Förbättrad vakuumtätning mot kabeln under
Förbättrad vakuumtätning mot kabeln under plastextruderingsprocessen Improved vacuum seel to the cable during the plastic extrusion process Malin Fredriksson Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Examensarbete för högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik 22,5 hp Handledare: Mikael Åsberg Examinator:Nils Hallbäck 2015-06-11 Karlstads Universitet 1 Sammanfattning Detta examensarbete handlar att ta fram en konstruktion som ger förbättrad vakuumtätning mellan ett blyöverdag och ett plastöverdrag på kabel under plastextruderingsprocessen. Denna rapport är en del av kursen MSGC17 för högskoleingenjörer i maskinteknik. Arbetet utförs på Nexans Norway AS i Halden. Där de har en produktion av högspänningskablar för hav-‐, mark-‐ och offshoreindustri. Ett problem de hade var att de inte fick tillräckligt bra tätning vid infästningen till plastextruderingsmaskinen. De vill åstadkomma ett vakuum mellan ett blyöverdrag på kabeln och ett plastöverdrag kabeln får vid plastextruderingen vilket de inte uppnår idag. Arbetet handlar alltså om att komma fram till en konstruktion som ger bättre tätning mot kabeln. Arbetet innefattar ett konstruktionsarbete med faser som ingår i en produktutvecklingsprocess. Faserna som ingår är: projektplanering, förstudie, produktspecifikation, konceptgenerering, utvärdering/konceptval, Layout/konstruktion, detaljkonstruktion, slutkonstruktion och materialval. Konstruktionsarbetet har delvis utförts CAD-‐programmet Creo Parametrics 2.0. Konceptgenerering har framkommit mestadels genom att studera processen ute i fabrik för att komma fram till möjliga koncept som skulle kunna appliceras i de tre nuvarande extruderingsmaskinerna. För att välja materialet som i konstruktion ska vara i kontakt med kabeln har materialvalet följt Ashbys metod och utförts med hjälp av materialvalsprogrammet CES-‐edupack. Resultatet av arbetet blev en tätning bestående av två axialtätningar och två tunna skivor i stål där en gummipackning i materialet polyuretan är fastklämd. På ena sidan av de tunna stålskivorna sitter styrstöd för att centrera kabeln.. Hela konstruktionen kläms sedan fast mellan två stålskivor som redan finns i infästningen till extruderingsmaskinen. Slutsatsen som kan dras om arbete är att konstruktionen uppfyller de krav och önskemål som satts av uppdragsgivaren och att det är en lämplig lösning på problemet. Det som återstår är att tillverka en prototyp för provning och utvärdering. Samt en eventuell mer noggrann dimensionering av konstruktionen. 2 Abstract This thesis is about developing a design that provides improved vacuum seal between a lead coating and a plastic coating during plastic extrusion processes of cables. This report is a part of the course MSGC 17 for Bachelor Engineers in mechanical engineering. The work is performed at Nexans Norway AS in Halden where they have a production of high voltage cables for sea-‐, and offshore industry. A problem they face is that they do not get enough good seal at the attachment to the plastic extrusion machine. They want to achieve a vacuum between a lead coating on the cable and a plastic coating of the cable for plastic extrusion, which is something they do not achieve today. The thesis is thus to come up with a design that provides better sealing against the cable. The work involves a construction part with the phases of product development processes. The phases include: project planning, feasibility study, product specification, concept generation, evaluation/plan selection, Layout/design, detail design, final design and choice of materials. The construction work has been carried out with CAD application Creo Parametrics 2.0. Concept generation has mainly been done through studying the process out in the factory in order to come up with possible concepts that could be applied in the three current extrusion machines. To select the material for the construction, which is in contact with the cabel, a material selection process has been applied using the Ashby’s method and carried out with the assistance of CES edupack materials selection program. The result of the work became a seal, consisting of two axial seals and two thin slices of steel where a rubber gasket in material polyurethane is clamped. On one side of the thin steel discs is guide support to center the cable. The whole design is later forced together between two steel plates that is already present in the attachment to the extrusion machine. The conclusion that can be drawn about the work is that the design complies with the requirements set by the client and that its an appropriate solution to the problem. What remains is to produce a prototype for testing and evaluation. As well as a possible more accurate sizing of the construction. 3 Innehållsförteckning Sammanfattning ................................................................................................................................................. 2 Abstract ................................................................................................................................................................. 3 1. Inledning .......................................................................................................................................................... 6 1.1 Bakgrund ................................................................................................................................................................... 6 1.2 Problemformulering .............................................................................................................................................. 6 1.3 Syfte ............................................................................................................................................................................. 6 1.4 Målsättning ............................................................................................................................................................... 6 1.5 Avgränsningar ......................................................................................................................................................... 6 2. Genomförande ............................................................................................................................................... 7 2.1 Förstudie .................................................................................................................................................................... 