Produkter och utmattningsproblem hos Dynapac UTMIS...
Transcript of Produkter och utmattningsproblem hos Dynapac UTMIS...
2012-02-10 Anders Engström, TKC 1
Produkter och utmattningsproblem hos DynapacUTMIS 2012-02-07
Anders Engström och David Scicluna
2012-02-10 Anders Engström, TKC 2
ATLAS COPCO Four business areas
Compressor Technique
Industrial Technique
Mining and Rock Excavation
Technique
Construction Technique
Industrial compressorsGas and process compressorsAir and gas treatmentSpecialty rentalService
Industrial toolsAssembly systemsService
Rock drilling equipment -underground and surfaceLoaders and trucksMobile crushingExploration drilling and ground engineering Rock drilling toolsService
Light constructionequipmentRoad constructionequipmentPortable compressors and generatorsService
2010 figures pro-forma • Revenues BSEK 30.0• Operating margin ~25%
2010 figures reported• Revenues BSEK 6.5• Operating margin 19.5%
2010 figures pro-forma • Revenues BSEK 22.5• Operating margin ~22%
2010 figures pro-forma • Revenues BSEK 11.2• Operating margin ~10%
DYNAPAC
2012-02-10 Anders Engström, TKC 3
A global full line supplier
Sales and Service in 115 countries worldwide
Sales UnitDistributorProduction Unit
2012-02-10 Anders Engström, TKC 4
Model Weight
CA 134 4.5 tCA 144 5 tCA 152 7 tCA 182 9 tCA 252 10 tCA 262 11 t CA 302 12 tCA 362 13 tCA 402 14 tCA 512 16 tCA 602 18 tCA 702 27 t
Products, Soil Rollers
2012-02-10 Anders Engström, TKC 5
Model Weight
CC 800/900/1000 1,5 tCC 102 2 tCC 122 3 tCC 142 4 tCC 222 7 tCC 322 8 tCC 424 11 tCC 524 12 tCC 624 13 tCC 722 17 t
Products, Asphalt Rollers
2012-02-10 Anders Engström, TKC 6
Pneumatic Tyred RollersCP142 14 tCP224 21 tCP274 27 t
3-drum RollersCS142 11 t
Products, Static Rollers
2012-02-10 Anders Engström, TKC 7
Product, Planers
Machine Working width
PL350 350mm
PL500 500mm
PL600 600mm
PL1000 1000mm
2012-02-10 Anders Engström, TKC 8
Compaction Principles.exe
FUNKTION JORDPACKNINGSVÄLT
Analysis group - TKC
Manager:
Tomas Rommer
Engineers:
Anders Engström
Jens Borg
Andreas Persson
Andreas Lager
Peter Marton
2012-02-10 Anders Engström, TKC 10
Insamling av mätdata
Körning på Dynapacs provbana (t.v.) samt på testbana ute i Wambåsa
2012-02-10 Anders Engström, TKC 11
Exempel på tidssignal från mätning
Tidssignalerna från de olika körfallen summeras i respektive mätpunkt till en sammansatt tidssignal
2012-02-10 Anders Engström, TKC 13
Dimensionering av utmattningspåkända komponenter
Lastfallen består av statiska lastfall för den FE-modellerade strukturen t.ex:
Vertikallastfall (utmattning)
Acceleration/bromsning (utmattning)
Styrlastfall (utmattning)
Tiltlastfall (utmattning)
Max vertikallast
Max bromsning
Max styrlast
Max tiltlast
Lastansvarig tar med hjälp av lastdatabasen fram de uppmätta utmattnings-och maxlasterna för respektive fall.
2012-02-10 Anders Engström, TKC 14
Spänningsberäkning och livslängdsutvärdering.
Spänningsberäkning genomförs för samtliga lastfall.
För utmattningslastfallen beräknas den totala livslängden genom att delskadan i en punkt för respektive lastfall summeras upp till en total skada, vilket sedan bestämmer livslängden i den aktuella punkten.
Den erhållna livslängden jämförs sedan med livslängdskravet för den aktuella komponenten på vilken punkten är belägen.
Ramstruktur Lagerlock
2012-02-10 Anders Engström, TKC 15
Livslängdsutvärdering för komponenter med komplex lastbild ur mätdata
För komponenter med komplex lastbild, såsom t ex drivskivor (se bild nedan), ramlageraxlar och midjeled utnyttjas last-tidssignalerna vid beräkning.
Med hjälp av FEMFAT MAX och enhetslastfall kan de uppmätta tidssignalerna läggas på FEM-modellen och livslängden beräknas.
Programvaror
Vi har till vårt förfogande följande programvaror
Beräkning– I-DEAS, NXNastran för FEM– HyperWorks och Radioss för FEM mm.– ADAMS for Multi Body Systems– MatLab för våra egenutvecklade program såsom motor, hytt etc.– AFGROW för brottmekanik– FEMFAT för utmattningsberäkning
2012-02-10 Anders Engström, TKC 17
Exempel - Valsgavelsvets
Optimering av valsgavelsvets
- Valsen fungerar som maskinens framhjul och svetsen mellan gavel och svep utsätts för ett komplext spänningstillstånd (laster från vibrationerna, styrning, acceleration/bromsning, tiltning, gungande egenvikt etc.)
