Automatisk justeringsmekanism för borrvinkeln på en …1456828/... · 2020. 8. 19. · Automatisk justeringsmekanism för borrvinkeln på en stigortsborrmaskin Daniel Öman MasterofScienceThesisTRITA-ITM-EX2020:320

Automatisk justeringsmekanism för borrvinkeln på enstigortsborrmaskin

Daniel Öman

Master of Science Thesis TRITA-ITM-EX 2020:320

KTH Industrial Engineering and Management

Machine Design

SE-100 44 STOCKHOLM

SAMMANFATTNING

I dagens gruvindustri används stigortsborrmaskinen för mekanisk bergsavverkning. Stig-ortsborrmaskinens främsta uppgift är att borra vertikala hål från markplan eller en gru-vort, ned till en underliggande gruvort. En stigortsborrmaskin har många användningsom-råden och använts exempelvis för borrning av ventilation eller hisschakt mellan gruvorter.Robbins 73RH är en stigortsborrmaskin som är framtagen och tillverkad av Epiroc AB,den kan borra hål som är 700 meter djupa med en diameter på 1.5-3.1 meter och med envinkel på 90° till 45° från ytan.

Den nuvarande lösningen för att ställa in eller ändra borrvinkeln är en tidskrävande ochtung uppgift. Den nuvarande lösningen kräver dessutom ett manuellt arbete som innefat-tar risk för personskador.

Examensarbetets syfte är att utveckla ett nytt koncept för att justera borrvinkeln på enRobbins 73RH stigortsborrmaskin. Konceptet ska vara halv- eller helautomatisk och påså sätt reducera tiden för ändring av borrvinkeln samt minimera risken för personskador.För att utveckla en ny förbättrad lösning genomfördes en konceptgenerering. Konceptenevaluerades med en Pughs matris och ett koncept valdes för att vidareutvecklades.

Det nya konceptet är ett helautomatiskt system för att justera borrvinkeln på en Robbins73RH. Den nya lösningen använder en hydraulcylinder för att justera borrvinkeln och enhydraulisk låsanordning för att säkerställa att borrvinkeln inte ändras vid stigortsborrning.

Nyckelord: Stigortsborrmaskin, borrvinkel, mekanisk bergsavverkning

ABSTRACT

In today’s mining industry, a rasieboring drill is used for mechanical rock cutting. Themain job for a rasieboring drill is to drill vertical holes from the ground plane or a mine,down to an underlying mine. A rasieboring drill has many uses, for example, for drillingventilation or lift shafts between mines. Robbins 73RH is a rasieboring drill machine,made and manufactured by Epiroc AB. Robbins 73RH can drill holes that are 700 metersdeep with a diameter of 1.5-3.1 meters and at an angle of 90° to 45° from the surface.

The current solution for setting or changing the drill angle is a time-consuming and difficulttask. The current solution also requires manual work that involves the risk of injury.

The degree project aims to develop a new concept for adjusting the drilling angle of aRobbins 73RH rasieboring drill. The concepth should be semi or fully automatic, thusreducing the time for changing the drill angle and minimizing the risk of personal injury.To develop a new improved solution, a concept generation was carried out. The conceptswere evaluated with a Pugh’s matrix and a concept was chosen for further development.The new concept is a fully automatic system for adjusting the drilling angle of a Robbins73RH.

The new solution uses a hydraulic cylinder to adjust the drilling angle and a hydrauliclocking device to ensure that the drilling angle does not change during drilling.

Keywords: Raiseboring machine, drill angle, mechanical rock excavation

FÖRORD

Jag vill rikta ett stort tack till Svea Teknik AB som gett mig möjligheten att skriva dettaexamensarbete. Jag vill även rikta ett tack till Epiroc AB för det spännande uppdragetatt utveckla ett nytt koncept till en stigortsborrmaskin.

Jag vill tacka Jacob Wollberg och Johan Lindberg på Svea Teknik AB och Oskar Lindbergpå Epiroc AB för det stöd och handledning jag har fått under arbetet. Jag vill även tackaUlf Sellgren på KTH för handledning under projektet.

Sist vill jag tacka Philip Stenhammar för den hjälp jag har fått genom diskussion omtankar och idéer.

Daniel Öman

Stockholm, Juni 2020

Automatisk justeringsmekanism för borrvinkeln på en stigortsborrmaskin

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

1 Introduktion 11.1 Bakgrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Problembeskrivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Forskningsfrågor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Avgränsningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.5 Metod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Referensram 52.1 Robbins 73RH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Stigortsborring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Konceptutveckling 73.1 Kravspecifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Generering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.3 Kraftanalys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.3.1 Fall 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.3.2 Fall 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.3.3 Fall 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.3.4 Fall 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.3.5 Värsta fall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.4 Koncepten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.4.1 Koncept 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.4.2 Koncept 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.4.3 Koncept 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5 Evaluering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.6 Pugh matris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4 Vidareutveckling av valda koncept 204.1 Utveckling av koncept 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.1.1 Gränssnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.1.2 Kraftanalys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.2 Dimensionering av komponenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.2.1 Hydraulcylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.2.2 Låsningsmekanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.2.3 Sammanställning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.3 3D-Modellering av komponenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.3.1 Hydraulcylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.3.2 Låsanordning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3.3 Fäste hydraulcylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.3.4 Fäste kolvstång . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.4 Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.5 Verifiering av komponenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.5.1 Hydraulcylinder med fäste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5

4.5.2 Fäste Hydraulcylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.5.3 Kolvstång . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.5.4 Fäste kolvstång . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5 Diskussion och slutsats 485.1 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.2 Slutsats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

6 Framtida arbete 49

7 Referenser 50


1 INTRODUKTION

I det här kapitlet presenteras en introduktion till examensarbetet. I kapitlet kommerbakgrund, problembeskrivning och forskningsfrågor beskrivas. Detta kapitel kommer ävenatt presentera de avgränsningar som gjorts samt hur metoden för examensarbetet ser ut.

1.1 Bakgrund

Stigortsborrmaskiner använts för borrning av vertikala hål, så som ventilation eller hiss-chakt vid gruvarbeten [1]. Vid stigortsborrning borras först ett så kallat pilothål frånantingen en gruvort eller från markplan ner till en annan underliggande gruvort. Närpilothålet har nått den underliggande gruvorten ersätts den med en större borrkrona ochden uppåtgående stigortsfullborrning börjar. Vid denna process drar stigortsborrmaski-nen upp borrkronan mot det ovanliggande planet och skapar ett runt hål genom att borramed ett högt tryck och en låg rotationshastighet. Processen illustreras i Figur 1.

Figur 1: A) Pilothål B) Uppåtgående stigortsfullborrning [2].

Stigortsborrning är en effektiv process och borrhålet får slätare väggar än andra alternativ,vilket ger ett bra flöde av luft [1]. Mångsidigheten är en annan fördel med stigortsborrning

1


då det går att borra hål i vinkel med olika diametrar. Med Robbins 73RH som är enstigortsborrmaskin från Epiroc AB som kan borra hål som är 700 meter djupa med endiameter på 1.5-3.1 meter och med en vinkel på 90° till 45° från ytan, se figur 2 [3].

Figur 2: Borrvinkel Robbins 73RH från Epiroc AB.

1.2 Problembeskrivning

Syftet med examensarbetet är att förbättra den nuvarande mekanismen för justering avborrvinkel i stigortsborrmaskinen Robbins 73RH. Idag använder alla stigortsborrmaskinerfrån Epiroc AB en mekanisk vantskruv för att justera borrvinkeln. Att justera borrvinkelnmed vantskruv är en tidskrävande och besvärlig uppgift som involverar manuellt arbetesamt medför en risk för personskada. Ett annat problem med den nuvarande vantskru-vlösningen är att positionen kan ändras vid borrning på grund av de stora krafterna samtvibrationer. Hela projektförslaget finns i appendix B.