7 2.1.1 Tätning ....................................................................................................................................................................................... 7 2.1.2 Vakuumtätning ....................................................................................................................................................................... 7 2.1.3 Plastextruderingsprocess .................................................................................................................................................. 7 2.1.4 Kabelns uppbyggnad ............................................................................................................................................................ 8 2.1.5 Friktion ...................................................................................................................................................................................... 9 2.2 Problemspecifikation ............................................................................................................................................ 9 2.3 Kravspecifikation ................................................................................................................................................... 9 2.4 Materialval ................................................................................................................................................................ 9 2.5 Konceptgenerering ............................................................................................................................................. 10 2.6 Konceptval ............................................................................................................................................................. 10 2.7 Layout/detaljkonstruktion .............................................................................................................................. 10 2.8 Beräkningar ........................................................................................................................................................... 10 3. Resultat .......................................................................................................................................................... 11 3.1 Projektplanering .................................................................................................................................................. 11 3.2 Förstudie ................................................................................................................................................................. 11 3.2.1 Materialegenskaper ........................................................................................................................................................... 11 3.3 Materialvalsprocess ............................................................................................................................................ 12 3.3.1 Problemformulering ......................................................................................................................................................... 12 3.3.2 Meritvärde ............................................................................................................................................................................. 12 3.3.3 Sållning .................................................................................................................................................................................... 12 3.3.4 Rangordning ......................................................................................................................................................................... 12 3.3.5 Information om det bästa materialet ......................................................................................................................... 14 3.3.6 Tillverkningsmetod ........................................................................................................................................................... 14 3.4 Konceptgenerering ............................................................................................................................................. 14 3.4.1 Koncept 1 ............................................................................................................................................................................... 14 3.4.2 Koncept 2 ............................................................................................................................................................................... 15 3.4.3 Koncept 3 ............................................................................................................................................................................... 15 3.5 Konceptval ............................................................................................................................................................. 16 3.6 Slutkonstruktion .................................................................................................................................................. 17 3.7 Beräkningar ........................................................................................................................................................... 18 4. Diskussion ..................................................................................................................................................... 19 5. Slutsats ........................................................................................................................................................... 21 6. Tackord .......................................................................................................................................................... 22 Referenslista ..................................................................................................................................................... 23 4 Bilaga 1 ................................................................................................................................................................ 24 Bilaga 2 ................................................................................................................................................................ 25 Bilaga 3 ................................................................................................................................................................ 