och Genomförande..................................................................................... 11 3.1 Motor .............................................................................................................. 11 3.2 Växel .............................................................................................................. 12 3.3 Axel ................................................................................................................ 12 3.4 Hållare drivpaket ............................................................................................. 13 3.5 Kopplingar ...................................................................................................... 18 4. Resultat ................................................................................................................ 19 4.1 Motor .............................................................................................................. 19 4.2 Växel .............................................................................................................. 19 4.3 Axel ................................................................................................................ 19 4.4 Hållare drivpaket ............................................................................................. 21 4.6 Kopplingar ...................................................................................................... 23 4.7 Övergripande resultat ...................................................................................... 24 5. Utvärdering .......................................................................................................... 26 6. Tackord ................................................................................................................ 27 7. Referenslista ......................................................................................................... 28 Bilaga 1: Examensarbete Integrerad parallellaxeldrift. Bilaga 2: Data tabell A50. Bilaga 3: Bevi. Bilaga 4: Apex dyana. Bilaga 5: EKH 60. Bilaga6: Ritningar. 1. Inledning 1.1 Introduktion Under kursen Examensarbete (MSGC17 22,5 hp) för högskoleingenjörsexamens i Maskinteknik skall vi; tillämpa ett ingenjörsmässigt arbetssätt med urskiljning formulering och lösning av ett tekniskt problem. Arbetet utförs åt Metso Paper i Karlstad där handledare är Rune Skogsberg och Kennet Andersson. Handledare på universitetet är Hans Johansson och examinator Nils Hallbeck på fakulteten för teknik- och naturvetenskap. Arbetet har utförts på Metso Paper Karlstad samt Karlstads universitetet. 1.2 Syfte Att utreda vad det finns för olika lösningar för att driva två stycken skruvdomkrafter och komma fram till ett slutgiltigt förslag. Den nuvarande lösningen använder sig av en parallellaxel mellan domkrafterna samt en motor och växel på yttersidan av ena domkraften. Syftet med vårt arbete är framförallt ta fram förslag som inte tar lika mycket plats som nuvarande och som flyttar positionen av motor växel eftersom dessa är placerade i en operatörsgång. Samt att bibehålla motor och växels livslängd. 1.3 Mål Att ta fram förslag på en integrerad lösning av parallellaxel, motor och växel som kan monteras som en modul, samt med specifikationer på de ingående komponenterna. Lösningarna skall också kunna monteras som en modulenhet. Lösningen får dock inte ta för mycket plats inne i maskinen mellan skruvdomkrafterna. Detta eftersom lösningen skall kunna monteras på olika platser i pappersmaskinen. Maskinens omgivning ser ut på lite olika sätt men som gemensam faktor är det lite med utrymme. Eftersom det är en mycket krävande miljö i en pappersmaskin, med både basiska och sura förhållanden, så skall lösningen täckas från vatten- och fiberstänk. Detta för att bibehålla livslängden på komponenterna. Samt att: • Hållfastighetsberäkningar av konstruktionens ingående komponenter, både statiska och dynamiska. • Finna lämpliga växlar och elmotorer för applikationen. • Dimensionering av växel och elmotor för applikationen. 