1.3 Forskningsfrågor

Examenarbetet syftar till att undersöka och konstruera en ny säkrare och mer tidseffektivlösning för att ändra borrvinkeln på stigortsborrmaskinen Robbins 73RH. Den nya lös-ningen ska justera borrvinkeln på ett halv- eller helautomatiskt sätt. Vid examenarbetetsslut ska dessa frågor besvaras:

• Hur kan tiden reduceras vid justering av borrvinkeln?

• Hur kan en halv- eller helautomatiskt lösning konstrueras?

• Kan säkerheten förbättras för den personen som ändrar borrvinkel?

2


• Kan en förbättrad lösning passa i det nuvarande gränssnittet?

• Hur kan konceptet säkerställa att borrvinkeln inte ändras vid stora krafter?

och om lösningen:

• Klarar det nya konceptet vinkelområdet (90° till 45°)?

• Klarar det nya konceptetf lastintervall 1000-4200 kN [4]?

1.4 Avgränsningar

Med hänsyn till att examensarbetet är tidsbegränsat måste projektet avgränsas. Avgrän-sningar syftar även till att säkerställa att tiden används på ett effektivt sätt och projektetfokuseras på de delar som är mest relevanta. Detta examensarbete är utformat för att tafram koncept och inte en färdig produkt. Mot denna bakgrund har följande avgränsningargjorts:

• Koncepten kommer att utformas för Robbins 73R.

• Styrsystem kommer inte att utformas.

• Testning av slutprodukten utförs inte.

• Rör och kablar kommer inte att utformas.

• Livscykelanalys utförs inte.

• Livslängsanalys utförs inte.

1.5 Metod

Metoden som använts för att lösa uppgiften är:

1. Göra en grundlig litteraturstudie i syfte att få en god förståelse för de olika mekaniskaanordningarna som kan användas vid stigortsborrning samt hur andra har försöktatt lösa liknande problem.

2. Generera koncept med hjälp av metoderna:

• Brainstorming: Tänk brett och försök att generera så många idéer som möjligt[5].

• Hitta idéer från böcker, facktidskrifter och interner samt grundligt undersökaom dessa idéer kan användas för att lösa problemet [5].

• Använda experter från Epiroc AB och Svea Teknik AB för att generera koncept,hitta expertis inom området och diskutera hur problemet kan lösas [5].

3. Verifiera koncepten med befintliga gränssnitt och forskningsfrågorna.

• Pughs konceptval matris: Detta är en metod för att verifiera begreppen. Imatrisen kommer alla koncept att rangordnas med viktade egenskaper. Dennamatris kommer att ge förslag på vilken av de givna lösningarna som är denbästa och bör vidareutvecklas. [5]

3


• Diskussion: Diskutera och utvärdera koncepten med handledare och Epiroc ABi syfte att komma fram till vilken lösning som är bäst lämpad att vidareutveck-las utifrån forskningsfrågorna.

4. Detaljerad design: Dimensionera och använda CAD för visualisering.

5. Simulering: Simulera CAD-modellen i FEM för att säkerställa att modellen klararde stora krafterna.

6. Projektledning: Dokumentation, planering, rapporter och presentation av examen-sarbetet samt utföra eventuella ändringar i projektplaneringen.

I Figur 3 visas projektets planering och styrning med en Work breakdown structure somär kopplat till metoden.

Figur 3: WBS för Examensarbetet.

4


2 REFERENSRAM

I detta kapitel presenteras information om de två övergripande områdena som examen-sarbetet handlar om.

2.1 Robbins 73RH

Robbins 73RH är en av sju stycken stigortsborrmaskinen som Epiroc AB tillverkar. Stig-ortsborrarna från Epiroc AB kan borra hål som har diametrar från 0,5 meter upp till över6 meter [6]. Robbins 73RH är den näst största stigortsborrmaskninen som Epiroc ABtillverkar och den drivs hydrauliskt via en elektrisk drivenhet. Den elektriska drivningenkommer från ett drivaggregat som placeras i närheten av stigortsborrmaskinen, se figur4.[4]

Figur 4: Robbins 73RH stigortsborrmaskin med drivaggregat från Epiroc AB [3].

5


Robbins 73 RH väger 12 650 kg och är 6 meter hög när den är i det högsta läget och 3.9meter i det lägsta. Stigortsborrmaskinen klarar att arbeta i miljöer som är upp till 40grader varma, för all teknisk information se appendix A.

2.2 Stigortsborring

Stigortsborrmaskinen står på två stycken fötter och fyra ben där två av benen är juster-bara. De justerbara benens uppgift är att vinkla stigortsborrmaskinen, vilket medför attborrning kan ske i en vinkel och inte bara vinkelrätt från ytan, se figur 5.

Figur 5: Robbins 73RH ben och fötter.

Robbins 73RH kan borra hål som är 700 meter djupa och med en diameter mellan 1.5-3.1 meter och med en borrvinkel mellan 90 och 45 grader, appendix A. I den nuvarandelösningen justeras benen först med hjälp av en grovinställning A-D för att sedan finjusterasmed hjälp av vantskruvar, se figur 6.

6


Figur 6: Vinkeländring med grovinställning.

Vid borrning utsätts maskinen för en stor belastning och Robbins 73RH kan dra uppborrkronan med 4200 kN. Utöver kraften som behövs för att dra upp borrkronan utsättsmaskinen även för stora vibrationer. Vibrationerna samt den kraft som uppkommer vidborrning kan med dagens lösning ändra borrvinkel.

3 KONCEPTUTVECKLING

Koncepten är framtagna och utformade så att den ska klara kravspecifikationen. Koncep-tutvecklingen startade med handritade grova ritningar, som sedan visualiserades i CAD.En kraftanalys genomfördes på fyra olika fall för att undersöka om koncepten är genom-förbara. Sist evaluerades koncepten med hjälp av en Pughs matris.

3.1 Kravspecifikation

Kravspecifikation har som uppgift att specificera de krav som ställs på konceptet ochdess funktioner, se tabell 1. De viktigaste kraven är att borrvinkeln ska kunna ändrasautomatiskt och låsas när den är i rätt vinkel. Justeringen av borrvinkeln ska ske på ettsätt som är säkert och därmed minimerar risken för personskador.

7


Tabell 1: KravspecifikationKrav Beskrivning Bör/SkallAutomatisk Borrvinkeln ska justeras hel- eller halvautomatiskt SkallLåsningsbar Lösningen ska vara låsningsbar i vinkelläget SkallSäkerhet Lösningen ska kunna användas på ett säkert sätt SkallGränssnitt Passa gränssnittet BörBorrvinkelintervallet Klara Borrvinkelintervallet 90° till 45° BörLastintervallet Klara Robbins 73RH’s lastintervall 1000-4200 kN [4] Bör

3.2 Generering

Konceptgenereringen handlar om att ta fram flera koncept som potentiellt kan lösa deproblem som finns i den nuvarande lösningen. De framtagna koncepten skapades utifrånden litteraturstudie som genomfördes samt genom diskussioner och brainstorming medhandledare både från Svea Teknik AB och Epiroc AB. Flertalet koncept skapades underarbetet och alla koncept jämfördes med kravspecifikationen. Som en del av genereringenutfördes en kraftanalys som beskrivs närmare nedan. Tre koncept valdes därefter ut somlämpliga kandidater för att lösa problemet. De tre koncepten studerades noggrannare.

3.3 Kraftanalys

För att undersöka vilka krafter som finns i systemet genomfördes en statiskt kraftanalys.Vid kraftanalysen identifierades fyra olika extremfall, se tabell 2. Fyra olika fall analyser-ades: ej borrning och uppåtgående stigortsfullborrning vid minsta och största borrvinkel,se figur 7.