26 Bilaga 4 ................................................................................................................................................................ 27 Bilaga 5 ................................................................................................................................................................ 28 Bilaga 6 ................................................................................................................................................................ 29 Bilaga 7 ................................................................................................................................................................ 30 5 1. Inledning Detta projekt handlar om att försöka få förbättrad vakuumtätning mot kabeln under en plastextruderingsprocess. Projektet utförs på uppdrag av Helge Hovland på Nexans Norway AS i Halden som ingår i kursen Examensarbete för högskoleingenjörer i maskinteknik, MSGC 17 som ges vi fakulteten för hälsa, natur-‐ och teknikvetenskap vid Karlstads universitet. Kursen motsvarar 22,5 hp och pågår under vårterminen 2015. Handledare för projektet är Mikael Åsberg vid Karlstads universitet och vid företaget Nexans Norway AS är Glenn André Östbye handledare. Examinator är Nils Hallbäck. 1.1 Bakgrund Nexans Norway AS är ett företag som är världsledande inom högspänningskablar och även den ledande leverantören av kraft-‐ och telekablar i Norge. Företaget är en del av den franska koncernen Nexans Group. I Halden som ligger i södra Norge arbetar idag cirka 900 anställda och där utvecklas, tillverkas och marknadsförs hav-‐, mark-‐ och offshorekablar för kraft och telekommunikationsöverföring. Nexans har en typ av produktion som ständigt kräver förändringar och förbättringar av produktionsutrustning, eftersom mestadels av deras leveransprojekt av kablar är specifikt utformade efter kundernas behov. Det uppkommer därför ständigt nya uppgifter så som att lösa tekniska problem som identifierats under dels under förberedelserna för produktionen och under produktionen. Ett problem som Nexans har är att de inte får tillräckligt bra vakuumtätning mellan ett bly och ett av plastskikten i deras kablar. Själva problemet bygger på att infästningen till plastextruderingsmaskinen inte klarar av belastningen som kabeln utsätter den för utan den spricker och på så sätt blir inte vakuumtätningen optimal. Kabeln belastar inte den nuvarande packningen lika hela tiden utan kan komma snett in i infästningen. Den nuvarande packning fungerar endast när kabeln är centrerad till mitten av packningen. Uppdragsgivaren Nexans vill ha ett konstruktionsförslag och ett materialval på konstruktionen som gör att den klarar av tio dagars konstant produktion. 1.2 Problemformulering Hitta en konstruktionslösning med rätt material som ger bättre vakuumtätning under plastextruderingsprocessen och som klarar av tio dagars konstant produktion. 1.3 Syfte Syftet med examensarbetet är att få bättre vakuumtätning mot kabel vid plastextruderingsprocessen. 1.4 Målsättning Målet är att konstruera och hitta rätt material för en tätningslösning som gör att infästningen till plastextruderingsmaskinen klarar av tio dagars produktion. 1.5 Avgränsningar Ett kostnadsförslag för en färdig produkt kommer inte tas med i detta arbete, då tillverkningen kommer ske efter tidsramarna för detta examensarbete. Konstruktionsförslaget med dess materialval ska vara till grund för en kommande prototyp som ska användas för vidare detaljutveckling där toleranser och passning kan komma att behöva justeras för att passa in i nuvarande extruderingsmaskiner. 2. Genomförande Detta examensarbete utförs enligt de faser som ingår i en produktutvecklingsprocess. De faser som ingår i denna process är: förstudie, produktspecifikation, konceptgenerering, utvärdering/konceptval, detaljkonstruktion, slutkonstruktion och materialval (Johannesson et al. 2013). Examensarbetet inleddes med att en projektplan innehållande: bakgrund, syfte, mål, problemformulering, preliminära avgränsningar samt en preliminär tidsplan (Johannesson et al. 2013). (Projektplanen lämnades in till examinatorn vid Karlstad Universitet som sedan godkände projektplanen). Förstudien till projektet har bestått av informationssökning om de ingående processerna tätning, vakuumtätning och plastextrudering samt att få en förståelse för hur en kabel är uppbyggd. Koncepten utvecklades på plats hos företaget där idéerna kom och som sedan utvärderades med handledare på företaget. Materialet i konstruktion är av stor betydelse för den framtida konstruktionen. Det gäller att komma fram till ett material som klarar av tio dagars produktion och som inte skadar blyöverdraget på kabeln. Materialvalet kommer att utföras med materialvalsprogrammet CES-‐Edupack (Michael F. Ashby, 2011). 2.1 Förstudie För att få en inblick i problemet så utfördes en noggrann undersökning av de ingående processerna. Processerna vakuumtätning och plastextruderingsprocessen studerades ute i produktionen hos Nexas där handledaren förklarade hur de gick till. Information om hur en kabel är uppbyggt studerades genom internetsökning och förklaring av handledaren på företaget. Information om olika typer av tätningar undersöktes. Det mest givande sättet att få information om problemet var att intervjua de operatörer som jobbar vid processen och en processingenjör som har stor inblick i flertalet processer som en kabel går igenom. Friktion är en viktig egenskap att ta reda på för att se om ett material kommer att tåla den nötning som kan uppstå. Detta är något som har studerat via internetsökning. 2.1.1 Tätning En tätning används för att förhindra att ett medium läcker ut från ett utrymme till ett annat. I det aktuella fallet är mediet en gas i form av luft. Det finns en rad olika sorters tätningar på marknaden. En indelning är att skilja på fasta och rörliga tätningar eller radial-‐ och axialtätningar Skillnaden mellan radialtätningar och axialtätningar är att radialtäningar kan roteras medan axialtätningar kan röra sid upp, ner och i sidled. En annan typ av tätning är berörande tätning som användas vid direktkontakt mellan två olika material. Elastomertätning är ett exempel på en berörande tätning (Maskinelement 2006). 