Utvikling av roterende 4-punkts bøyeutmattingsmaskin

Abstract

Siden industrialiseringen og veksten av jernbanetransport på starten av 1800-tallet har det blitt observert flere uventede brudd i komponenter utsatt for vekslende belastning, selv om spenningene var langt under materialenes fasthetsverdier. På dette viset oppstod erkjennelsen og teorien om at materialer kan bli utmattet over tid. For å unngå alvorlige ulykker ble det viktig å forstå mekanismene bak utmattingsbrudd og danne et formelverk for dimensjonering av levetid. Utmattingsberegninger er bygget på empiriske data for ulike materialtyper. En av de første til å bygge utmattingsmaskiner og utføre denne typen tester var jernbaneingeniør August Wöhler. Han oppdaget at det var en sammenheng mellom spenningsamplituden og hvor mange lastsykler en materialprøve kan utsettes for før det går til brudd. Disse oppdagelsene legger grunnlaget for utmattingstesting og utmattingsberegninger den dag i dag. Fordi forståelse for utmattingsproblematikk er viktig for mange industrier ønsker Fakultet for realfag og teknologi ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet en utmattingsmaskin som kan benyttes i sammenheng med laboratoriearbeid for studenter. Det er også et ønske om at maskinen skal kunne benyttes til fremtidig FoU-arbeid. Å ha en slik testmaskin tilgjengelig på universitetet vil samtidig være med på å styrke forståelsen for utmatting av materialer. Med denne bakgrunnen er hovedmålet med mastergradsarbeidet derfor å klarlegge viktige trinn i utviklingen av denne typen maskiner, teknologisk status og viktige standarder, og bygge videre på dette for å kunne konstruere og designe en utmattingsprøvemaskin med 4-punkts bøying for testing av prøvestaver. Som en del av dette utviklingsarbeidet følger det også med en teoriutredning som gjør rede for materialtekniske mekanismer som står bak utmattingsbrudd, og hvordan initiering og vekst av sprekker foregår på mikroskopisk nivå. For å bygge opp under hovedmålsettingene er det blitt definert delmål, som igjen er videreutviklet til en tidsplan som skal sikre at alle deler av arbeidet blir gjennomført i tide. God planlegging og fokus på kvalitet og kontinuerlig forbedring er sentralt i IPD/IPPD-tankegang (Integrert produkt- og prosessutvikling), og det blir gjort nærmere rede for denne metodikken. Andre sentrale utviklingsmetodikker som benyttes er Pughs metode, SCAMPER og modulisering, samt QFD, som samler mye av utviklingsmetodikken i det såkalte «kvalitetshuset». Pughs metode er benyttet for å gjøre valg i på en objektiv måte ved å sette opp seleksjonsmatriser og veie ulike løsningsalternativer opp mot hverandre. SCAMPER ble benyttet mye i for å komme opp med løsninger og funksjoner, men også gjennomgående i arbeidet med rapportering. Modulisering er brukt til å se ulike måter elementer kan settes sammen og konstrueres, samt muligheten for å benytte eksisterende løsninger i konstruksjonen. Utredningsfasen er avsluttet med prosessdiagrammet, som også gjør rede for de tre følgende fasene: utviklingsfasen, konstruksjons-fasen og ferdigstillingsfasen. I utviklingsfasen blir krav og spesifiseringer for produktet definert. Dette inkluderer grense-spesifikasjoner for ytre mål og andre viktige dimensjoner som skal styre både aktuelle løsningsalternativer og arbeid i konstruksjonsfasen. Ved å gjennomføre en funksjonsanalyse er det kommet fram til hvilke funksjoner som er viktige og aktuelle løsninger som kan oppfylle disse funksjonene. Løsningsalternativene henter inspirasjon fra eksisterende utmattingsmaskiner og er spisset inn mot de målsettingene som er satt for prosjektet. Alle løsningsalternativer er skissert og screenet opp mot hverandre. Mot slutten av utviklingsfasen sitter man igjen med en fullstendig konseptløsning som skal videreutvikles i konstruksjonsfasen. Konstruksjonsfasen består av grovberegninger som var med på å styre dimensjoneringen av ulike produktdetaljer. Hele maskinen ble så 3D-modellert i CAD-programvare, i tillegg til tekniske sammenstillingstegninger som viser maskinen i sin helhet og alle hovedkomponenter. Utvalgte viktige komponenter gikk gjennom FEM-analyser for å finne eventuelle svakheter i konstruksjonen og optimalisere arkitekturen. En kombinasjon av grovberegninger og FEM-analyse ga grunnlaget for materialvalg for komponentene. Ferdigstillingsfasen er innledet med en gjennomgang av produksjonsmetoder og analyse av kostnader knyttet til produksjon av utmattingsmaskinen. Tegningsgrunnlaget fra konstruksjons-fasen gir grunnlag for renderinger i lab-miljø, samt anvisninger for en laboratorieøvelse i utmattingstesting. Bøyeutmattingstestmaskinen er konstruert etter standard for utmattingsprøvemaskiner (ISO 1143) og for å påføre 4-punkts bøyemoment på en prøvestav. Dette betyr at prøvestaven er innspent i 2 punkter og belastet i 2 punkter. Det oppnås vekslende spenning ved å rotere prøvestaven med en motor. Belastninger kommer fra et sett med lodd som henger fra belastningspunktene. Maskinen er stilt opp på et bord og er utstyrt med et målesystem som registrerer turtall, antall rotasjoner og tid før brudd. Utvendige mål for selve maskinen er 800 mm x 150 mm x 117,5 mm. Bordet som benyttes for oppstilling har mål 1310 mm x 590 mm x 770 mm. Driftsspenningen til motoren er 230 V, og den har et turtall på 3000 r/min. Den totale kostnaden for produksjon av en prototype er 517.515 kr. Ekskluderer man eget utviklingsarbeid er prisen 22.515 kr. Veien videre består av flere styrkeberegninger og FEM-analyser. Andre beregninger i form av utmattingsberegninger, levetidsanalyser og svingningsanalyser bør også gjennomføres. I tillegg må det gjøres design av elektrisk anlegg for motor, brytere, sensorer og databehandling. Som en del av videre arbeid burde det gjøres en endelig vurdering av produksjonsmetoder og kostnadene knyttet til dette.

Since the industrialization and growth of rail transport at the beginning of the 19th century, several unexpected fractures of components subjected to varying loads have been observed, even though the stresses were far below the strength values of the materials. This led to the realization and theory that materials can become fatigued over time. To avoid serious accidents, it became important to understand the mechanisms behind fatigue failure and form a formula for dimensioning service life. Fatigue calculations are based on empirical data for different material types. One of the first to build fatigue machines and perform this type of test was railway engineer August Wöhler. He discovered that there was a connection between the stress amplitude and how many load cycles a material sample can be subjected to before it breaks. These discoveries are still the foundation for fatigue testing and fatigue recovery to this day. Because understanding fatigue problems is important for many industries, the Faculty of Science and Technology at the Norwegian University of Life Sciences wants a fatigue machine that can be used in connection with laboratory work for students. There is also a desire for the machine to be able to be used for future R&D work. Having such a test machine available at the university will at the same time help to strengthen the understanding of material fatigue. With this background, the main goal of the master's degree project is therefore to clarify important steps in the development of this type of machine, technological status and important standards, and build on this to be able to construct and design a fatigue test machine with 4-point bending for test specimens. As part of this development work, a theory study is also included that explains the material technical mechanisms behind fatigue fractures, and how the initiation and growth of cracks takes place at the microscopic level.