Tabell 2: ScenarierScenarier BeskrivningFall 1 Ej borrning 90°Fall 2 Uppåtgående stigfullborrning 90°Fall 3 Ej borrning 45°Fall 4 Uppåtgående stigfullborrning 45°

8


Figur 7: Största och minsta lutningen av Robbins 73RH.

3.3.1 Fall 1

Fall 1 sker när maskinen är stående 90° och ingen borrning sker. Beteckningarna enligtFigur 8 införs för att beräkna de krafter som verkar i fäst punkterna för benen.

Figur 8: Beteckningar för fall 1 - Ej borrning 90°.

Kraftjämvikten från Figur 8 beräknas enligt

9


↑: FA + FB −mg

2= 0 (1)

och momentjämvikten beräknas moturs kring punkt B enligt

x:mg

2L1 − FAL2 = 0 (2)

Med de värden fån Tabell 3 blir kraften FA = 25 kN och kraften FB = 37kN.

Tabell 3: Fall 1Symbol Värde Variabelm 12 650 KgL1 361 mmL2 908 mm

3.3.2 Fall 2

Fall 2 sker när maskinen är stånde 90°och uppåtgående stigfullborrning sker. Beteck-ningarna enligt Figur 10 införs för att beräkna de krafter som verkar i fäst punkterna förbenen.

10


Figur 9: Fall 1

Figur 10: Beteckningar för fall 2 - Uppåtgående stigfullborrning 90°.


↑: FA + FB −FC

2− mg

2= 0 (3)


x:mg

2L1 +

FC

2L3 − FAL2 = 0 (4)

Med de värden fån Tabell 4 blir kraften FA = 1074 kN och kraften FB = 1087 kN.

Tabell 4: Fall 2Symbol Värde Variabelm 12 650 KgFc 4200 kNL1 361 mmL2 908 mmL3 454 mm

11


3.3.3 Fall 3

Fall 3 sker när maskinen är stående 45° och ingen borrning sker. Beteckningarna enligtFigur 11 införs för att beräkna de krafter som verkar i fäst punkterna för benen.

Figur 11: Beteckningar för fall 3 - Ej borrning 45°.


↗: FA + FB −mg

2cos(45) = 0 (5)


x:mg

2cos(45)L1 −

mg

2sin(45)L4 − FAL2 = 0 (6)

Med de värden fån Tabell 5 blir kraften FA = -37 kN och kraften FB = 81 kN.

Tabell 5: Fall 3Symbol Värde Variabelm 12 650 KgL1 361 mmL2 908 mmL4 1130 mm

3.3.4 Fall 4

Fall 4 sker när maskinen är stående 45°och uppåtgående stigfullborrning sker. Beteck-ningarna enligt Figur 12 införs för att beräkna de krafter som verkar i fäst punkterna förbenen.

12


Figur 12: Beteckningar för fall 4 - Uppåtgående stigfullborrning 45°.


↗: FA + FB −FC

2− mg

2cos(45) = 0 (7)


x:mg

2cos(45)L1 −

mg

2sin(45)L4 − FAL2 + FCL3 = 0 (8)

Med de värden fån Tabell 6 blir kraften FA = 1013 kN och kraften FB = 1131 kN.

Tabell 6: Fall 4Symbol Värde Variabelm 12 650 KgFc 4200 kNL1 361 mmL2 908 mmL4 1130 mm

3.3.5 Värsta fall

En sammanställning av alla de fyra fallen kan ses i tabell 7. Störst kraft sker vid uppåt-gående stigfullborrning.

Ett kraftdiagram skapades med hjälp av ekvationerna 7 och 8 för att se hur kraften ändrasberoende av vinkeln för FA och Fb, se figur 13. Från kraftdiagrammet ser man att denstörsta FA kraften sker i vid uppåtstigande borrning i 45°.

13


Tabell 7: Värsta fallFall FA FB

1 25 kN 37 kN2 1074 kN 1087 kN3 -37 kN 81 kN4 1013 kN 1131 kN

Figur 13: Kraftdiagram för FA och Fb.

Knäckning i det värsta fallet beräknades enligt Eulers fjärde knäckningsfall

FB =4π2EI

L2(9)

där I beräknas enligt

I =πr4

4(10)

Ekvation 10 sätts in i 9 och löser för r för att hitta minsta radie vid knäckning.

Med värden från Tabell 8 är den minsta radien innan knäckning 23 mm.

14


Tabell 8: Fall 4Symbol Värde VariabelL 1.4 Cirka längd för koncept [m]E 201 E-modul Rostfritt stål [GPa] [7]

3.4 Koncepten

Nedan presenteras de tre koncept som har studerats noggrannare. Alla tre koncepten ärkandidater att ersätta den nuvarande lösningen för att automatisk justera borrvinkeln påen stigortsborrmaskin.

3.4.1 Koncept 1

Det första konceptet är en hydraulisk lösning, se figur 14. I denna lösning används enhydraulikcylinder för att automatiskt justera borrvinkeln på stigortsborrmaskinen ochsedan används ett stånglås för att låsa cylinder för att säkerställa att stigortsborrmaskineninte ändrar vinkel av de stora krafterna vid uppåtgående stigortsborrning.

Figur 14: Koncept 1: hydraulik.

I Figur 15 visualiseras hur koncept 1 ser ut när den sitter på stigortsborrmaskinen Robbins73RH.

15


Figur 15: Koncept 1 monterat på stigortsborrmaskinen Robbins 73RH.

3.4.2 Koncept 2

Det andra konceptet är en skruvdomkraft lösning, se figur 16. I denna lösningen användsen skruvdomkraft för att automatiskt justera borrvinkeln på stigortsborrmaskinen ochsedan används en låsning av ingående axel för att säkerställa att stigortsborrmaskineninte ändrar vinkel av de stora krafterna vid uppåtgående stigortsborrning.

Figur 16: Koncept 2: Skruvdomkraft.


16



3.4.3 Koncept 3

Det tredje konceptet är en saxlift lösning, se figur 18. I denna lösningen används en saxliftför att automatiskt justera borrvinkeln på stigortsborrmaskinen och sedan en låsning avden ingående stången för att säkerställa att stigortsborrmaskinen inte ändrar vinkel av destora krafterna vid uppåtgående stigortsborrning.

Figur 18: Koncept 3: Saxlift


17



3.5 Evaluering

En evaluering av den tre genererade koncepten genomfördes genom att utvärdera demmed hjälp av en Pughs matris samt diskussioner med Epiroc AB och Svea Teknik AB.Syftet med evalueringen är att välja vilket koncept som ska undersökas grundligare ochvidareutvecklas.

3.6 Pugh matris

En Pughs matris genomfördes för att ställa varje koncept mot den nuvarande lösningenoch mot övriga potentiella koncept, se figur 20. Pughs matrisen är viktad, vilket innebäratt de kriterier som undersöks är rankade utifrån vilken betydelse den har för slutgiltigalösningen. Viktningen är framtagen genom diskussioner med Epiroc AB och varje konceptfår ett betyg som baseras på om konceptet är bättre eller sämre än den nuvarande lösnin-gen. Betyget -1 innebär att konceptet är sämre än den nuvarande lösningen, betyget +1är att konceptet är bättre och betyget 0 betyder att koncepten är likvärdiga. Detta betyganvänds då det är svårt att säga till vilken grad ett kriterium är bättre än den nuvarandelösning, till exempel: hur mycket mer automatiserad konceptet är. Enligt Pughs matrisenär koncept 1 och 2 bättre än den nuvarande lösningen medan koncept 3 är näst intilllikställd den nuvarande lösningen.