2.1.2 Vakuumtätning Vakuumtätning innebär att luft ska uteslutas så att det blir ett lufttomt rum utan partiklar. Hos företaget Nexans används två vakuumpumpar med ett tryck på 1 bar för att bilda ett vakuum mellan blykappan som kabeln får i processen före plastextruderingsprocessen och den plast som extruderas på kabeln i plastextruderingsprocessen. Anledningen till varför ett vakuum vill åstadkommas är enligt Östbye1 att det inte får komma in partiklar eller bildas luftfickor mellan blyet och plasten. I dessa luftfickor kan det samlas vatten vilket det inte får göra då de flesta av kablarna ska användas i havsmiljö. Vatten och el i kombination vill undvikas. I en kabel vill även ovalitet undvikas. Vakuumtätningsprocessen gör så att kabeln centreras. 2.1.3 Plastextruderingsprocess Vid plastextrudringsproccesen åker kabeln in genom plastextruderingsmaskinen där en smältplast med en temperatur som enligt Ösbye1 ligger på 200 °C träs på kabeln som sedan åker genom en hålprofil för att få sin rätta tjocklek (Jarfors et al. 2010). Vid Nexans i Halden finns tre olika storlekar på plastextruderingsmaskiner med olika typer av hålprofiler som byts ut beroende på vilken storlek på kabel som ska produceras. 1 Glenn André Östbye processingenjör Nexans, intervju den 2015-‐02-‐04 7 2.1.4 Kabelns uppbyggnad Det finns mängder med olika sorters kablar. En kabel kan vara uppbygg på en rad olika sätt beroende på dess ändamål. Nexans utformar sina kablar efter kundernas specifika behov. I Halden tillverkas tre olika typer av kablar och det är PEX-‐, Umbilical-‐ och papperskablar. PEX-‐ och Umbilicalkablar står för den största delen av deras produktion. Papperskablar tillverkas inte i lika stor grad men de håller på att utvecklas för att kunna användas i större utsträckning. PEX-‐kablar är betydligt mindre tålig kabel när det handlar om svåra miljöer där den utsätts för högt tryck än en Umbilical kabel. En PEX-‐kabel är en vattentät kabel som används i luft, mark och vatten där djupet inte är så stort och klarar av att leverera 500 kV växelström (Nexans, 2015a). En Umbilicalkabel är en betydligt mer tålig kabel som klarar av att placeras i djupvatten där höga tryck uppstår, dock har den inte samma strömöverföringskapacitet som PEX-‐kabeln. Den klarar att leverera 36 kV(Nexans, 2015b). I figur 1 ses en mindre PEX-‐kabel (Nexans 2015c). Dess uppbyggnad består av en massa olika lager i olika material som växer för varje process som kabeln går igenom. Längst in är en tvinnad kopparledare. Följt av ett svällförband och ett plastlager. Sedan det gråvita lagret är ett PEX-‐ isolerande skikt. Efter det följer koppartrådar med skyddande plast på och ett svällband som ska motstå vatten om det mot förmodan skulle tränga in. Sedan följer en yttermantel i koppar som är till för provning. Efter det får kabeln ett överdrag med asfalt innan den går vidare till blyextruderingen och få en kappa av bly. Den sista processen kabeln går igenom är en plasextruderingsprocess. Vissa PEX-‐kablar har även fiberoptik inbyggda kring de innersta lagren som är till för telekommunikationsöverföring. Figur 1. En PEX-‐kabel från Nexans med dess uppbyggnad En Umbilicalkabel kan vara utformad på massor av olika sätt, i figur 2 ses några olika typer av Umbilicalkablar som tillverkas på Nexans (Nexans 2015d). Som ses i figur 2 består dessa kablar består av en mängd mindre kablar för olika typer av överföring så som ström-‐ och signalöverföring. Umbilicalkablar besår av mängder med olika fiberkablar omringade av rör i rostfritt stål för telekomunikationsöverföring. Även denna kabel är uppbyggt i olika lager som växer för varje process. 8 Figur 2. Olika typer av Umbilicalkablar som tillverkas på Nexans 2.1.5 Friktion Friktion är en viktig faktor för att veta om materialet kommer klara de påfrestningar som det utsätts eller inte. Det är inte en materialegenskap utan ett motstånd mot glidning mellan två kroppar i detta fall bly och polyuretan. Olika material i kontakt med varandra har olika friktionskoefficienter, metall mot gummi har friktionskoefficient μk=0,3 vid glidning och stål mot stål har friktionskoefficienten μk=0,03-‐0,25 medan gummi mot asfalt har friktionskoefficienten μk=0,5-‐0,8 (Miun, 2015). 2.2 Problemspecifikation Projektet började med ett möte med uppdragsgivaren Nexans Norway AS där processansvarig Glenn Östbye och utvecklingsansvarig Helge Hovland gav en bra bild av vad problemet och vilket mål som fanns med projektet. Mötet resulterade i en tydlig bild av problemet och en bra bild över de krav och önskemål som den nya konstruktionen ska ha. 2.3 Kravspecifikation Kravspecifikationen innehåller funktionella-‐ och icke-‐funktionella krav som ställs på konstruktionen. Kravspecifikationen togs fram i diskussion med uppdragsgivaren Nexans och för att identifiera dessa krav intervjuades processansvarig. Nedan följer de funktionella-‐ och de icke-‐funktionella kraven som satts upp. Funktionella krav • Ska klara av 10 dagars konstant produktion • Enkel att montera i infästningen till den nuvarande plastextruderingsmaskinen • Ska vara flexibel att den kan röra sig i den riktning som kabeln kommer in i infästningen • Konstruktion ska klara av de monteringskrav som ges av Nexans Icke-‐funktionella krav • Konstruktionen ska vara så enkel som möjligt • Konstruktionen ska ritas upp i CAD så att konstruktionen enkelt kan anpassas till olika storlekar 2.4 Materialval Materialval för konstruktionen av infästningen till extruderingsmaskinen utfördes med Ashbys metod (Ashby, 2011) för att identifiera möjliga material att tillverka konstruktionen av. Utifrån den metoden 9 framkom olika materialförslag. För att komma fram till det absolut bästa materialvalet sållades materialförslagen utifrån olika egenskaper och faktorer som är viktig för materialvalet. Detta gjordes med hjälp av dataprogrammet CES-‐Edupack (Michael F. Ashby, 2011). De mekaniska egenskaperna som studeras hos materialen är densitet, elasticitetsmodul, sträckgräns och även pris. Dessa egenskaper är intressanta då konstruktionen inte får ha för hög styvhet eller stora deformationer vid användning .Priset är också av betydelse då den färdiga tätningen är tänkt att bytas ut efter tio dagars produktion. Det kommer krävas ett elastiskt material som klarar av friktionen mellan bly och det tänkta materialet för konstruktionen. Kriterier som materialen bör uppfylla är: • • • • • Hög hållfasthet Motstå utmattning Låg styvhet Klara friktionen som uppstår i kontakten med bly Får ge repor på blyöverdraget För att sålla bort material som passar mindre bra för konstruktionen så gjordes en rangordningen av de bästa material som baserades på de viktigaste egenskaperna hos materialen utifrån de kriterier som var satta. Rangordningen ordnades i en numrerad tabell. 