Utvikling av en roterende bøyeutmattingsmaskin

Abstract

På slutten av 1700-tallet, under den industrielle revolusjonen, oppstod det en gradvis omlegging i produksjonsteknologiene. Det moderne produksjonsforholdet besto av mekanisk drivkraft og mer kompliserte arbeidsmaskiner. Fra omkring 1830-tallet ble det observert flere uventede mekaniske brudd i både metaller, betong og plastmaterialer som ble utsatt for vekslende spenning, godt under materialets fasthetsverdier. Teorien ble at materialet ble utmattet, men uten at man helt forstod sammenhengene. Den tyske jernbaneingeniøren August Wöhler var en av de første til å ta tak i dette problemet fra et matematisk perspektiv. Han utviklet metoder for testing av materialenes motstand mot utmatting som kunne gi prøveresultater som kunne benyttes ved dimensjonering av roterende maskindeler. I sammenheng med dette gradsarbeidet har det vært ønskelig å fordype seg mer i denne utmattingsproblematikken, som også foregår den dag i dag, gjennom å tilegne seg mer kunn-skap om hva som skjer og hvordan det kan behandles eller forhindres. Inspirert av August Wöhler som hentet utmattingsdata ved konstant spenningsamplitude med et gitt lastvekslings-tall har dette prosjektarbeidet som hovedmål å utrede og utvikle en løsning for en roterende bøyeutmattingsmaskin til bruk ved NMBU’s laboratorium som kan hente utmattingsdata fra prøvestaver med gitt materiale. Tidlig i denne prosessen ble det kartlagt problemstillinger og flaskehalser som er viktige elementer for formuleringen og gjennomføring av hovedmålsettingen. For å sørge at målene blir nådd, ble det tidlig utformet en prosjektplan med flere delmål og milepeler som kunne sikre fremdrift og viktige leveransetider. Deretter ble det utviklet et prosessdiagram som skal sikre at alle utviklingstrinn blir utført, ved at den gir mulighet til å enklere kunne se seg tilbake for å gjøre nødvendige endringer. Prosessdiagrammet består av fire hovedfaser: utredningsfasen, utviklingsfasen og analyse- og ferdigstillingsfasen. I utredningsfasen ble det gjort rede for bakgrunn og en oppdragsbeskrivelse som la grunnlaget for problemstillingene og flaskehalsene. Videre ble det utformet en prosjektplan og en metodikkutredning med hensikt om å sikre fremdrift og løse problemstillingene med en metodisk fremgangsmåte. Prosjektplanen gir en oversikt over arbeidsoppgaver, milepeler og leveringsfrister. Metodikkutredningen tar for seg fremgangsmetoder brukt til oppgave-løsningen. Metodikkene som ble brukt til oppgaveløsningen er: IPD, Pugh’s metodikk og SCAMPERR. IPD metodikken ble i sin tid utviklet hos ledende industriforetak for å ivareta flere hensyn gjennom integrering av flere fagområder i utviklingsprosessen. Hensikten med å bruke IPD var å gjøre ting i riktig rekkefølge i et koordinert utviklingsløp, og passe på at ikke viktige ting blir glemt. Pugh’s metodikk ble utviklet for å gjennomføre mer detaljerte og kompliserte valg ved å sette opp kriterier og en poengskala som til sammen danner en tabell som kan sammenligne de ulike løsningene matematisk. SCAMPERR ble utviklet for å komme frem til flere løsningsalternativer ved å vri og vende på alle funksjoner og kompo-nenter for å oppnå optimalt design. I siste del av utredningsfasen ble det gjort rede for teori og teknologi som danner det teoretiske og teknologiske fundamentet som ble brukt til senere beregninger og analyse av maskinen. I utviklingsfasen ble det gjort rede for produktspesifiseringen for å konkretisere målsettinger og ønskede egenskaper for produktet. Videre er det blitt det utviklet grensespesifikasjoner for produktet gjennom et utvalg av eksisterende roterende bøyeutmattingsmaskiner. Disse grense-spesifikasjonene dannet grunnlaget for valg av grovspesifikasjonene. Gjennom utredningsfasen, produktspesifiseringen og utarbeidelse av grovspesifikasjoner, ble det utarbeidet løsningsalternativer med skisser, der de ulike løsningsalternativene gikk gjennom en matematisk utvelgelse produsert med Pugh’s metodikk. Denne utvelgelsen sammenlignet de forskjellig løsningsalternativene opp mot hverandre. Løsningsalternativene som skåret høyest, ble de foretrukne løsningene som til sammen utgjorde et endelig og helhetlig konseptvalg. I siste del av utviklingsfasen ble det utført en eksterntesting, der man fikk innspill knyttet produktet og viktige momenter å ta hensyn til, av valgte fageksperter. I analyse- og ferdigstillingsfasen ble det utarbeidet beregninger og dimensjonering av forskjellig komponenter. Dette bidro til å verifisere valgte dimensjoner, og endre på