18


Figur 20: Pughs matris där koncepten ställs mot den nuvarande lösningen.

Genom diskussion med Epiroc AB samt handledare från Svea Teknik AB bedömdes attkoncept 1 är den mest intressanta lösningen att vidareutveckla. Koncept 2 ansågs nämli-gen inte vara optimal i de dammiga och smutsiga miljöerna som finns i gruvor.

19


4 VIDAREUTVECKLING AV VALDA KONCEPT

I detta kapitel beskrivs hur koncept 1 vidareutvecklades. I detta steg genomfördes engränssnitt- och kraftanalys. Det genomfördes även en dimensionering av de komponentersom valdes för koncept 1 samt en CAD visualisering. En FEM-analys genomfördes slutli-gen på de valda komponenterna för att säkerställa att de klarar av de krafter som verkari systemet.

4.1 Utveckling av koncept 1

Vidareutvecklingen av koncept 1 inleddes med en gränssnittsanalys. Beräkningar på sam-bandet mellan vilken kraft som en hydraulcylinder skapar och hur mycket låskraft sombehövs för att säkerställa att stigortsborrmaskinen inte ändrar borrvinkel vid användning.Kraftanalysen användes sedan för att hitta leverantörer av de komponenter som behövsför att ta fram ett nytt fungerande koncept.

4.1.1 Gränssnitt

Enligt kravspecifikationen bör det framtagna konceptet passa i nuvarande gränssnitt. Idet nuvarande gränssnittet finns 4 stycken olika fästpunkter för det övre fästet. En gränss-nittstudie genomfördes på stigortsborrmaskinen Robbins 73RH för att för att se hur långtdet är till fästpunkterna vid olika lutningar. I Figur 21 visas längderna när stigorts-borrmaskinen står i 45 grader lutning, vilken är den maximala lutningen maskinen börklara.

20


Figur 21: Längder från gränssnitt vid 45 grader lutning.

I Tabell 9 visas de längderna från bilden ovan.

Tabell 9: Fall 4Symbol Värde VariabelL1 1118 mmL2 802 mmL3 989 mmL4 1165 mmL5 1343 mm

I Figur 22 visas längderna när stigortsborrmaskinen står i 90 grader lutning, dvs ho-risontellt. Detta sker när stigortsborrmaskinen används för att borra rakt ner och är denminsta lutningen stigortsborren bör klara av.

21


Figur 22: Längder från gränssnitt vid 90 grader lutning.


Tabell 10: Fall 4Symbol Värde VariabelL1 1118 mmL2 0 mmL3 190 mmL4 368 mmL5 549 mm

I Figur 23 visas längderna vid de två fästena på fötterna som konceptet måste anpassasefter.

22


Figur 23: Längder från gränssnitt vid fästena.


Tabell 11: Fall 4Symbol Värde VariabelL1 273 mmL2 173 mmL3 159 mmØ 83 mm

I Tabell 12 Visas en sammanställning från Tabellerna 9 och 10 och den slaglängd de olikalängderna har.

Tabell 12: Sammanställning av längder och slaglängder för Robbins 73RHSymbol Värde 90° Värde 45° Slaglängd VariabelL2 0 802 802 mmL3 190 989 799 mmL4 368 1165 797 mmL5 549 1343 794 mm

4.1.2 Kraftanalys

Först beräknades hur mycket kraft en hydraulcylinder kan skapa beroende av vilken storlekkolvdiametern den har. Detta beräknades med

F = P ∗ A (11)

23


där F är kraft [N] P är tryck [Pa] och A är area [m2].

Detta genomfördes för kolvdiametrarna 50 mm till 400 mm med ett tryck på 25 MPa.Resultatet från ekvation 11 med de olika kolvdiametrarna visas i Figur 24.

Figur 24: Kraften [kN] beroende på kolvdiameter för en hydraulcylinder.

Figur 25: Låskraft [kN] som behövs vid olika kolvdiameter.

24


4.2 Dimensionering av komponenter

För att säkerställa en säker uppåtgående stigortsborrning genomfördes en undersökn-ing av marknaden för att hitta tillverkare av hydraulcylindrar och låsningsmekanism förkolvstänger som klarar en stor axiell kraft.

4.2.1 Hydraulcylinder

Det finns många tillverkare av hydraulcylindrar i världen. I denna rapport valdes tretillverkare ut för en analys av vilken kraft hydraulcylinder skapar beroende på hur mycketBar hydraulcylinder klarar. De utvalda tillverkarna är Liebherr, Bosch Rexroth och Arcos.Den axiell kraften beräknas med tryck och kolvdiameter med ekvation 11. Kraften somgenereras från hydraulcylinder subtraheras med den största kraft som stigortsborrmask-inen skapar vid värsta fall, detta generar en differens, vilket en kraft som låsmekanismbehöver klara för att inte borren skall ändra vinkel vid borrning, se tabell 13

Tabell 13: Sammanställning av den axiella kraft en hydraulcylinder skapar samt den kraftsom behövs av låsmekanismen

Tillverkare Bar Diameter [mm] 100 110 120 130 140 150 160Liebherr[8] 380 Kraft [kN] 298 361 430 504 585 672 764

Saknas [kN] 756 693 624 550 469 382 290Rexroth[9] 350 Kraft [kN] 275 333 396 465 539 619 704

Saknas [kN] 779 721 658 589 515 435 350Arcos[10] 250 Kraft [kN] 196 238 283 332 385 442 503

Saknas [kN] 858 816 771 722 669 612 551

4.2.2 Låsningsmekanism

På samma sätt som med hydraulcylindrar finns det många tillverkare av låsanordningarför att klara att låsa en kolvstång i axiell led. Låsanordningen delades upp i två typer sombåda klarar att låsa en kolvstång i axiell led. Typ 1 Klämbussningar, en klämbussningbehöver operatör för att klämma åt bussningen mot kolvstången. Typ 2 Hydraulik, dennatyp av låsanordning använder hydraulik för att låsa kolvstången.

Typ 1 klämbussningar: Två tillverkare valdes ut för att undersökas vidare, KTR ochRingspann. Två modeller av klämbussningar från vardera tillverkare valdes ut då dempassar konceptet bäst. Diameter med axiell låskraft visas i tabell 14

Tabell 14: Sammanställning av den axiella kraft klämbussningarna skaparTillverkare Typ Diameter [mm] 100 110 120 130 140 150 160KTR KTR 100[11] Kraft [kN] 232 232 247 310 341 371 403KTR KTR 400[11] Kraft [kN] 520 520 605 708 826 944 944Ringspann RLK 402[12] Kraft [kN] 570 570 660 780 900 1050 1050Ringspann RLK 608[13] Kraft [kN] 300 440 460 650 640 760 1000

Typ 2 Hydrauliklåsning: Två tillverkare valdes ut för att undersökas vidare, Sitema och

25


ETP. Två modeller av hydraullåsningar valdes ut från Sitema och en från ETP för attundersökas vidare. Diameter med axiell låskraft visas i tabell 15.

Tabell 15: Sammanställning av den axiella kraft Hydrauliklåsning skaparTillverkare Typ Diameter [mm] 110 120 130 140 150 160Sitema KB[14] Axiell kraft [kN] 450 - - 600 - 800Sitema FSK[15] Axiell kraft [kN] - - 625 - - 1400ETP ETP-Hyloc[16] Axiell kraft [kN] 595 720 825 985 1135 1305

4.2.3 Sammanställning

En utvärdering genomfördes på de utvalda komponenterna som redovisades ovan och sombedömdes passa bäst i stigortsborrmaskinens gränssnitt och klara den axiella kraften somuppstår vid stigortsborrning.