2.5 Konceptgenerering Konceptgenereringen framkom genom att studera processen ute i produktionen. Genom att se vilka problem som fanns i nuvarande process uppkom förslag på olika koncept som skulle kunna fungera för processen. Efter att ha specificerat de krav som konstruktionen och dess material behöver uppfylla gjordes konceptgenereringen utifrån dessa med hjälp av brainstorming. För att spara tid så skissades de olika koncepten upp med papper och penna och diskuterades med anställda på företaget för att sedan modelleras i CAD. 2.6 Konceptval Efter konceptgenereringen som genererade i tre möjliga konstruktionslösningar var det dags att välja det bästa konceptet. För att göra detta gjordes först en tabell som beskriver för-‐ och nackdelar för de tre olika koncepten. Det räckte inte med för att ta det slutliga beslutet om vilket koncept som är lämpligast, så för att slutligen besluta om vilket koncept som kommer att fungera bästa användes en relativ elimineringsmatris där koncepten som inte uppfyller kraven sorteras bort. 2.7 Layout/detaljkonstruktion Det bästa koncept modellerades i CAD-‐programmet PTC Creo Parametic. Måtten på konstruktionen är ritade efter uppmätta mått på infästningen på de tre olika extruderingsmaskinerna som Nexans har i sin produktion. Skulle det fela något i måtten så är det bara att gå in och ändra i CAD-‐modellen. Ritningar för de olika delarna har gjorts och även en sammanställningsritning. 2.8 Beräkningar Hållfastighetsberäkningar har utförts för att veta om konstruktionen för koncept numrerat som två kommer att hålla. Till dessa beräkningar har boken (Karl. Björk, 2013). Hållfasthetsdata och materialdata har hämtats från programmet CES-‐Edupack (Michael F. Ashby, 2011). 10 3. Resultat 3.1 Projektplanering I början av projektet utformades en projektplan, se bilaga 1. Detta för att få en bra blick över projektet. Det delades även upp i olika faser. Projektet brösts ner i en WBS, se bilaga 2 och gantt-‐schema upprättades där tidsåtgången för de olika faserna i projektet uppskattades. Gant-‐schemat ses i bilaga 3. Kontaktuppgifter och roller för de ingående personerna i projektet finns bifogade i bilaga 4. Dokumenthanteringen för projektet lagras lokalt på egen dator. Säkerhetskopiering av dokument sker via Google-‐drive, där dokument kan kommas ut från olika arbetsstationen där det finns internetnätverk tillgängliga. Säkerhetskopigeringen utförs dagligen, de dagar som dokumentationen sker. Detta för att det hela tiden ska finns den senaste versionen tillgänglig. En riskanalys upprättades för projektet för att se vilka eventuella risker och hur stor sannolikheten är för att de ska inträffa samt åtgärder som krävs för att de ska minimeras, se bilaga 5. 3.2 Förstudie Vid förstudien som bestod av litteraturstudier, diverse internetsökningar, intervjuer av arbetarna vid processen samt eget studerande ute vid processen framkom att konstruktionen måste kunna följa kabelns rörelse. Den måste kunna vara rörlig eller vara töjbar utan att deformeras plastiskt. 3.2.1 Materialegenskaper För att bestämma vilket material som skulle ha kontakt med blyöverdraget på kabeln undersöktes olika material och dess egenskaper. I detta arbete är det polymerer som är av intresse och undersökts noggrant. Det behövs ett material med hög duktilitet och låg styvhet som gör att inte blyöverdraget repas. Eftersom det behöver vara ett mjukt och rörligt material så var elastomerna aktuella. Elastomerer är lättrörliga polymerer som har egenskapen att kunna töjas ut mycket utan att materialet brister och går sönder. Eftersom när de töjs ut återfår sin ursprungliga form när belastningen upphör. Gummi är ett bra exempel på en elastomer. En elstomer är uppbyggd av kedjeformiga molekyler med tvärbindninar, se figur 3. Figur 3. Molekylstruktur för en typisk elastomer. 11 3.3 Materialvalsprocess Materialvalet sker för utformningen av den konstruktionsdel som kommer komma i kontakt med blytöverdraget som kabeln har innan den kommer in i plastextruderingsmaskinen. Materialvalsprocessen följer den process som är beskriven i boken ”Materials Selection in Mechanical Design” (Michael F. Ashby, 2011). 3.3.1 Problemformulering Funktion: Materialet ska vara töjbart och användas som tätning mot kabeln innan plastextruderingsprocessen. Mål: Minimera vikten. Restriktioner: Ska tåla: friktionen som uppstår mellan blyt och det valda materialet, tåla värme upp till 40°C. Ska ha låg styvhet och goda hållfastighetsegensper. Målfunktion: m=B*L*T*δ Där B=bredd, L=längd, T=tjocklek och δ=densitet Fria variabler: Material och tjocklek (T) 3.3.2 Meritvärde Styvhet: S = C1 * EL L3 Meritvärde 1: M 1 = 12 S δ * BL2 * 1 / 3 C1 * B E Maximerat meritvärde: M 1,max = Hållfasthet: τ f = E1/ 3 δ M *Z L Maximerat meritvärde: M 2,max τ 1f / 2 = δ 3.3.3 Sållning LogM 2 = LogM1 + LogC För att bestämma kopplingskonstanten C behövs meritvärdena M1 och M2. Utifrån restriktionerna som angetts och dessa värden på M1, M2 och C kan lämpliga material fås med hjälp av materialvalsprogrammet CES-‐Edupack (Michael F, Ashby, 2011). 3.3.4 Rangordning Det material som CES-‐Edupack, (figur 4) gav som lämpliga material var följande, se Tabell 1. 12 Figur 4. Materialen som CES-‐edupack gav som lämpliga material. Tabell 1. Bästa materialen enligt CES-‐edupack med viktiga egenskaper Material Sträckgräns (MPa) Butyl rubber 2-‐3 Silicone elastomers 2,4–5,5 Carbon black reinforced styrene 16-‐23 butadiene rubber Ethylene vinyl acetate 12-‐18 Natural rubber 20-‐30 Polychloroprene 3,4-‐24 Polyurethane 25-‐51 Polyisoprene rubber 20-‐25 Töjning (%) 400-‐500 80-‐300 320-‐550 730-‐770 500-‐800 100-‐800 380-‐720 500-‐550 De två viktigaste egenskaperna som materialet är att det ska hög sträckgräns och stor töjning, där av sätts sträckgräns på y-‐axeln och töjningen på x-‐axeln i materialvalsprogrammet. Den absolut viktigaste egenskapen av dessa är att ha hög sträckgräns. Rangordningen utfördes efter dessa två kriterier eftersom det var krav på att materialet måste ha hög sträckgräns för att tåla de belastningar som uppstår utan att deformeras och vara elastiskt så att det kan anpassa sig efter hur kabeln rör sig. Rangordningen ses i tabell 2. Tabell 2. Rangordningen för de bästa materialen som uppfyller kraven bäst. Ranking Material 1 Polyurethane 2 Natural rubber 3 Polyisoprene rubber 4 Ethylene vinyl acetate 5 Carbon black reinforced styrene butadiene rubber 6 Polychloroprene 7 Silicone elastomers 8 Butyl rubber 13 Utifrån rangordningen ses att polyuretan är det lämpligast materialet att ha mot kabeln. Friktion som uppstår mellan bly och