det om ikke det holdt. Videre gjorde beregningene rede for utmatting av en prøvestav, og spesifikasjoner til en trefaset elektrisk motor. Produktet ble dimensjonert mot de forventede belastningene med en sikkerhetsfaktor som passer belastningstypen. Videre ble produktet konstruert og designet i en 3D CAD-modell, og det ble foretatt en FEM analyse av utvalgte komponenter for å avdekke svakheter. I siste del av analyse og ferdigstillingsfasen ble det foreslått produksjonsmetoder, og det ble utarbeidet produksjonskostnader knyttet produktet. Videre ble det utarbeidet tekniske- tegninger og -anvisninger. For måle-teknisk utstyr er det utarbeidet forslag til komponenter, og hvor man kan plassere disse. Utvikling av en roterende prøveutmattingsmaskin med høy grad av nøyaktighet er teknisk svært komplisert, noe som også fremgår av utredningen av de kommersielle systemene som finnes. Utviklings- og utredningsarbeidet som er gjort i dette grads-arbeidet har trinnvis satt lys på flere mulige konseptuelle løsninger, der ett alternativ er tatt fram til et mer framskredent analyse- og konstruksjonsstadium med hensyn til teknisk oppbygging og funksjon. Maskinens globale mål er 950 mm x 1700 mm x 700 mm og veier 211 kg. Maskinen roterer prøvestaven med et turtall på 2850 rpm, og er konstruert til en standardstav. Prøvestaven festes til en spennhylse m/nøkkel. Tellesystemet til maskinen innebærer en turtallsmåler, vekselteller og en mikrobryter som registrer brudd. Dette løsningsalternativet inneholder alle viktige elementer som vil kunne inngå i en egenprodusert løsning og demonstrasjonsobjekt i undervisningsbygget ved Realtek, men vil teknisk sett på dette utviklingsstadiet fungere som en «tidligfase systemløsning». Dette gjelder spesielt med hensyn til utformingen av den vertikale kraftpåføringsmekanismen som er foreslått. Øvrige deler av riggdesignet som er utviklet og rapportert, vil kunne implementeres med mindre etterjusteringer. Ekspertvurderinger i sluttfasen av prosjektet og nærmere analyser av utformingen og virkemåten til kraftpåføringsmekanismedelen av riggen vil kunne gi uheldige tyngdekraft- og geometrisk relaterte momentpåvirkninger på selve prøvestaven under testing. Det må derfor gjennomføres et videre analyse- og mer avgrenset utviklingsarbeid knyttet til denne sentrale mekanismedelen av riggen for å få fram en fullverdig systemløsning. På grunn av tidsmessige begrensninger har det ikke vært mulig å gå mer i dybden omkring dette, men mulige løsninger tas opp under designoptimeringsdrøftingene i siste delen av grads-rapporten, og gjennom anbefalinger knyttet til videre oppfølging av dette gradsarbeidet. Øvrige anbefalinger knyttet til videreutvikling omfatter også mer detaljerte FEM-beregninger knyttet til delkomponenter, utføre utmattingsberegninger og en levetidsanalyse. Det må også utføres drøfting med fageksperter om krav til toleransemålsettinger og tilknyttede standarder. Videre må det utvikles prototypedeler som kan teste funksjon, friksjon og styrke. Det må også gjøres en mer utfyllende komponent- og systemutredning, spesifisering og beskrivelse knyttet til belastningsregulering, samt måletekniske registrerings- og analysemuligheter.

At the end of the 18th century, during the industrial revolution, there was a gradual change in production technologies. The modern production relationship consisted of mechanical drive and more complicated work machines. From around the 1830s, several unexpected mechanical fractures were observed in both metals, concrete and plastic materials that were exposed to alternating stresses, well below the strength values of the material. The theory was that the material was exhausted, but without fully understanding the connections. The German railway engineer August Wöhler was one of the first to address this problem from a mathematical perspective. He developed methods for testing the materials resistance to fatigue that could give test results that could be used when dimensioning rotating machine parts. In connection with this degree work, it has been desirable to delve deeper into this fatigue problem, which also takes place to this day, by acquiring more knowledge about what is happening and how it can be treated or prevented. Inspired by August Wöhler who retrieved fatigue data at constant stresses amplitude with a given load change number, this project work has as its main goal to study and develop a solution for a rotary bending fatigue machine for use at NMBU’s laboratory that can retrieve fatigue data from test rods with given material.