1.4 Bakgrund I pappersmaskiner bärs pappersbanan fram på filtar eller viror. För att säkerställa en god sträckning av filtar och viror finns en sträckanordning i varje loop som ger en viss viraeller filtspänning. Sträckanordningen är uppbyggd av skruvdomkrafter, parallellaxel och en elmotor med vinkelväxel, som driver paketet. Valsen som viran eller filten ligger an 5 mot är monterad parallellt med parallellaxeln på vagnar som förflyttas av skruvdomkrafterna. I vissa fall kan inbyggnaden av motor och växel vara problem att få till rent platsmässigt, varför en annan lösning kan vara att föredra (se figur 1). Motorn är elektrisk och måste skyddas mot fiber- och vattenstänk. Genom att slå ihop funktioner kan en mindre platskrävande lösning erhållas där motorn är skyddad och utrymmesbehovet är reducerat (se bilaga 1 för fullständig specifikation från Metso Paper). 1.5 Företaget Metso Paper Karlstad AB är en komplett leverantör av maskiner, utrustning och tjänster för kunder inom pappersindustrin –från idé till färdigt papper. Metso optimerar kundernas processer och erbjuder eftermarknad och service inom affärsområden Tissue, Paper och Board. Företaget ansvarar för försäljning tillverkning och installation av mjukpappersmaskiner och ombyggnad till kunder i hela värden. Till Tissue Business Line hör även enheter i Gorizia som tillverkar Yankeekåpor och Biddeford som är specialiserade på TAD-teknik. I Karlstad finns även en pilotanläggning för testkörning av produkter, massa och maskinkonfigurationer till interna och externa kunder. Service och Eftermarknad förser våra kunder i Skandinavium med ombyggnad och processoptimering. Metso erbjuder även Valsservice, Fältservice och Reservdelar. (Ahsberg, 2008) Figur 1. Nuvarande lösning. 6 2. Utvärdering av tänkbara lösningar Vid konceptgenerering analyserade vi den nuvarande lösningen, för att få fram vad det var som gör att denna lösning inte fungerar som önskat. Den största faktorn till detta är placeringen eftersom motor och växel är placerade i operatörsgång vilket i sintur skapar arbetsmiljöproblem för operatörer (se figur 1). För att undvika att få samma problem ska våra lösningförslag vara placerade i mellan skruvdomkrafterna, dvs. innanför maskinstativen. Lösningarna skall också kunna monteras som en modulenhet. Detta för att skapa snabbare och lättare montering. Detta är också ett övergripande mål på pappersmaskinens alla ingående delar. 2.1 Snäckväxel Genom att använda en snäckväxel som används i nuvarande lösningen skulle man inte ändra ingående komponenter till en hög grad, vilket skulle leda till en smidigare övergång till en möjlig ny lösning. Så vi flyttade snäckväxeln från utsidan på skruvdomkraften till insidan med en genomgående axel på växeln. Detta för att möjliggöra inkoppling till skruvdomkrafterna och axel (se figur 2). Lösningen tar ändå upp mycket plats i maskinen vilket inte är optimalt eftersom lösningen skall kunna sitta på ett flertal olika platser i pappersmaskinen. När man flyttar in komponenterna i maskinen ställs också högre krav på täckningen. Detta eftersom komponenterna sitter mer utsatt för vatten- och fiberstänk och lösningens form försvårar täckningen. Figur 2. Snäckväxel förslag under konceptgenerering. 2.2 Tappväxel Med en tappväxel får man en ganska snarlik lösning som med snäckväxeln, men den tar lite mindre plats inne i maskinen. Tänkt placering visas i figur 3. Denna lösning fungerar bra att placera mot skruvdomkraften med många fastsättnings möjligheter, såsom flänsinfästning. Lösningen blir dock väldigt beroende av axelns diameter och begränsar 7 vilka axelkopplingar som är möjliga att använda. Alltså skulle detta kräva olika växlar för de flesta ändringar som görs på axel, motor, nedväxling, mm. Detta beror på det utrymmet mellan motor och axel som då kan bli för litet så att axeln tar i motorn. Samtidigt vill man inte att detta utrymme skall bli för stort då den totala lösningen kräver mer plats än vad som önskas. Det kan också vara svårt att få bra täckning från vatten- och fiberstänk eftersom det blir mer komplicerat att få det tätt runt en roterande axel. Figur 3. Tappväxel förslag under konceptgenerering. 2.3 Dubbla motorer Istället för att använda sig av en axel för att överföra kraften mellan skruvdomkrafterna, så kan man göra detta med två motorer i form av en motor på vardera domkraft med tillhörande växel. Men för att kunna samköra rörelsen hos domkrafterna skulle motorerna på något sätt vara sammankopplade. Detta kan ske genom positionsskruvar och dylikt, och kräver någon slags elektrisk styrnig. Det kvarstår också att filt- eller virabanan skall kunna justera sin parallellitet mot övriga valsar. 