Hydraulcylindrarna från Bosch Rexroth och Acros har den bästa designen för att passa ini stigortsborrmaskinens gränssnitt. Dessa hydraulcylindrar är även bäst lämpade för mod-ifiering för att kunna montera en låsanordning på cylindern undersida. En undersökninggenomfördes för att se vilken av dessa två låsanordningar som är lämpligast. Det vill säga,vilken diameter på kolvstången som behövs, hur mycket axiell kraft låsanordningen klararoch vilken kraft som de två hydraulcylindrarna skapar. Den låsanordning som passar bästihop med hydraulcylindrarna är ETP-hyloc samt klämbussningarna KTR 400 och RLK402. I Tabell 16 visas hur mycket axiell kraft låsanordningen klarar och hur mycket kraftdet är i differens från den maximala kraft som systemet har.

Tabell 16: Sammanställning mellan låsanordningar och hydraulcylindrarModell Diameter [mm] Axiell kraft [kN] Arcos Säk [kN] Rexroth Säk [kN]ETP-hyloc 120 720 -51 62ETP-hyloc 130 825 103 236ETP-hyloc 140 985 263 396ETP-hyloc 160 1305 754 955KTR 400 140 826 157 311KTR 400 160 944 393 594RLK 402 130 780 111 265RLK 402 160 1050 499 700

I ovanstående tabell visas att alla modeller utom ETP-hyloc med 120 mm i diameter meden Arcos hydraulcylinder klarar att hantera den maximala axiella kraft som systemet harvid borrning. I Tabell 17 visas dimensionerna på de valda låsanordningarna.

26


Tabell 17: Sammanställning av låsanordningarnas dimensionerModell Diameter [mm] Höjd [mm] Ytterdiameter [mm] Vikt [kg]ETP-hyloc 120 150 186 14ETP-hyloc 130 160 182 17ETP-hyloc 140 170 213 21ETP-hyloc 160 190 240 30KTR 400 140 128 190 11KTR 400 160 128 210 11RLK 402 130 128 180 10RLK 402 160 128 210 11

Som man kan se från tabellen ovan är det vikt och höjd som skiljer sig mellan en hydraulisklösning och en klämmbussning. Då den hydrauliska lösningen är automatisk och kräveringet fysiskt arbete för att låsas runt kolvstången. Det är en sådan lösningen som jämförsmed de två hydraulcylindrarna i tabell 18 för att hitta den bästa kombinationen.

Tabell 18: Sammanställning Hydraulcylindrar och ETP-Hyloc låskraft

Modell Inre cylinder-diameter [mm]

Kolvstångs-diameter[mm]

Kraft hydraul-cylinder [kN]

Låskraftsom behövs [kN]

ETP-HylocLåskraft[kN]

Rexroth 140 100 538 516 485Rexroth 160 110 703 351 595Rexroth 200 140 1100 - 985Rexroth 220 160 1330 - 1305Arcos 160 100 503 551 485Arcos 180 110 636 418 595Arcos 220 140 950 104 985Arcos 250 160 1227 - 1305

Utifrån tabell 18 kan slutsatsen dras att det finns flertalet kombinationer som går attanvända för att klara de axiella krafterna. För att välja vilken av hydraulcylindrarnasom skulle kunna användas genomfördes en egenskaps och dimensionsanalys. De tvåhydraulcylindrarna har många tillval gällande tätningar, lager, material och sensorer.

Designen på de två hydraulcylindrarna skiljer sig åt. Arcos hydraulcylinder har en rakaredesign som passar bättre i gränssnittet än Borsch Rexroth hydraulcylinder, de två hy-draulcylindrarna visualiseras i figur 26.

27


Figur 26: Vänster: Rexroth Höger: Arcos

Vid borrning kommer det uppstå en böjspänning i kolvstången eftersom kolvstången inteär parallell med kraften som uppkommer vid borrning, se figur 27

28


Figur 27: Vinkel mellan ben och borr.

Storleken på vinkeln A är beroende på hur fästet utformas, en böjspännings analys genom-fördes enligt

σRp0.2 =Mb

Wb(12)

där Böjmomentet beräknas enligtMb = FL (13)

och för en kolvstång är

Wb =πd3

32(14)

Ekvationerna löses för vilken kolvstångsdiameter som behövs för de olika vinklarna. F =1074 kN och är den maximala kraft som verkar på kolvstången för de olika vinklarna. L =875 mm vilket är ett bra riktmärke för att uppskatta hur lång kolvstången kan bli. Sträck-gränsen σRp0.2 för rostfritt stål 1.4418 är 750 MPa [17]. Resultatet av undersökningen visasi Figur 28

29


Figur 28: Diagram av diameter beroende av borrvinkel.

Efter att de olika hydraulcylindrar utvärderades gjordes bedömningen att en hydraulcylin-der från Arcos med kolvdiameter 160 mm skulle användas tillsammans med en ETP-hyloclåsmekanism. För att hydraulcylindern ska klara av de stora krafter som verkar i systemetkommer låsmekanismens främsta uppgift vara att låsa kolvstången. På så sätt uppnås enkonstruktion där borrvinkeln inte ändras på grund av de kraftiga vibrationer som upp-kommer vi stigortsborrning.

4.3 3D-Modellering av komponenter

En CAD-modell skapades med de komponenter som enligt sammanställningen passar bästför att klara de krav som finns för konceptet. Konceptets slutgiltiga design samt kompo-nenter illustreras i Figur 29. De båda fästena är designade för att få komponenterna attpassa i gränssnittet.

30


Figur 29: Slutgiltig CAD-modell med valda komponenter.

4.3.1 Hydraulcylinder

Hydraulcylindern kommer från en svensk tillverkare vid namn Arcos Hydraulik AB, somerbjuder kundanpassade hydraulcylindrar och hjälper köparen med justeringar och inbyg-gnadsmått. Grundmodellen för hydraulcylindern heter LHA 25 och är en dubbelverkandehydraulcylinder som är konstruerad att klara 250 Bar och lämpar sig för stora belast-ningar inom industri [18]. Arocs I Figur 30 visas de komponenter som hydraulcylinderbestår av. I appendix D hittas samtliga dimensioner som hydraulcylindern har.

31


Figur 30: Hydraulcylinder LHA25 från Arcos.

Det finns många sätt att modifiera hydraulcylindern LHA 25 så att den passar för än-damålet. Arcos tillhandahåller flera olika sensorer för hydraulcylindern. En linjär posi-tionssenor valdes eftersom den kan läsa av vilken position kolven har. En linjär position-ssenor hjälper operatören att ställa in borrvinkeln samt kontrollera att denna inte ändrasnär borrning sker. Alla delar förutom kolvstången är tillverkade i kolstål. Kolvstångenär tillverkad i kolstål eller rostfritt stål (1.4418). Då rostfritt stål rekommenderas vidanvändning i korrosiv miljö valdes denna typ av kolvstång. Det finns även flera typer avlager och tätningar att välja på för att uppnå en så bra anpassning till miljö som möjligt.Fästet i botten av kolvstången är gängad för att enkelt kunna monteras ihop med detnedre fästet på konceptet. Se appendix C för de fullständiga tekniska specifikationernaoch de valmöjligheter som finns för LHA 25.

Hydraulcylindern har förlängts med 160 mm för att skapa en plats för låsanordningen, sefigur 31.

32


Figur 31: Förlängning av cylinder för att skapa plats åt låsanordning.

Den förlängning som gjordes på hydraulcylindern medförde att även kolvstången behövdesförlängas. Kolvstången förlängdes med 115 mm och i Figur 32 visas en sektions vy avhydraulcylindern vid den minsta och största vinkel borrning kan utföras.

Figur 32: Sektions vy av kolvstång vid 90° och 45°.