-För att lösa problemet med svetsdimensioneringen i detta fall, antas att alla snitt radiellt genom svetsen utsätts för samma last statistiskt sett betraktat under en lång tid. På så vis räcker det att mäta och beräkna ett snitt genom svetsen.
-Genom töjningsmätning på svep och gavel under representativ körcykel, kan sedan spänningskollektivet tas fram i de högst påkända punkterna i svetsförbandet med hjälp av FEM-beräkningar, enhetslaster och effective-notch-metoden.
svets
2012-02-10 Anders Engström, TKC 18
Exempel – Vibrationsutsatt bränsletank
Sprickande bränsletankar på CC-maskiner
- Den svetsade bränsletanken på de nya CC-maskinerna började spricka efter ett antal driftstimmar
- Egenfrekvensanalys hade utförts i konstruktionsstadiet och visade inga kritiska resonanser i tanken
- Genom beräkningar med ”virtual fluid mass”, kunde man visa att tankens egenfrekvenser var starkt beroende av vätskenivån i tanken.
2012-02-10 Anders Engström, TKC 19
Områden där mer arbete krävs
Modellering av svetsavslut, intermittentsvetsar och hörn (ofta är det här man har höga spänningar och samtidigt en osäker modell)?
Skal- vs. solidmodellering (enkelhet kontra noggrannhet, kopplingar mellan skal stämmer dåligt med jämförande prov ex. ROPS)?
Hur bestäms den nominella spänningen i fall med komplicerade spänningsflöden (10 mm från svetstån, en plåttjocklek från svetstån, extrapolation längs en linje)?
Hur kan man få feedback på svetsarnas kapacitet, utan att prova varje komponent, eller provstavar?
Hur hanterar man beräkningsmässigt (på ett någorlunda smidigt sätt) det faktum att flera lastfall bidrar till den sammanlagda delskadan i en svets (olika spänningsriktningar, ur fas, etc.)?
Utvärdera nya typer av gjutgods, exempelvis Lösningshärdat segjärn, map ökad statisk och dynamisk hållfasthet. Projekt inom Atlas Copco uppstartat.
Mäta och utvärdera stokastiska lastfall med PSD. Beräkningar av komponenter som saknar utmattningsgräns? Harmoniska Toner? …
Laboratory at Dynapac Karlskrona
Laboratory group - TVL
Manager:
Gunnel Bellstrand
Engineers:
Anders Lindberg Transmission (hydraulics), TKT
Pierre Ekelund Engine installation, TKM
Ola Johansson Compaction, TKK
David Scicluna Structure, TKS
Mats Berg Acoustics, Cabin, TKF, Planers
Bo Svilling Durability tests, Instruments/Calibration
Michael Knutsson Compaction (comp. tests), TKK, IHCCCabin, TKF
Lucas Kristenson Transmission (hydraulics), Consultant
Technician:
Torby Wilhelmsson Assist. + Calibration tasks
Anders Olsson Assist. + Rig testing
Structure dynamics
Vibration/Eigen frequency investigations
Measurements for correlation of calculation/simulation models(acceleration, tension, modal)
Load analysis (e.g. rain-flow)
Transmission and Engine
Thermal load, installation tests– Pressure, temperature and flow
measurements
System control - hydraulics
Engine installation– Vibration measurements
Acoustics
Sound power levels (surrounding, emitted noise) 2000/14/EC (ISO 3744), Sound pressure levels (operators location) ISO 6394
Noise investigations (sound intensity), design-aid and competence within noise
Forward/Reverse alarm test
Tests of safety and legal demands
Rubber carpets
Operator hand-arm vibration
Operators location noise
Safety belts
Turning radius
Hill climbing
Brake distance
Operators view
Other laboratory assignments
Long time testing (durability)
Rig/Bench test (part system test)
Function– Frequency/Amplitude– Compaction parameters– Working/driving functions
Calibration and maintenance of instrument
Test facilities
Indoor:
Workshop areas
Rig test area (mid-joint, rubber-elements)
Instrument storage
International High Comp Centre, IHCC
Compaction test facility
Tent:
Drum durability test rig
Outdoor:
Sound/General test surface
Slopes (asphalt)
Terrain test track (sand/gravel)
Straight test tracks (gravel, rubber)
Container for cold start tests
Example - Measurement DPF
Content
Test object
Demands
Measurement points - Strain gauge
Wheatstone bridge – Bending moment
Calibration of the DPF
Test procedure
Meas. points – Accelerometers
Results
Test object
Type Vibrating soil compactor
Model name CA6500D (Prototype)
Serial number 10000132P0A004990
Year of manufacturing 2010
Engine type Deutz TCD 2012 L06 4V, 2200 rpm @ 160 kW Stage 3B/Interim Tier 4
Engine speed 2200 rpm high idle
Vibration frequency Approximately at High amplitude 26 Hz and Low amplitude 32 Hz
Tested parts Diesel partical filter and its suspension
Other The machine was tanked-up for the measurement. Laboratory report: LR11165.