2.4 Planet växlar Tackvare planetväxlars storlek och koncentriska in- och utgående axel (in- och utgående axel är i linje) så skapar det möjligheter för en rad olika lösning. Med två planetväxlar och en motor med genomgående axel skapar man en platsbesparande lösning som går att kombinera på olika sätt (se figur 4). På grund av planetväxlarnas höga verkningsgrad är det möjligt att använda sig av två växlar utan att göra för stora förluster. Det är också möjligt att använda en planetväxel på vardera domkraft och en motor på ena sida. Men detta skulle kräva en axel som klarar att rotera i ca 3000 rpm. 8 Figur 4. Planetväxel förslag under konceptgenerering. 2.5 Konceptval Tillräcklig info Passar företaget Inom kostnadsramen Realiserbar Uppfyller alla krav Löser huvudproblemet Lösning Elimineringsmatris: Integrerad parallellaxeldrift 1 + - + + + + 2 3 4 5 + + + + + + + + + + - + + + + + + + + + + + Elimineringskriterier: (+) Ja (-) Nej (?) Mer info krävs (!) Kontroll produkt spec. Beslut: (+) Fullfölj lösning (-) Eliminera lösning (?) Sök mer info (!) Kotroll produkt spec. Kommentarer: Tar för mycket plats Tar för mycket plats, svårt att täcka Kunder önskar att ha kvar axel Passar bra Skulle kräva en stor axel Figur 5. Elimineringsmatris. 1. Snäckväxel 2. Tappväxel 3. Dubbla motorer 9 Beslut: + - 4. Planetväxel, långsamt roterande axel 5. Planetväxel, snabbt roterande axel Utvärdering av de olika koncepten, med hjälp av elimineringsmatrisen och generell utvärdering, gav att det var lösningen med två planetväxlar och en långsamt roterande axel som skulle passa specifikationerna bäst. Lösningen passade bäst tackvare dess lilla format och att lösningen har koncentriska in- och utgående axlar i linje med varandra. Detta innebär att det krävs en motor med dubbla axeltappar, en åt varje håll för att kunna driva växlarna, samt någon slags hållare för drivpaketet för att ta upp reaktionsmoment och egentyngd. (Johansson, Persson, & Pettersson, 2004) 10 3. Teori och Genomförande 3.1 Motor En relativ enkel och billig elmotor är den kortslutna asynkronmotorn. Den består av en stator med lindningar samt en rotor med s.k. kortsluten lindning. Växelströmmen i statorn alstrar ett roterande magnetfält som rör sig med motorns synkrona varvtal (50 Hz ger ett synkront varvtal på 3000 rpm för en motor med två poler). Flödet genom rotorns kortslutna lindning kommer att variera och ger därför upphov till en inducerad elektromagnetisk kraft, som i sin tur ger upphov till en ström i rotorns lindning. Detta leder till ett moment som verkar på rotorn och kommer att variera med en viss eftersläpning beroende av lasten på rotorn. Denna variation kan med god approximation anses linjär inom arbetsområdet och beskrivs enligt figur 6, där 100 % av märkmomentet är rekommenderat driftmoment som fastställs av tillverkaren. 100 Andel av märkmoment [%] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 90 92 94 96 98 100 Andel av synkront varvtal [%] Figur 6. Visar moment som funktion av varvtal för en kortsluten asynkronmotor vid arbetsområdet. Mellan 0-90 % av det synkrona varvtalet kan motorn leverera start- och maxmoment som kan vara ungefär 2-3 ggr större än märkmomenten under en kortare tid. Med detta kan man kompensera för de friktions- och tröghetsförluster vid start och acceleration. Motorvalet har gjorts enligt figur 6 och beräknas enligt (1) för en motor med 3000 rpm som synkront varvtal; (1) där Mn och nn är moment och varvtal vid märkeffekt (drifteffekt) och ger funktionen M(n). (Andersson, Tisell, & Folkeson, 2002) 11 Vidare så kan motorns varvtal styras med en s.k. frekvensomvandlare, bl.a. dels för att hålla motorns varvtal konstant vid varierande moment men också för att höja eller sänka varvtalet med mer eller mindre bibehållet märkmoment. I vårt fall kan det vara en idé att höja varvtalet med bibehållet märkmoment och då vinna större drivande moment efter nedväxling. Dock innebär en frekvensomvandlare en extra kostnad och vi har valt att inte gå in mer på detta. Dels för att vi inte har grundläggande kunskap om detta och dels för att vid större varvtal än 3000 rpm kan egenfrekvenser vålla problem för hållaren av drivpaketet. Med fördel så väljs en motor som levererar ett