4.3.2 Låsanordning

Låsanordningen som valdes tillverkas av ETP och modellen heter ETP-Hyloc. ETP-Hyloc är en hydraulisk låsanordning som är lätt att montera och är utvecklad för tuffamiljöer. Montering och demontering sker med hjälp av en hydraulisk pump.[19] ETP-hylocmonteras mellan cylindern och kolvstången, se figur 33.

33


Figur 33: Monteringsinstruktion ETP-Hyloc.

4.3.3 Fäste hydraulcylinder

Inget av de fästen för hydraulcylindern Arcos tillhandahåller passade för det nuvarandegränssnittet. Ett nytt fäste konstrueras därför, se figur 34.

34


Figur 34: Fäste hydraulcylinder.

Fästet består av två delar, rotationsfäste och distansfäste. Rotationsfästet är sammasom finns i den nuvarande lösningen och på denna har det monterats ett distansfäste.Distansfästet uppgift är att skapa en distans mellan cylindern och stigortsborrmaskinen.På grund av spänningarna som uppstår av de stora krafterna måste vinkeln mellan cylinderoch maskin vara liten. En liten vinkel medför att gränssnittet på maskinen vid fästpunktenbehövde ändras, vilket kommer att diskuteras i kapitel 5.1. Se figur 35.

Figur 35: Fäste hydraulcylinder med distans.

Fästet monteras på hydraulcylindern med en svetsförband där den tillåtna skjuvspännin-

35


gen erhålls enligt [20, s. 28]:

τ =F

A(15)

därA = 2La (16)

där a är tvärsnittet från svetsen, se figur 36.

Figur 36: Tvärsnitt i ett svetsförband

Beteckningar enligt Figur 37 införs för att beräkna skjuvspänningen i svetsförbandet.

36


Figur 37: Längd L och bredd X i ett svetsförband.

Skjuvspänningen som uppstår i svetsförbandet beräknas till τ= 251 MPa när F = 1074kN, L = 300 och X = 10 som ger att a = 7.1. Skjuvspänning har en säkerhet på 2 omman jämför med ESAB Shield-Bright 309LMo X-tra som är en svetstråd utvecklad försvetsning av rostfritt stål till kolstål och har en sträckgräns på 550 MPa [21].

4.3.4 Fäste kolvstång

Arcos tillhandahåller flera fästen för kolvstången, ett gängat fäste valdes då den pas-sar bra in i konstruktionen. Kolvstångsfästet består av två delar, rotationsfäste och engängat kolvstångsfäste. Rotationsfästet är samma som finns i den nuvarande lösningen.Kolvstångsfästet illusteraras i Figur 38.

37


Figur 38: Fäste kolvstång med gängad del för att låsa kolvstången.

För att uppnå en liten vinkel mellan hydraulcylinder och maskin behövde en gränss-nittsjustering genomföras på axeln där rotationsfästet placerats. Axeln behövde flyttasframåt 30 mm, se figur 39.

Figur 39: Förflyttning av axeln för kolvstångsfästet.

4.4 Funktion

Stigortsborrmaskinen Robbins 73RH förflyttas till den plats där borrningen ska ske på encrawler, se figur 40.

38


Figur 40: Crawler T190D som är transportfordon för Robbins 73RH.

Stigortsborrmaskinen ligger horisontellt på crawler under transport och reses upp vidborrplattformen. borrplattformen är vanligtvis en gjuten yta. På ytan fäster man stig-ortsborrmaskinens fötter.

Processen för att ställa upp stigortsborrmaskinen sker i de fem steg nedan, för en visu-alisering se figur 41. För att förflytta stigortsborrmaskinen när borrhålet är färdigt skerprocessen i omvänd ordning:

1. Crawlern T190D börjar tippar stigortsborrmaskinen så att det bakre fästet på föt-terna ansluts.

2. Kolvstången justeras och fäst i det främre fästet

3. Crawlern kopplas bort

4. Stigortsborrmaskinen sänkts till den borrvinkeln som efterfrågas

5. Hydraulik kopplas in på låsanordningen och låser stigortsborrmaskinen

39


Figur 41: Processen för att ställa upp stigortsborrmaskinen.

4.5 Verifiering av komponenter

En FEM-analys genomfördes på komponenterna med CREO Simulate. En FEM-analysgenomförs för att undersöka komponenternas Von Mises spänning för att säkerställa attkomponenterna klarar de krafter som verkar på systemet. Alla FEM-analyser genomfördesför Fall 4 Uppåtgående stigfullborrning 45° men en konvergensnivå på 5 %. De bådafästena analyseras med ett leg stål 2225-5, materialegenskaper [7] hittas i tabell 19. Stål2225-5 valdes då det är svetsbart och rekommenderas att användas till industrier som haren kontinuerlig drift [22].

40


Tabell 19: Materialegenskaper stål 2225-5Variabel Symbol VärdeDensitet [kg/m3] ρ 7800E-modul [GPa] E 206Poisson [-] ν 0.3Sträckgräns [MPa] σRp0.2 700

Kolvstången är tillverkad i rostfritt stål (1.4418), materialegenskaperna [17] hittas i tabell20.

Tabell 20: Materialegenskaper rostfritt stål 1.4418Variabel Symbol VärdeDensitet [kg/m3] ρ 7700E-modul [GPa] E 200Poisson [-] ν 0.3Sträckgräns [MPa] σRp0.2 750

4.5.1 Hydraulcylinder med fäste

En FEM-analys genomfördes på svetsförbandet som finns mellan Hydraulcylindern. Denmaximala Von Mises spänningen i komponenten är 340 MPa och den är vid yta A, sefigur 42. Den pålagda kraften simulerar det kraft som verkar på cylinderns yta som är ikontakt med låsanordningen med restriktionen att hydraulcylindern är låst i botten därlåsmekanismen sitter, pålagda krafter visas i tabell 21.

41


Figur 42: Krafter och spänningar i mellan hydraulcylindern och fästet.

I svetsförbandet är den maximala Von Mises spänningen 267 MPa och sker vid punkt B,se figur 43. Sträckgränsen i analysen är lägre än den tillåtna sträckgränsen som är 700MPa.

42


Figur 43: Krafter och spänningar i svetsförbandet.

Tabell 21: Pålagda krafter hydraulcylinder med fästeRiktning Kraft [kN]X-led 0Y-led 0Z-led 1074

4.5.2 Fäste Hydraulcylinder

En FEM-analys genomfördes på fästet för hydraulcylindern. Yta B är den ytan som äri kontakt med hydraulcylindern och det är där kraften verkar, yta A sitter monterad påstigortsborrmaskinen och kan rotera när borrvinkeln ändras, se figur 44, pålagda kraftervisas i tabell 22. Den maximala Von Mises spänningen i fästet är 662 MPa vilket är näraden tillåtna sträckgränsen i materialet som är 700 MPa, och uppstår på yta B.

43


Figur 44: Krafter och spänningar i hydraulcylinderns fäste.

Tabell 22: Pålagda krafter hydraulcylinderns fästeRiktning Kraft [kN]X-led 0Y-led 0Z-led 1074

4.5.3 Kolvstång

En FEM-analys genomfördes på kolvstången för att undersöka om den klarar av de kraftersom verkar på den. En knäckanalys genomfördes för att kontrollera att knäckning avkolvstången inte sker. Kraften placeras på yta A och en restriktion på yta B, se figur 45,pålagda krafter visas i tabell 23. Enligt simuleringen ska knäckning ske när kraften är 13gånger större än den kraft som verkar på systemet vid borrning i det värsta fallet, fall 2.

44


Figur 45: Knäckfall kolvstång.