Demands
US EPA lifetime regulations:– 8000h or 10 years
Deutz fatigue strength requirements according to Installation Manual DPF system, part no: 0399 0022 en, version: 2.2.0, date: 29.07.2011– Max. 100 Nm alternating bendingmoment for 5x106 cycles
E-mail from Manfred Benke, 18.05.2011– Typical accelerations < 3g (30 m/s2).– Maximum and impact accelerations < 5 g (50 m/s2).
Measurement points
90° tee rosette
• 4 90° tee rosettes on each pipe (8 total)
• 2 90° tee rosettes on opposite sides
• 2 bending moments (Wheatstone bridge) on each pipe
• Measurement on both In and outlet
Measuring points - Wheatstone bridge
R1R3
R2R4
Two 90 degrees tee rosettes on opposite side on the DPF pipe gives the bending moment in one direction if the strain gauges is connected
as figure below
Wheatstone bridge
Measurement points
All measuring points are set according to machine’s coordinate system as in these figures
X Y
Z
Measurement points
Bending moments
Mx_DPF_Outlet
Mx_DPF_Inlet My_DPF_Inlet
Mz_DPF_Outlet
Calibration of the DPF
Calibration - Mx_DPF_Inlet
y = 4835.6x + 0.9684R2 = 0.9998
-150.0
-100.0
-50.0
0.0
50.0
100.0
150.0
-0.030 -0.020 -0.010 0.000 0.010 0.020 0.030
Nm
mV/
V
Calibration of the DPF
After calibrating in all four direction on both in- and outlet with forces up to approximatly 100 N, we got four linear equations to calculate the bending moments.
My_DPF_Inlet = 5040.8 * XMy_DPF_Inlet - 0.0037
Mx_DPF_Inlet = 4835.6 * XMx_DPF_Inlet + 0.9684
Mz_DPF_Outlet = 5553 * XMz_DPF_outlet - 0.0617
Mx_DPF_Outlet = 8014 * XMx_DPF_outlet + 2.9917
Test procedure
Measuring 4 bending moments
Using 4 accelerometers
Approximately 1 h at our proving ground(88 % static driving and 12 % driving with vibration on macadam)
Measuring points - Accelerometers
Ac_Frame_X-Z
Ac_DPF_Bracket_Fr_X-Z
Ac_DPF_Bracket_Ba_X-Z
Ac_Outlet_Bracket_X-Z
Result – Time data
Result – Frequence spectra
Result – Vibration statistics
Max (m/s²) Min (m/s²) RMSTot
Ac_DPF_Bracket_Ba_X 48.0 -52.7 2.925
Ac_DPF_Bracket_Ba_Y 24.3 -26.8 2.977
Ac_DPF_Bracket_Ba_Z 18.8 -16.8 1.931
Ac_DPF_Bracket_Fr_X 32.2 -24.7 2.159
Ac_DPF_Bracket_Fr_Y 18.0 -16.4 2.337
Ac_DPF_Bracket_Fr_Z 17.8 -22.0 1.442
Ac_Frame_X 18.0 -10.4 1.115
Ac_Frame_Y 25.2 -23.8 2.101
Ac_Frame_Z 15.4 -13.5 1.251
Ac_Outlet_Bracket_X 52.8 -53.4 4.47
Ac_Outlet_Bracket_Y 46.5 -37.7 3.131
Ac_Outlet_Bracket_Z 47.7 -37.6 2.821
Result – Bendingmoment, range pair and equivalent constant range
Range pair plot on the bending moments standardize to 1 hour and their equivalent constant range for 1000 cycles/hour
Max (Nm)
Min (Nm)
Eq. constant range load (1000 cycles/h)
My_DPF_Inlet 8.5 -9.3 22.75 Nm
Mx_DPF_Inlet 15.6 -21 41.50 Nm
Mz_DPF_Outlet 65.5 -37.3 38.54 Nm
Mx_DPF_Outlet 21.1 -18.8 39.21 Nm
Requirements criteria fullfillment, bending moment
US EPA lifetime regulations:– 8000h or 10 years
Deutz fatigue strength requirements according to Installation Manual DPF system, part no: 0399 0022 en, version: 2.2.0, date: 29.07.2011– Max. 100 Nm alternating bendingmoment for 5x106 cycles
Mx, inlet
My, Inlet
Mx, outlet
Mz, outlet
Measured equivalent constant alternating bendingmoment range, 8000h:
Requirements criteria fullfillment , vibrations
E-mail from Manfred Benke, 18.05.2011– Typical accelerations < 3g (30 m/s2).– Maximum and impact accelerations < 5 g (50 m/s2).– Higher values must be discussed with DPF-supplier
Measured accelerations on DPF mounts (brackets):– Max: 53 m/s2, at emergency brake from full speed.– Typical : ~20 m/s2
Slut
Tack för er uppmärksamhet!