märkmoment lika med eller strax över den last som krävs för kontinuerlig drift. I vårt fall drivs inte lasten kontinuerligt utan uppskattningsvis 10 % per drifttimma. Detta är också vad de existerande domkrafterna klarar av. Dock kan inte en motor som krävs för detta ändamål köras över märkmomentet längre perioder då den är förhållandevis liten och överhettas snabbt. Därför har en motor som klarar lasten kontinuerligt valts. Vidare så har en 2-polig motor som ger ett synkront varvtal på 3000 rpm valts. Detta för att motorer med låga poltal är mindre och lättare då vi vill bespara plats vid inbyggnad av motorn i pappersmaskinen. För våran lösning krävs en motor med genomgående axel och vi har valt att titta närmare på Bevis sortiment. Bevi har sådana i standardutförande med fot och i olika kapslingsklasser. (Bevi AB, 2008) (Sigbi system AB, 2008) För att visa hur hela på våran lösning ser ut har vi valt köra hela konceptet fullt ut på domkrafterna A50 och dess konfiguration. Se bilaga 2 för driftdata från Swedrive AB som tillhandahåller domkrafterna. Driften är sådan att domkrafterna skall kunna köras fullt ut vad gäller maximal belastning och varvtal. 3.2 Växel Enligt avsnitt 2 måste nedväxlingen ske i ”linje”, dvs. att inlopps- och utloppsaxlarnas förlängda centrumlinje är densamma och växlarna måste vara två till antal. Detta kan ske genom användandet av två stycken planetväxlar. Planetväxlar med en nedväxling som krävs i vårt fall finns att få i ett steg. I övrigt så ställs det krav på att växeln ska klara miljön i pappersmaskinen. Sigbi Systems AB i Sverige säljer planetväxlar från Apex Dynamics som passar för vårt ändamål. Sigbi Systems AB har också konsulterats gällande vilken miljö som växeln skall klara av, samt om prisuppgifter. (Sigbi system AB, 2008), (APEX DYNAMICS, INC., 2008) 3.3 Axel För att koppla samman de två domkrafterna med våran lösning krävs en lång axel, en s.k. parallellaxel, på samma sätt som i nuvarande lösning. I den konfiguration av domkrafter, som vi har valt att visa våran lösning på, är längden mellan ingångsaxlarna på domkrafterna ca 6 m. Dock kommer våran parallellaxel att bli något kortare då drivpaketet tar upp en del av längden. Vi har ändå valt att göra ett generellt val på en 6 m lång axel, gällande material och dimensionering. Detta i hopp om att ge ett billigare 12 alternativ för parallellaxlar, men att inte kompromissa med den prestanda som nuvarande kolfiberaxlar ger. Två kritiska element kan identifieras gällande dimensionering av sådana här långa axlar; böjsvängningar på grund av låga egenfrekvenser för axeln, samt nedböjning på grund av egentyngd. Om såhär långa axlar dimensioneras med avseende på dessa moment, kommer belastning på grund av vridmoment inte vara begränsande. Den första egenfrekvensen för böjsvängningar hos en roterande fritt upplagd axel definieras enligt (3), där de ingående variablerna definierar tvärsnitt, materialegenskaper och längd. Infästningen är egentligen någonstans mellan fast inspänd och fritt upplagd, då kopplingarna på en sådan här lång axel måste vara fjädrande för att klara av snedställningar. Detta på grund av svårigheterna att få domkrafternas ingångsaxlar helt i linje över ett sådant avstånd. Egenfrekvenserna för en fritt upplagd axel är lägre vilket ger större säkerhet i dimensioneringen. (3) Låter man geometrierna vara detsamma och enbart varierar materialegenskaperna kan man urskilja ett s.k. meritvärde som beskriver prestandan för en axel som skall motstå egenfrekvenser. Detta meritvärde definieras enligt (4). (4) Vidare så definierats utböjning på grund av egentyngd för fritt upplagd axel enligt (5). (5) Låter man på samma sätt här geometrierna vara detsamma kan man urskilja ett meritvärde som är inversen av det enligt (4). Önskas en så liten utböjning som möjligt blir meritvärdet här detsamma som i (4). Som databas för materialegenskaper och för att jämföra egenskaperna för olika material har programmet CES EduPack 2005 används. Som meritvärdet enligt (4) visar bildas en kvot mellan värdet på E-modulen och densiteten för olika material. Denna kvot skall allstå vara så stor som möjligt för bästa prestanda (Ashby, 2005) 3.4 Hållare drivpaket För att ta upp det reaktionsmoment som motorns statorhus och planetväxlarnas växelhus genererar måste någon fast punkt i pappersmaskinen