polyuretan är något som skulle behövas mätas för att se om materialet kommer att hålla. Det är något som inte varit möjligt att göra. Gummi i kontakt med bly har friktionskoefficienten μk=0,3 vilket är ett värde som är betydligt mindre än om man jämför gummi mot asfalt som har friktionskoefficienten μk=0,5-‐0,8 vilket är det som däck på en bil får utstå. Jämför man stål mot stål så är friktionskoefficienten mellan 0,03-‐0,25 vilket är lägre än för metall mot gummi. Ett antagande är ändå att polyuretan kommer klara den friktion som uppstår mot bly. 3.3.5 Information om det bästa materialet Polyuretan är det lämpligaste materialet för konstruktionen. I tabell 3 ses några betydande egenskaper för materialet. Tabell 3. Materialdata för polyuretan E-‐modul Sträckgräns Brottgräns (GPa) (MPa) (MPa) 0,002-‐0,03 25-‐51 25-‐51 Töjning (%) Min.temp. (⁰C) Max. temp. (⁰C) Pris (kr) Densite t (kg/m3) 380-‐720 -‐73,2-‐ -‐23,2 66,9-‐89,9 38,2-‐41,9 1135 3.3.6 Tillverkningsmetod Tillverkningsmetoderna för elastomeren polyuretan är vanligtvis formgjutning, strängsprutningen, formsprutning eller rotationsgjutning (Carpenter 2002). 3.4 Konceptgenerering Konceptgenereringen bestod av att ta fram olika tänkbara lösningar, vilket gjordes genom först skiss och sedan i CAD. Tre olika koncept togs fram. Det tre olika koncepten beskrivs mer noggrant nedan. 3.4.1 Koncept 1 Koncept 1 visas i figur 5 Figur 5. Koncept 1 bestående av en Det första konceptet är en specialformad gummitätning som kläms fast mellan två stålskivor som sitter i extruderingsmaskinen. Kabeln kommer in från höger och in i den hålformade cylinder där hålets storlek är utformat efter tjockleken på kabeln. Detta koncept har samma material för hela konstruktionen och ska bestå av en elastomer med bra töjningsförmåga för att kunna följa kabelns rörelse. 14 3.4.2 Koncept 2 Koncept 2 visas i figur 6. Figur 6. Koncept 2 Det andra konceptet är också en specialformad gummitätning. Den är utformad som en kon med en kant som kläms fast mellan de två stålskivorna i infästningen till extruderingsmaskien. Kabeln kommer in från höger i den stora öppningen som är betydligt mycket större än kabelns tjocklek. Längst i på konen är diametern något mindre än kabeln, detta för att ge så bra tätning som möjligt. Precis som för koncept 1 är materialet för hela konstruktionen. Även här är det tänkt att materialet ka vara så elastiskt att de ska kunna töjas ut och rätta sig efter kabeln. 3.4.3 Koncept 3 Koncept 3 visas i figur 7. 15 Figur 7. Koncept 3 bestående av axialtätningar med gummitätning längts in mot kabeln. Det tredje konceptet skiljer sig från de två andra koncepten genom att det är en helt annan konstruktion som inte enbart består av en elastomer. Denna konstruktion består av fyra axialtätningar som kan röra sig i sidled. Det är två axialtätningar på varje sida mellan stålskivan i mitten som har två kanter som stopp så att dessa enbart kan röra sig inom ett visst område. På stålskivan i mitten är en elastomerpackning fastklämd. Denna packning ska göra tätningen optimal mot kabeln så ingen luft kommer in och förstör vakuumprocessen. På ena sida av stålskivan sitter styrstöd som gör att kabeln centreras genom infästningen. Det är de som gör att axialtätningarna rör sig när kabeln kommer in snett in till extruderingsmaskinen. De fyra axialpackningarna och de två tunna stålskivorna med gummipackning i mellan fästs mellan de två stålskivorna som finns på den nuvarande extruderingsmaskinen. 3.5 Konceptval Vid valet av koncept jämfördes för-‐ och nackdelar med de tre koncepten. I tabell 4 ses för-‐ och nackdelar med koncepten. Tabell 4. För-‐ och nackdelar för de tre koncepten. Koncept Fördelar 1 • Enkel att montera och byta ut • Enkel tillverkning • Billig att tillverka 2 3 • • • • • • • Enkel att montera och byta ut Elastisk och kan anpassa sig bra efter kabeln Hållbar och följsam Följsam konstruktion som följer kabeln på ett bra sätt. Enkel att montera Håller länge Lätt att endast byta ut gummipackningen Nackdelar • Kan användas enbart vid viss diameter på kabel för att ge god tätning • Utmattning kan uppstå då töjningen som uppstår kan bli för stor • Kan gå sönder om kabeln inte är centrerad när den kommer in • Svår att utforma • Måste specialbeställas • Består av många olika delar som kan gå sönder För att slutligen komma fram till val av koncept gjordes en elimineringsmatris (Johannesson et al. 2013), se tabell 5. 16 Elimineringskriterier: (+) Ja (-‐) Nej (?) Mer information krävs (!) Kontroll produktspec Beslut: (+) Fullfölj lösning (-‐) Eliminera lösning (?) Sök mer information (!) Kontroll produktspec Realiserbar Lätt att tillverka Bra hållbarhet Koncept 1 2 3 Passar företaget Uppfyller det krav som ställts Löser huvudproblemet Tabell 5. Elimineringsmatris för val av koncept. -‐ + + -‐ + + + + + + -‐ + -‐ + + + + + Beslut -‐ -‐ + Efter att ha använt elimineringsmatrisen och diskussion med uppdragsgivaren så ansågs koncept 3 vara det bäst alternativet. Så valet föll därför på koncept 3. 3.6 Slutkonstruktion Det valda konceptet för konstruktionen sammanställdes i CAD med hjälp av programmet Creo Parametric 2.0, se figur 8. En sammanställningsritning finns i bilaga 6. Det är en sak som skiljer sig från konceptgenereringen, det är att istället för att ha en stålskiva i mitten används två tunna stålskivor så det blir lättare att få fast elastomertätningen. Själva funktionen för denna konstruktion är att när kabeln kommer i kontakt med justerstöden rör sig de fyra axialtätningar i den riktning som kabeln rör sig. Stålskivorna trycker fast tätningen i polyuretan rör sig på så vis efter hur kabeln kommer in i extruderingsmaskinen och utsätts inte för några större krafter som kan göra att tätningen spricker. De fyra axialtätningar som används i konstruktionen är standardtätningar som finns på marknaden. Figur 8. Den slutliga konstruktionen för det valda konceptet. 