Tabell 23: Pålagda krafter knäckfallRiktning Kraft [kN]X-led 0Y-led 0Z-led -1074

En FEM simulering av Von Mises spänningen visar att den maximala spänningen ikolvstången är 608 MPa och uppstår i yta B, se figur 46. Den spänning som uppkommeri kolvstången är lägre än sträckgränsen för materialet som är 750 MPa. Restriktionenför analysen är att kolvstången är monterat i de gängor som finns i det nedre fästet ochkan därmed inte rotera. Hydraulcylindern är låst med låsmekanismen vid den störstaborrvinkeln, pålagda krafter visas i tabell 24. Den maximala spänningen stämmer braöverens med den vinkelanalys som genomfördes i kapitel 4.2.3 Sammanställning.

45


Figur 46: Maximala spänning enligt Von Mises.

Tabell 24: Pålagda krafter knäckfallRiktning Kraft [kN]X-led 0Y-led -214Z-led -990

4.5.4 Fäste kolvstång

En FEM-analys genomfördes på fästet som är monterat i den nedre delen av kolvstångenoch i foten på stigortsborren. Restriktionen för detta fall är att det nedre fästet kan roterafritt på axeln. Den maximala Von Mises spänningen i fästet är 236 MPa vilket är mycketmindre än den tillåtna sträckgränsen för materialet på 700 Mpa, denna spänning uppståri yta B, se figur 47, pålagda krafter visas i tabell 25.

46


Figur 47: Maximala spänning enligt Von Mises i fästet för kolvstången.

Tabell 25: Pålagda krafter knäckfallRiktning Kraft [kN]X-led 0Y-led 0Z-led -1074

47


5 DISKUSSION OCH SLUTSATS

I detta kapitel presenteras en diskussion och en slutsats avseende om arbetet har uppnåttde ställda frågorna

5.1 Diskussion

Examenarbetet syftar till att undersöka och konstruera en ny säkrare och mer tidseffek-tiv lösning för att ändra borrvinkeln på stigortsborrmaskinen Robbins 73RH. Den nyalösningen ska justera borrvinkeln på ett halv- eller helautomatiskt sätt.

Idag har stigortsborrmaskinen Robbins 73RH från Epiroc AB en mekanisk vantskruv föratt justera borrvinkeln. Detta är en tidskrävande och besvärlig uppgift som involverarmanuellt arbete samt medför risk för skada på personal. Ett stort problem med dagenslösning är att vantskruven position kan ändras på grund av de stora krafterna vid borrning.Det nya konceptet är automatiskt och använder sig av hydraulik för att justera borrvinkelnpå stigortsborrmaskinen. Den nya lösningen reducerar tidsåtgången för att ställa in ochjustera borrvinkeln. Den nya lösningen minimerar även riskerna för skador då den intekräver ett manuellt fysiskt arbete. För att förhindra att positionen ändras vid borrning haren låsmekanism monterats under hydraulcylindern för att låsa kolvstången när borrningsker.

Fördelarna med det nya konceptet är att tiden vid justering av borrvinkeln är reducerad dådet nya konceptet är helautomatiskt. Då konceptet är helautomatiskt krävs inget manuelltarbete och är därmed säkrare för den personal som arbetar med stigortsborrmaskinen.Med hjälp av låsanordningen kan borrvinkeln låsa fast kolvstången efter justering och påså sätt förhindra att borrvinkeln ändras vid borrning. Den nya lösningen klarar även attarbeta i samma lastintervall och vinkelområde som den nuvarande lösning har.

På grund av de stora krafterna är storleken på vinkeln mellan ben och maskinen viktig, dåden skapar en spänning i kolvstången. FEM-analysen genomfördes för att undersöka VonMises spänningens på kolvstången och på så sätt identifiera vilken vinkel och storlek påkolvstång som kan hantera krafterna. Från FEM-analysen visade det sig att bör-kravet"passa i gränssnittet" inte går att uppfylla. Två gränssnittsjusteringar genomfördes för attminska vinkeln och därmed minska spänningen i kolvstången. Det nedre fästet flyttadesframåt samtidigt som distansfästet minskades. Detta medför att hydraulcylindern gåremot maskinen. En förändring i maskinfästet behöver därför genomföras, justeringenutfördes inte i detta arbete på grund av tidsramen och men är något som behöver göras idet framtida arbetet.

Detta arbete har inte genomfört beräkningar för utmattning eller livslängd. En livslängds-analys ansågs inte vara nödvändigt då justering av borrvinkeln sällan sker. Dock finnsdet en risk för att den nya lösningen kan utsättas för utmattning från de vibrationer somuppkommer vid borrning. Därför behöver en sådan analys göras i framtiden

48


5.2 Slutsats

Nedan besvaras de forskningsfrågorna som ställs i kapitel 1.3:

• Tiden för justering av borrvinkeln har reducerats genom användning av en hy-draulcylinder som alltid är monterad på samma ställe på stigortsborrmaskinen. Detmanuella tidskrävande arbete för att byta grovinställning samt finjustera med envantskruv har därmed försvunnit.

• Lösningen för att justera borrvinkeln är helautomatiskt då lösningen använder hy-draulik.

• Lösningen som är framtagen är säkrare för de operatörer som ska utföra uppgiften.Då justeringen sker helautomatiskt har det manuella arbetet reducerats vilket med-för att risken för personskador även har minskat.

• De stora krafterna som uppstår vid stigortsborrning medförde att det nuvarandegränssnittet behövde modifierats för att skapa plats åt hydraulcylindern.

• Vinkeln vid stora krafter eller vid vibrationer ändras inte då låsmekanismen låserkolvstången efter att borrvinkeln har justerats.

och om lösningen:

• Konceptlösningen klarar vinkelområdet (90° till 45°).

• Konceptlösningen klarar lasten (1000-4200 kN).

6 FRAMTIDA ARBETE

Det finns flera saker som behöver utformas eller utföras för att färdigställa konceptet.Förslag för framtida arbete presenteras i listan nedan.

• Utforma ett nytt fäste för hydraulcylindern på stigortsborrmaskinen.

• Skala koncepten för användning på Epiroc AB:s alla stigortsborrarmaskiner.

• Utforma ett hydrauliskt styrsystem.

• Utforma kopplingar till hydraulcylindern och låsanordningen.

• Bestämma hur hydraulslangarna ska dras.

• Utföra livscykelanalys.

• Utföra livslängsanalys.

• Utföra utmattningsanalys.

• Utföra ett test av slutprodukten.

49


7 REFERENSER

[1] Aydin Shaterpour-Mamaghani, Nuh Bilgin, Cemal Balci, Emre Avunduk, and CanPolat. Predicting performance of raise boring machines using empirical models. RockMechanics and Rock Engineering, 49(8):3377–3385, 2016.

[2] Infrastructures. Overview raiseboring. tillgänglig på http://www.infrastructures.com/0111/sandvik.htm (2020/01/24).

[3] Epiroc. Robbins 73r. tillgänglig på https://www.epiroc.com/en-uk/products/raiseboring/robbins-73r (2020/01/14).

[4] Oskar Lindberg. Konversation med Oskar. Epiroc, December 2019.

[5] David G. Ullman. The Mechanical design process. McGraw-Hill series in mechanicalengineering. McGraw-Hill, Boston, 4. edition, 2010.

[6] Epiroc. Raiseboring machines. tillgänglig på https://www.epiroc.com/en-us/products/raiseboring (2020/01/14).

[7] KTH. Maskinelement HANDBOK. Institutionen för maskinkonstruktion, Stockholm,1. edition, 2008.

[8] Liebherr. Liebherr hydraulcylinder. tillgänglig på https://www.liebherr.com/en/int/products/components/hydraulics/hydraulic-cylinders/hydraulic-cylinder-series-production-range/f-cp-hydraulic-cylinder-380-bar-series-production-range/hydraulic-cylinder-series-production-range-380-bar.html (2020/09/11).