kopplas samman med respektive. En lämplig sådan punkt i pappersmaskinen är ena änden på domkraften (se figur 7). Detta 13 görs även på liknande sätt i nuvarande lösning och tillåter även att samma lösning kan användas på andra ställen i pappersmaskinen där domkrafterna används, då man alltid har denna ände att fästa drivpaketet i. Figur 7. Visar lämpligt ställe att fästa hållaren till drivpaketet. Lösningen som vi har valt baseras på att två stycken fyrkantsrör byggs ut ifrån ena domkraftens ände (se figur 8). Vidare så svetsas en plåt på som dels kopplar samman fyrkantsrören i hållaren, men i huvudsak ger det oss plana ytor där motorn och planetväxlarna, samt ena domkraftens ände kan fästas. Dessa ytor kommer att planbearbetas efter svetsning. Två stycken hållare till respektive planetväxel kommer även att utformas. 14 Figur 8. Visar hållarens uppbyggnad. De ytor som planbearbetas kommer att skapa tillräckliga toleranser för att hela drivpaketets inrättning kommer att stämma överens med pappersmaskin i två plan. För att sedan kunna justera in delarna i höjdled kommer alla hålen för att fästa motorn och hållare till planetväxlar vara något större än dess tillhörande bult. Tanken med detta är att man utgår ifrån motorns placering och dess axlar i förhållande till ingående axlar på domkrafterna. Vidare så monteras planetväxlarna först på motorn och sedan skruvas dess hållare åt. Detta görs för att minimera de skiftande böjbelastningar som uppstår vid rotation på grund av vinkelfel då drivpaketets axlar inte sammanfaller i en linje. För att vidare kunna dimensionera denna hållare har diverse FEM-beräkningar utförts. Vid de första enklare beräkningarna visade det sig att spänningar och förskjutningar på grund av driftlaster och egentyngd inte kommer att vara begränsande. Istället är det otillräcklig styvhet i horisontalplanet som ger risk för böjsvängningar på grund av lågegenfrekvens. Motorn, som roterar med ett varvtal på ca 3000 rpm, kommer att ge upphov till en påtvingad svängning vid 50 Hz. Beräkningarna har utförts i Ansys 11 och beräkningsgången har skett enligt följande; Ett tvärsnitt enligt figur 9 har skapats för att motsvara tvärsnittsarean som tar upp böjsvängningar över längden på hållaren. Tvärsnitten har modelleras med balkelement över en linje (se figur 10). Balkelementet som vi har använt (BEAM188 i Ansys) är komplett i den meningen att det inkluderar 15 förskjutningar på grund av skjuvdeformation för både vrid- och transversallaster, utöver de vanliga förskjutningarna på grund av böjlaster, som i regel förknippas med balkelement. Balkelementet har också tilldelas en densitet. Linjen som används vid modellering av elementet motsvarar centrumlinjen för ingående axlar i drivpaketet och är förskjuten (funktionen ”offset”i Ansys) i förhållande till tvärsnittet. Detta för att kunna tilldela punktmassor på mitten och i änden på linjen (markeringar i figur 10). Punktmassan i mitten har ansetts kunna motsvara summan av vikten på motorn, planetväxlar och dess hållare, samt täckkåpan. Punkmassan längst ut skall motsvara halva parallellaxelns vikt (inklusive kopplingar). I övrigt så har balken ansetts fast inspänd vid domkraften och ett vridmoment som motsvarar reaktionsmomentet från motorn och planetväxlarna lagts till vid punkmassan i mitten. Figur 9. Visar tvärsnitt på hållaren. 16 Figur 10. Visar modellering av hållaren i Ansys. En mindre konvergensstudie har gjorts då vi i första steget lät balkelementens storlek i tvärsnitten vara 5 x 5 mm, samt 5 mm över längden. I sista steget var storleken 2,5 x 2,5 x 2,5 mm. Resultatet av sista steget redovisas i avsnitt 4. E-modulen är satt till 200 000 MPa, tvärkontraktionen till 0,3 och densiteten till 8 g/cm3. Samt ett accelerationsfält på 9,81 m/s2 i y-riktningen för att alla ingående massor skall påverkas av tyngdkraften. Punktmassan i mitten är satt till 39 kg och den längst ut till 17,5 kg. Reaktionsmomentet från motorn som verkar på hållaren är satt till 51,34 Nm, dvs skillnaden av det man får ut vid planetväxlarna (74,4 Nm) och det som motorn (23,06 Nm) ger vid drift. I Ansys har all indata satts i SI grundenheter. Metoden för att få ut egenfrekvenserna grundar sig på den statiska lösningen (i Ansys: Mode extraction method/Subspace) och det angavs att programmet skulle räkna ut 10 st. egenfrekvenser mellan 0 och 200 Hz. Vidare så har en täckkåpa utformas för att hindra att drivningens vitala delar skall komma i direkt kontakt med pappersmassan. Ventilations- och avrinningshål finns vid nedre långsidan på kåpan (se figur 11). 