17 3.7 Beräkningar För koncept 2 gjordes hållfastighetsberäkningar för utböjning av konstruktionen. Utböjningen räknades utifrån formeln för en konisk stålrörsmast (Karl. Björk, 2013), se figur 9. De fullständiga beräkningarna för de tre olika extruderingsmaskinerna ses i bilaga 7. Materialet som används vid beräkningarna är polyuretan Dess E-‐modul är hämtad från materialvalsprogrammet CES-‐edupack. E-‐modulen som används är ett medelvärde då materialets E-‐modul varierar från 0,002-‐0,03 GPa. Vid beräkningar användes E-‐ modulen 0,016 GPa. Storleken på konstruktionen är baserad på de uppmätta värdena på de nuvarande tre extruderingsmaskinerna. Figur 9. Utböjningen för en konisk stålrörsmast 18 4. Diskussion Projektets arbetsgång har fungerat bra. Genom att ha följt de faser som ingår i en produktutvecklingsprocess så har arbetet blivit mer strukturerat. Det var viktigt att göra en projektplan och en WBS-‐karta för att få en bra bild om vad som ska vara med i rapporten. Utifrån dessa kunde ett preliminärt ganttschema med preliminära datum göras vilket har varit en viktig del för att få saker klara i tid. Det metoder som använts under projektets gång har fungerat bra. Det har gått att få fram de resultat som behövts för att komma fram till en slutlig konstruktion. Samarbetet med uppdragsgivaren Nexans har fungerat bra. De gav en bra bild av problemet från början och har gett en bra bild om hur kabeltillverkning går till. Nexans hade inga specifika krav på hur konstruktionen skulle vara utformad utan gav mest information om vad den ska klara av. Koncepten som togs fram gjordes genom att noggrant studera i processen ute i fabriken för att se vad nuvarande konstruktion inte klarade och hur möjliga lösningar skulle fungera och implementeras i deras infästning till plastextruderingsmaskinen. Även handledaren på Karlstads universitet gav bra tips vid konceptgenereringen. Det har varit lite svårt att få fram bra ritningar på extruderingsmaskinen och dess infästning. Måtten som fanns på de ritningar jag fick från Nexans stämde inte så bra med verkligheten. Mätningar har gjorts när anläggningen stått stilla vilket inte har varit det lättaste då det inte är många dagar om året den gör det. Produktionen står endast still korta stopp vid omställningar. Passande nog har företaget ett planerat som inföll under projektets gång som gjorde att mätningar kunde utföras. Det var svårt att under mätningarna få exakta resultat då mätutrustningen inte var den bästa. Efter många mätningar med ett elektroniskt skjutmått gick måtten att få fram. Utifrån dessa mot kunde den nya konstruktionen utformas. Valet av koncept baserades dels på att operatörerna ute vid processen ska slippa att byta ut tätningen efter varje körning, som pågår i ungefär 10 dagar. På så sätt kan stopp undvikas i den mån då inte storleken på extruderingsmaskinen måste bytas ut och produktion kan bli mer effektiv. Den valda konstruktion kommer förmodligen bli mer lönsamt ekonomisk då det endast borde vara elastomerpackningen mellan de tunna stålskivorna som kommer att behöva bytas ut. Beräkningar utfördes på koncept två för att se om det ens skulle vara en möjlig lösning på problemet. Beräkningarna som gjordes utgick från formeln för utböjning av en konisk stålrörsmast. Förmodligen blir beräkningarna inte helt korrekta eftersom konstruktionen består av ett gummiliknande material. För att kunna göra beräkningar överhuvudtaget så följdes den metoden eftersom dess utformning är liknande den utformning på konstruktionen som undersökts. Beräkningarna visade att konstruktionen med polyuretan som material klarar stor utböjning och är skulle fungera i den befintliga anläggningen. Dessa två koncept det vill säga koncept två och tre diskuterades med handledaren på Nexans. Diskussionen resulterade i att handledaren tyckte att koncept tre verkar vara den bästa lösningen på problemet då det är mest gynnsamt för de operatörer som jobbar ute vid processen. Den valda konstruktionen består av delar som idag finns på marknaden vilket göra att leveranserna blir snabbare då den inte behöver specialbeställas som de två andra förlagen på konstruktioner hade behövts. Axialtätningarna som används är standartätningar som går att beställa från ett flertal leverantörer. Det valda konceptet diskuterades även med handledare vid universitetet att inga beräkningar behövs göra utan att det kommer klara de belastningar som uppstår. Materialvalet som gjordes för det material i tätningen som ska vara i kontakt med kabeln känns relevant för ändamålet. På grund av att materialet inte får repa kabeln har plaster endast varit av intressen. Hårda material kan orsaka repor på blyöverdraget som kan skada kabel så att den inte fungerar korrekt. Efter informationssökning visar även att de flesta elastomerpackningar som ska tåla stora belastningar ofta består av materialet polyuretan. Det återstår en del arbete för att säga om konceptet på konstruktion och materialval kommer att fungera optimalt ute i fabrik. En prototyp behöver tillverkas utifrån de ritningar som har gjorts för att testa och utvärdera om det är en lämplig lösning. Leverantörer för de olika komponenterna i tätningen måste kollas 19 upp. Friktion är något som behöver mätas när bly dras mot materialet polyuretan. Det har inte funnits varken möjlighet eller tid att mäta friktionen mellan materialen, men det är något som måste göras för att se om polyuretanpackningen kommer nötas eller om den klarar friktionen som blir. Kollar man på vad friktionskoefficienten är mellan gummi och asfalt så är den betydligt större än för metall mot gummi. Eftersom däck på bilar karar den friktion utan att slitas ner allt för snabbt så borde polyuretan packningen klara kravet att hålla för tio dagars konstant produktion. Något som också återstår att göra är att mäta ännu noggrannare och justera eventuella mått och toleranser på konstruktion för att den ska passa de tre nuvarande extruderingsmaskinerna, detta efter att prototypen har testas och utvärderats. 20 5. Slutsats Syftet med examensarbetet var att komma fram till en lämplig konstruktion som ger bättra tätning mellan de två skikten, det vill säga bly-‐ och plast överdragen i kabeln. Utifrån de krav och önskemål uppdragsgivaren hade är det valda konceptet för konstruktionen en lämplig lösning på problemet. Materialvalet föll på att använda polyuretan som material som ska vara i kontakt med blyöverdraget på kabeln och verkar vara ett passande material för ändamålet då det ofta används som material i packningar som klarar stora belastningar. Det som återstår att gör är att tillverka en prototyp för provning och utvärdering. Samt att eventuellt göra en mer noggrann dimensionering av konstruktionen för att den ska passa optimalt i nuvarande extruderingsmaskiner. Diskussion med leverantörer och eventuella priser på tillverkningskostnad är något som behöver undersökas vidare. 21 6. Tackord Jag skulle vilja tacka Nexans Norway AS i Halden som bidragit med att detta examensarbete har kunnat genomföras. Speciellt vill jag tacka Helge Hovland för uppdraget och Glenn André Östbye för bra handledningen genom projektet. Ett tack till Mikael Åsberg vid Karlstad Universitet för bra idéer och handledning. 