[9] Bosch Rexroth. Bosch rexroth hydraulcylinder. tillgänglig på https://www.boschrexroth.com/en/xc/products/product-groups/industrial-hydraulics/cylinders/mill-type-cylinder/cd-single-rod-cylinder (2020/09/11).

[10] Arcos. Arcos hydraulcylinder. tillgänglig på https://www.arcos.se/hydraulcylindrar/(2020/09/11).

[11] KTR. Ktr klämbussningar. tillgänglig på https://www.ktr.com/catalog/index.php?catalog=DriveTechnology#page_280 (2020/09/11).

[12] Ringspann. Ringspan 402 klämbussning. tillgänglig på https://www.ringspann.se/en/products/shaft-hub-connections/cone-clamping-elements/centres-the-hub-to-the-shaft/cone-clamping-elements-rlk-402 (2020/09/11).

[13] Ringspann. Ringspan 608 klämbussning. tillgänglig på https://www.ringspann.se/en/products/shaft-hub-connections/shrink-discs/two-part-design/shrink-discs-rlk-608 (2020/09/11).

50

http://www.infrastructures.com/0111/sandvik.htm

http://www.infrastructures.com/0111/sandvik.htm

https://www.epiroc.com/en-uk/products/raiseboring/robbins-73r

https://www.epiroc.com/en-uk/products/raiseboring/robbins-73r

https://www.epiroc.com/en-us/products/raiseboring

https://www.epiroc.com/en-us/products/raiseboring

https://www.liebherr.com/en/int/products/components/hydraulics/hydraulic-cylinders/hydraulic-cylinder-series-production-range/f-cp-hydraulic-cylinder-380-bar-series-production-range/hydraulic-cylinder-series-production-range-380-bar.html





https://www.boschrexroth.com/en/xc/products/product-groups/industrial-hydraulics/cylinders/mill-type-cylinder/cd-single-rod-cylinder



https://www.arcos.se/hydraulcylindrar/

https://www.ktr.com/catalog/index.php?catalog=DriveTechnology#page_280

https://www.ktr.com/catalog/index.php?catalog=DriveTechnology#page_280

https://www.ringspann.se/en/products/shaft-hub-connections/cone-clamping-elements/centres-the-hub-to-the-shaft/cone-clamping-elements-rlk-402



https://www.ringspann.se/en/products/shaft-hub-connections/shrink-discs/two-part-design/shrink-discs-rlk-608




[14] Sitema. Sitema kb hydraullåsning. tillgänglig på https://www.sitema.com/en/products/locking_units/technical_data.php (2020/09/11).

[15] Sitema. Sitema fsk hydraullåsning. tillgänglig på https://www.sitema.com/en/products/power_stroke/technical_data.php (2020/09/11).

[16] ETP. Etp hyloc hydraullåsning. tillgänglig på https://www.etp.se/sites/default/files_two/ETP-HYLOC-PRODUCT-SHEET.pdf (2020/09/11).

[17] Valbrunanordic. Rostfritt stål 1.4418. tillgänglig på https://www.valbrunanordic.se/en/stainless-steel-bars/steel-grades/1-4418/ (2020/09/22).

[18] Arcos. Arcos dubbelverkande hydraulcylinder lha 25. tillgänglig på https://www.arcos.se/hydraulcylindrar/ (2020/09/13).

[19] ETP. Etp-hyloc. tillgänglig på https://www.etp.se/en/products/power-transmission/etp-hyloc (2020/09/13).

[20] Sture Lönnelid and Rune Norberg. Grundläggande hållfastighetslära. Stiftelsen Kom-pendieutgivningen, Stockholm, 4. edition, 2009.

[21] ESAB. Esab shield-bright 309lmo x-tra. tillgänglig på https://www.esab.se/se/se/products/filler-metals/gas-shielded-flux-cored-wires-fcaw/stainless-steel-wires/shield-bright-309lmo-x-tra.cfm (2020/09/22).

[22] kihlsteel. Svetsbara seghärdningsstålet ss2225. tillgänglig på http://www.kihlsteel.se/Staalnytt-2225.pdf (2020/09/22).

51

https://www.sitema.com/en/products/locking_units/technical_data.php

https://www.sitema.com/en/products/locking_units/technical_data.php

https://www.sitema.com/en/products/power_stroke/technical_data.php

https://www.sitema.com/en/products/power_stroke/technical_data.php

https://www.etp.se/sites/default/files_two/ETP-HYLOC-PRODUCT-SHEET.pdf

https://www.etp.se/sites/default/files_two/ETP-HYLOC-PRODUCT-SHEET.pdf

https://www.valbrunanordic.se/en/stainless-steel-bars/steel-grades/1-4418/

https://www.valbrunanordic.se/en/stainless-steel-bars/steel-grades/1-4418/



https://www.etp.se/en/products/power-transmission/etp-hyloc

https://www.etp.se/en/products/power-transmission/etp-hyloc

https://www.esab.se/se/se/products/filler-metals/gas-shielded-flux-cored-wires-fcaw/stainless-steel-wires/shield-bright-309lmo-x-tra.cfm



http://www.kihlsteel.se/Staalnytt-2225.pdf

http://www.kihlsteel.se/Staalnytt-2225.pdf


APPENDIX

A. Robbins 73R Specifikation

A


B


B. Projektförslag

Our reference

Exjobb 2020-01

Svea Teknik AB

Svea Teknik AB Visitors address: Telephone +46 (0)8 556 115 00

Värmdövägen 84 Värmdövägen 84 Fax No. +46 (0)8 601 96 65 131 54 Nacka Nacka www.sveateknik.se

Create a safer and more automatic adjusting mechanism for the drill-angle on raiseboring mashines

Background Today all raiseboring machines have a mechanical turnbuckles to adjust the drilling angle. To change the angle is a cumbersome task that involovle manual labour and take time. There is also a potential problem with todays solution that they will change position during drilling.

Target / mission description The thesis is primarily aimed at investigating new concepts and solutions to semi automate or automate the procedure of adjusting the drillangle setting., and also generate consepts to answer the following questions: Can it be a selflocking mechanism ? Is it reliable? Is the new solution within the same interfaces as the old one? Is it affordable? Is it possible to take the whole angle span? Is it possible to have the same solution for the whole load span (1000-9000 kN) This is some of the questions that need to be answered. The following topics are meant to be included in the work:

1. Understanding different mechanical devices with literature study from other type of applications

2. Refine literature study and generate concepts based on new ideas and existing designs

3. Verify design with existing interfaces and boundary conditions including stress analysis

4. If time, some detailing of crucial design parts of the generated concept Education / line / focus The focus is on Mechanics and we think you have a deep knowledge of machine elements. You will within this thesis probably generate mechanical concepts new to Epiroc. Appropriate education we believe is; M.Sc. in Mechanical Engineering Number of students: 1-2 Start date for ex-job: january of 2020 Estimated time duration: 20 weeks Contact persons and supervisors Jacob Wollberg 070 745 5031 mail Jacob.wollberg@svea teknik.se About Svea Teknik: We are a small consultancy company with about 20 employees situated in Sickla/Nacka. We have been working together with KTH with master thesis students since 2008, and today more than 70% of our employees have done there master thesis at Svea Teknik. Pop us a mail if you are interested! About Epiroc: Epiroc is the frontline company regarding mining technology. Epiroc has the bold ambition for a future with digital automation, because this will increase productivity, energy consumption and safety for our customer. Epiroc was prior to 2018 the mining division of Atlas Copco.

C


C. Arcos hydraulcylinder LHA 25

D


D. Arcos Hydraulcylinder

E


F

Documents

Automatisk justeringsmekanism för borrvinkeln på en …1456828/... · 2020. 8. 19. · Automatisk justeringsmekanism för borrvinkeln på en stigortsborrmaskin Daniel Öman MasterofScienceThesisTRITA-ITM-EX2020:320