17 Figur 11. Visar del av kåpa, samt ventilations- och avrinningshål. 3.5 Kopplingar För att koppla samman ena planetväxelns utgående axel med ena domkraftens ingående axel måste en mindre axelkoppling användas. På grund av hållarens och täckkåpans utformning (redovisas i senare avsnitt 4) måste kopplingen kunna monteras radiellt, samt klara av att komma i direkt kontakt med pappersmassan. 18 4. Resultat 4.1 Motor Motorn som har valts är på 4 kW (Mn=13,24 Nm, nn=2885 rpm), tillhandahålls från Bevi och har produktnumret IPSSg 100L-2 (se bilaga 3 för specifikationer). Detta är en kortsluten 2-polig asynkronmotor. Motorn är s.k. progressiv vilket innebär att den ger lite större effekt än standard och ger en något lättare motor vid samma märkmoment. Beräkningarna baseras på att man skall kunna köra två stycken domkrafter i serien A50 fullt ut. För att driva en av dessa domkrafter krävs ett moment på 37,2 Nm (Md) vid varvtalet 400 rpm (nd), se bilaga 2 för driftdata. Beräkningsgången har gått enligt följande; (1) För att driva domkrafterna vid ca 400 rpm valdes nedväxlingen till 7 ggr (u). Enligt Swedrive AB tillkommer en verkningsgrad på 95 % ( d) när två domkrafter drivs av samma motor, samt en verkningsgrad på 97 % ( v) per växel. Lasten Ml som motorn måste driva blir då; (2) Detta ger i sin tur enligt (1) att domkrafterna kommer att drivas vid ett varvtal på ca 415 rpm och motorn kommer att utveckla ett moment på 11,53 Nm vid ca 2900 rpm. 4.2 Växel Planetväxlarna som har valts är tillverkade av Apex Dynamics och tillhandahålls av Sigbi Systems AB i Sverige. Växeln har produktnumret AE120 och klarar av radial- och driftslaster med god marginal (se bilaga 4 för specifikationer). Valet av växel har därför begränsats av vilken miljö de klarar av, samt att de ska passa med motorns axlar och kopplingarna till parallellaxeln och ena domkraften. Den del av växeln som kommer att komma i direkt kontakt med pappersmassan är tillverkad av rostfritt stål. 4.3 Axel Enligt (4) har vi låtit CES EduPack 2005 plotta en graf som visar E-modulen i förhållande till densiteten för olika aktuella material och detta visas i figur 12. Skalorna är logaritmiska och den räta linjen har lutningen 1 på grund av att man skall kunna jämföra kvoterna enligt (4). 19 Figur 12. Visar E-modulen i förhållandet till densiteten för aktuella material. Flyttar man linjen uppåt i figuren och låter den ha samma lutning tills bara några få material befinner sig ovanför linjen, kan man urskilja de material med bäst prestanda enligt meritvärdet. Av de material som är användbara urskiljer sig kolfiber (i figuren: CFRP, epoxy matrix (isotropic)) ensamt och klart som det materialet med högst kvot enligt meritvärdet. Flyttar man linjen något neråt tills dess att andra användbara material dyker upp visar det sig att magnesium-, titan- och aluminiumlegeringar, samt stållegeringar har näst bäst prestanda efter kolfibern. Skall man dra vidare slutsatser om vilket material som har näst bäst prestanda måste man kolla på vilka toleranser gällande rakhet och ovalitet man kan uppnå till en rimlig kostnad. Dessa toleranser är viktiga för egenfrekvensanalysens giltighet. En grov uppskattning har gjorts och visade att nuvarande axel skulle kunna ersättas av ett valsrör tillverkat av någon aluminiumlegering som ger snäva toleranser. Dock kvarstår att en aluminiumlegering inte klarar av miljön i pappersmaskinen varpå någon slags 20 övertäckning av axeln måste ske eller att den behandlas för att motstå påfrestningarna. Med detta i åtanke har det varit svårt att komma fram till om en annan axel, än den i kolfiber, kommer att minska kostnaderna utan att detta avsnitt skulle ha tagit för stor plats i arbetet. Resultatet av valet av parallellaxel har därför utfallit sådant att samma typ av axel kommer att användas i våran lösning, som i nuvarande. D.v.s. en kolfiberaxel som har dimensionerna 85 x 2,5 mm med kopplingar från Centa som på ena sidan skall passa planetväxelns utgående axel (32 mm) och på andra sidan passa ena domkraftens ingående axel (20 mm). Längden på axeln för våran lösning uppgår till 5561 mm mätt från kopplingarnas ändytor. 