22 Referenslista Böcker Johannesson, H. Persson, J-‐G. Pettersson, D. (2013). Produktutveckling – Effektiva metoder för konstruktion och design. Stockholm: Liber AB. Ashby, Michael F. (2011). Materials Selection in Mechanical Design (4th Edition). Oxford: Elsevier LTD Björk, Karl. (2013). Formler och tabeller för mekanisk konstruktion (sjunde upplagan). Spånga: Björks förlag. Jarfors, A. Carlsson, T. Eliasson, A. Keife, H. Nicolescu, C-‐M. Rundqvist, B. Bejhem, M. Sandberg, B. (2010). Tillverkningsteknologi. Lund: Studentlitteratur AB. Olsson, Karl-‐Olof. (2006). Maskinelement. Stockholm: Liber AB Elektroniska dokument Nexans (2015a). Högspänningskablar: Information om PEX-‐kablar. [Elektronisk]. Tillgänglig: http://www.nexans.se/eservice/Sweden-‐ sv_SE/navigate_110879/Hogspanningskablar_for_transmission.html [2015-‐03-‐24] Nexans (2015b). Umbilicalkabel. [Elektronisk] Tillgänlig: http://www.nexans.se/eservice/Sweden-‐sv_SE/navigate_111824/Umbilicalkabel.html [2015-‐03-‐24] Nexans (2015c). PEX-‐isolerande kabel [Fotografi] Tillgänglig: http://www.nexans.no/eservice/Norway-‐no_NO/navigate_10844/PEX_isolert.html [2015-‐03-‐24] Nexans (2015d) Olika typer av Umbilicalkablar [Fotografi] Tillgänligt: http://www.nexans.co.uk/Norway/2010/umbilicals_samples_w300.jpg [2015-‐03-‐24] Carpenter (2002). Materialinformationsblad: Polyuretaner och polyuretanelastormerer. [Elektronisk]. Tillgänglig: http://carpenter.se/files/pur_materialinfoblad_sv.pdf [2015-‐05-‐06] Miun (2015). Friktion [Elektronisk] Tillgänglig: http://apachepersonal.miun.se/~petcar/Biomekanik/Friktion.pdf [2015-‐04-‐28] Dataprogram Ashby, Michael F. (1994). 7.0 CES-‐Edupack (Version 7.0) [Datorprogram]. Granta Design Limited, Cambridge. Creo Parametric Academic Edition (Version 2.0) [Datorprogram] 23 Bilaga 1 Projektplan Bakgrund Företaget Nexans Norway AS ligger i Halden i Norge. Nexans är en ledande leverantör av kraft-‐ och telekablar I Norge och är världsledande inom högspänningskablar. Nexans Norway AS är en del av den franska Nexans Group. I Halden utvecklas, tillverkas och marknadsförs hav, mark och offshore kablar för kraft och telekommunikationsöverföring. Nexans Norway AS är ett företag som är världsledande inom högspänningskablar och även den ledande leverantören av kraft-‐ och telekablar i Norge. Företaget är en del av den franska koncernen Nexans Group. I Halden som ligger i södra Norge arbetar idag cirka 900 anställda och där utvecklas, tillverkas och marknadsförs hav-‐, mark-‐ och offshorekablar för kraft och telekommunikationsöverföring. Nexans har en typ av produktion som ständigt kräver förändringar och förbättringar av produktionsutrustning, eftersom mestadels av deras leveransprojekt av kablar är specifikt utformade efter kundernas behov. Det uppkommer därför ständigt nya uppgifter så som att lösa tekniska problem som identifierats under dels under förberedelserna för produktionen och under produktionen. Ett problem som Nexans har är att de inte får tillräckligt bra vakuumtätning mellan bly och ett av plastskikten i deras kablar. Själva problemet bygger på att infästningen till plastextruderingsmaskinen inte klarar av belastningen som kabeln utsätter den för utan den spricker och på så sätt blir inte vakuumtätningen optimal. Uppdragsgivaren Nexans vill ha ett konstruktionsförslag och ett materialval på konstruktionen som klarar av tio dagars produktion. Syfte Syftet med examensarbetet är att undersöka möjligheten att hitta en konstruktionslösning som håller för att få bättre vakuumtätning mot kabeln under plastextruderingsprocessen som gör att den karar av tio dagars produktion. Mål Målet med examensarbetet är att hitta en konstruktion med rätt material som gör att infästningen till plastextruderingsmaskinen klarar av tio dagars produktion.. Problemformulering Hitta en konstruktionslösning med rätt material som ger bättre vakuumtätning under plastextruderingsprocessen och som klarar av tio dagars konstant produktion. Kravspecifikation Kravspecifikationen innehåller funktionella-‐ och icke-‐funktionella krav som ställs på konstruktionen. Kravspecifikationen togs fram i diskussion med uppdragsgivaren Nexans och för att identifiera dessa krav intervjuades processansvarig. Nedan följer de funktionella-‐ och de icke-‐funktionella kraven som satts upp. Funktionella krav • Ska klara av 10 dagars konstant produktion • Enkel att montera i nuvarande extruderingsmaskin • Ska vara flexibel att den kan röra sig i sidled beroende på hur kabeln kommer in i infästningen Icke-‐funktionella krav • Konstruktionen ska vara så enkel som möjligt • Konstruktion ska klara av de monteringskrav som ges av Nexans • Konstruktionen ska ritas upp i CAD så att konstruktionen enkelt kan anpassas till olika storlekar 24 Bilaga 2 WBS 25 Bilaga 3 Gantt-‐schema Informa6onssökning Problemförståelse Konceptgenerering Dagar aH arbeta Konceptval Konstruk6on Materiaval Slutarbete Rapportskrivning 26 Bilaga 4 Organisationsschema Roll: Projektledare Namn: Adress: Telefon: E-‐post: Malin Fredriksson Frödingshöjd 14 656 37 Karlstad 073-‐0270083 [email protected] Roll: Uppdragsgivare: Nexans Norway AS Namn: Adress: Telefon: E-‐post: Roll: Helge Hovland Knivsöveien 70 P.O. Box 42 1751 Halden +47 69 17 31 77 [email protected] Namn: Adress: Telefon: E-‐post: Roll: Glenn André Östbye Knivsöveien 70 P.O. Box 42 1751 Halden +47 94 50 39 11 [email protected] Namn: Adress: Telefon: E-‐post: Mikael Åsberg Universitetsgatan 2 651 88 Karlstad 054-‐700 21 14 [email protected] Roll: Examinator Karlstads Universitet Namn: Adress: Telefon: E-‐post: Nils Hallbäck Universitetsgatan 2 651 88 Karlstad 054-‐700 21 15 [email protected] Handledare Nexans Handledare Karlstads Universitet 27 Bilaga 5 Riskanalys Tabell 6. Riskanalys. Riskbeskrivning Tidsplan överskrids S 5 Ej uppnår målen 4 Konkurs hos företaget Bristande kompetens Rapport ej klar i tid Konstruktionsfel Förlorad dokumentation Bedömningssystem: 1 3 3 3 3 K R 3 9 Föreslagen åtgärd Satsa på framtung process. Kontinuerlig uppdatering av tidsplan. 4 9 Fokusera på specifika mål genom att göra avgränsningar. 5 4 Fortsätt sträva mot att målen uppfylls. 4 8 Ta hjälp av specialister på området. 6 15 Arbeta kontinuerligt med rapporten. 6 14 Kontrollera konstruktionen. 5 8 Spara via nätet. Låg risk: 1-‐8 Medelrisk: 9-‐15 Hög risk: 16-‐25 S = sannolikhet K = konsekvens R = riskfaktor 28 Bilaga 6 Sammanställningsritning för valt koncept 29 Bilaga 7 Beräkningar för extruderingsmaskin 1 30 Beräkningar för extruderingsmaskin 2 31 Beräkningar för extrueringsmaskin 3 32
© Copyright 2024