4.4 Hållare drivpaket Resultatet av FEM-beräkningarna med avseende på spänningar och förskjutningar redovisas i figur 14 respektive 15. 21 Figur 14. Visar spänningar enligt von Mises [Pa]. Figur 13. Visar förskjutningen som vektorsumman i koordinatsystemet [m]. 22 Alla resultat är i SI grundenheter och översatt till mera överskådliga enheter blir den maximala spänningen och förskjutningen i hållaren 3,4 MPa respektive 0,02 mm. Efter den statiska lösningen angavs att 10 st. egenfrekvenser skulle plockas ut mellan 0 och 200 Hz. Programmet hittade 6 st. varvid den första redovisas i figur 15. Figur 15. Visar hållarens första (lägsta) egenfrekvens. Hållarens första egenfrekvens uppgår till ca 100 Hz, vilket innebär att systemet kan motstå självsvängning från en roterande massa upp till 6000 rpm. Detta ger att våran tolkning av hållaren i Ansys ger en säkerhet mot sammanfallande frekvenser på ca 2 ggr. Anledningen till att geometrin inte syns för balken är att denna funktion inte finns i balkelementet när resultatet redovisas grafiskt. 4.6 Kopplingar Kopplingen som används i nuvarande lösning kommer ifrån RW Couplings och klarar av den påfrestande miljön. Dock kan inte kopplingen monterats radiellt. Därför har en annan koppling från samma företag valts som klarar detta, samt klarar av miljöförhållandena. Kopplingen har produktnumret EKH 60 (se bilaga 5 för specifikationer) och 23 ingångshålen måste vara 32 mm och 20 mm för att passa ena planetväxelns utgående axel respektive ena domkraftens ingående axel. 4.7 Övergripande resultat I figur 16 och 17 redovisas hela lösningen, utan respektive med täckkåpan. Hela hållarens vikt uppgår till 53 kg och drivlinans till 39 kg (motor, växlar, samt koppling mellan ena växeln och ena domkraften). Detta ger en totalvikt på 92 kg för hela våran lösning, exklusiv parallellaxeln och dess kopplingar. Materialet till hållaren är 2346 och fyrkantsrör samt plåt är baserade på Tibnor AB´s sortiment. Listpriser exklusive tillverkningskostnaderna kan ses i tabell 1. Figur 16. Visar hela lösningen med täckkåpa. 24 Figur 17. Visar hela lösningen utan täckkåpa. Tabell 1 Komponenter: Motor (IPSSg 100L-2 ) Växlar (AE120) Koppling (domkraft växlar) Antal: Styck pris: Kostnad: 1 6555 6555 2 5750 11500 1 1650 1650 Material (kåpa, fyrkantsrör, platta, planethållare, distans och bultmothåll) 3 893,40 kr Total: Material: Kåpa Platta Planethållare Fyrkantsrör Bultmothåll Distans 23 598,40 kr Längd Vikt (kg): (m) Antal (st.): 10 9 3 13 1,34 1,6 0,12 2,8 1 1 2 2 4 2 Pris(kr/kg, kr/m): kostnad: 48,50 kr 485,00 kr 48,80 kr 439,20 kr 48,50 kr 291,00 kr 827,00 kr 2 216,36 kr 93,00 kr 44,64 kr 74,50 kr 417,20 kr Material total: 3 893,40 kr 25 5. Utvärdering Hela lösningen baseras på valet avsnitt 2. Avsnittet gav oss ett koncept att följa, men samtidigt en bild av olika aktuella leverantörer. Idén med att ha en motor med genomgående axel reducerade antalet motorleverantörer kraftigt. Detta är i och för sig något som de flesta kan leverera genom ombyggnad men ingår inte i bassortimentet. Bevi AB, som vi valde, hade detta med färdiga specifikationer (se bilaga 3) för varje motorstorlek, till skillnad från andra. Detta var också till stor hjälp då vi vid detta tillfälle inte hade bestämt vilken domkraftskonfiguration som vi skulle visa våran lösning på. Motorvalet har tagit en ganska stor del i arbetet då detta definierar lösningen till stor del. Vidare har växel valts för att passa motorn och den nedväxlingen vi behöver. Planetväxlarna från Apex Dynamics klarar av laster och miljöförhållandena utan problem. Dock har ingen större marknadsutvärdering gjorts på växeln och övriga komponenter. Detta för att motorvalet gemensamt med konceptvalet tog såpass stor plats. För att ta upp reaktionsmomentet från motorn krävs någon slags sammankoppling mellan motorhus och någon fast punkt. Från början ville vi göra detta med hjälp av flänsar mellan motor, växel och domkraft för att spara plats. Det visades dock svårt att realisera detta och det märktes att arbetet med att kolla upp detta föra alla domkraftskonfigurationer skulle bli omfattande. Därför valdes en lösning där motorn har fot och inga flänsfästen, samt utformade hållare till växlarna. Denna lösning är lättare att realisera för olika domkraftskonfigurationer då hela hållaren till drivpaketet är samma från fall till fall, med enbart några modifikationer för att anpassas till större motorer och annan nedväxling. Hållaren baseras på två stycken fyrkantsrör och det dimensionerande visade sig vara hur väl den klarar av böjsvängningar (se avsnitt 4). Spänningar och utböjning på grund av laster och egenvikt har liten betydelse när väl fyrkantsrören är dimensionerade mot sammanfallande frekvenser. Dock drog detta upp dimensionerna för drivpaketet större än förväntat. Vi tycker att denna lösning uppfyller de uppsatta målen; gällande att drivpaketet kan monteras som en modul och att drivningen nu ligger ”inne”i pappersmaskinen maskinen. Vi ser framför oss att hela hållaren med drivpaket är färdigmonterad och levereras till kund tillsammans med en parallellaxel. Dock har det känts svårt att värdera lösningen gentemot nuvarande. Våran lösning kommer att bli dyrare och det är svårt för oss att säga om denna lösning, i form av modul och att driften sitter på annan plats, väger upp detta. Dock har vi hela tiden försökt verifiera lösningen hos handledare på Metso Paper och på skolan, och inte fått någon större negativ kritik. 26 6. Tackord Vi vill härmed tacka Metso Paper och våra handledare för ett trevligt bemötande samt för ett givande examensarbete. Arbetet har passat mycket väl med tanke på våran utbildning och erfarenhet men det har också lärt oss nya saker och givit oss en inblick och erfarenhet i konstruktionsarbetet. 27 7. Referenslista Ahsberg, K. (den 24 04 2008). Metso Paper. Hämtat från Om Metso Paper i Karlstad: ttp://karlstad.metsopaper.com/ den 24 04 2008 Andersson, S., Tisell, C., & Folkeson, A. (2002). Maskinelement, Maskindynamik 3.2.1. APEX DYNAMICS, INC. (den 22 05 2008). http://www.apexdyna.com/index_Eng.asp. Hämtat från APEX DYNAMICS, INC. den 25 05 2008 Ashby, M. (2005). Materials Selection in Mechanical Design Third Edition. ButterworthHeinemann. Bevi AB. (den 14 05 2008). www.bevi.se. Hämtat från Bevid Online. den 15 05 2008 Björk, K. (2001). Formler och Tabeller för Mekaniska Konstruktioner. Märsta: Karl Björk Förlag HB. Johansson, H., Persson, J.-G., & Pettersson, D. (2004). Produktutveckling - effektiva metoder för konstruktion och design. Stockholm: Liber. Olsson, K.-O. (2006). Mekaniksa Element. Stockholm: Liber. Sigbi system AB. (den 22 5 2008). www.sigbi.se. Hämtat från Sigbi system AB. den 22 05 2008 Sundström, B. (1999). Handbok och formelsamling i Hållfasthetslära. Södertälje: Instutionen för hållfastlära KTH. 28 Bilaga 1 Examensarbete Integrerad parallellaxeldrift Bakgrund I pappersmaskiner bärs pappersbanan fram på filtar eller viror. För att säkerställa en en god sträckning av filtar och viror finns en sträck anorndning i varje loop som ger en viss vira eller filtspänning. Sträckanordningen är uppbyggd av skruvdomkrafter, parallelaxel och en elmotor med vinkelväxel som driver paketet. I vissa fall kan inbyggnaden av motor och växel vara problem att få till rent platsmässigt varför en annan lösning kan vara att föredra. Motorn är elektrisk och måste skyddas mot fiber/vattensprut. Genom att slå ihop funktioner kan en mindre platskrävande lösning erhållas där motorn är skyddad och utrymmesbehovet är reducerat. Uppgift Att ta fram ett förslag på integrerad lösning av Parallelaxel och motor som kan monteras som en modul. Omfattning I denna uppgift kan ingå. • Hållfasthetsberäkningar av den nya axels alla delar inklusive dynamiska beräkningar • Finna lämplig växel och el-motor för applikationen • Dimensionering växel och el-motor för applikationen Arbetet skall leda till specifikation på de ingående delarna i modulen vad avser material och prestanda för de vanligast förekommande sträckarna. Arbetet skall sammanfattas I en rapport. Om tiden medger kan modulen/modulerna ritas upp I Catia och VPM eller annat system. Kontaktperson Arbetet är lämpligt för 1-2 studenter under 15 veckor. Handledare på Metso är Kennet Andersson och Rune Skogsberg. Kontaktpersoner på Metso är: Kennet Andersson 054-171564 Rune Skogsberg 054-171088 Bilaga 2 30 Bilaga 3 31 32 Bilaga 4 33 34 Bilaga 5 35 Bilaga 6 Ritningar • Sammanställning • Del sammanställning • Hållare drivpaket • Planethållare • Kåpa • Kåpa svetsning bockning • Distans • Bultmothål 36 37 38 39 40 41 42 43 44
© Copyright 2024