utveckling och dimensionering av en lastupptagande ...634488/fulltext01.pdf · göra de statiska...

ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2013/10-SE

Examensarbete 15 hpJuni 2013

Utveckling och dimensionering av en lastupptagande provningsram

Jonatan Rosén

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Utveckling och dimensionering av en lastupptagandeprovningsramDevelopment and dimensioning of a load receiving testrig

Jonatan Rosén

ÅF Test Center in Borlänge had a need to expand their capacity for compressive andtensile strength tests. They wanted to do this by using a hydraulic cylinder, which theyalready possessed, to apply the force with. This required a load receiving structure.The aim of this work was to design and dimensioning a test bench for a cylindermarked NIKE 300 tons. The work would result in a completed design proposal on atest bench which could manage to run the compressive and tensile strength tests ofup to 3000 kN. Compression and tensile tests are important tests to ascertain thematerial properties, which are important in the design and dimension work. The testscan simulate real load situations and then evaluated and verified products strength.

The project has involved searching and collecting data of the current hydrauliccylinder to produce a specification. A literature study has been carried out onstrength tests were also existing products are studied. A number of concepts havebeen developed and evaluated against the requirements and ability to meet thestrength requirements. Calculations have been performed of the test bench so it canbe designed against the established strength requirements. The work also included aninvestigation how applied force should be measured.

The designs are developed with consideration of simplicity, minimum of componentsand manufacturing facility. The dimension has formed out from facts that staticcompressive and tensile tests will be carried out on the bench. The applied force ismeasured by a pressure sensor mounted on the hydraulics to the cylinder. It was alow cost alternative as they are not expensive in comparison with load cells or otherdiscussed methods.

The test bench who are presented is a completed design proposal that meet the goalof project and the terms of specifications. The work presents in order to CADmodels of the design, drawings have been produced and there is documentation ofcalculations for the dimensioning. It is recommended that a FEM analysis is done toensure the strength of the test bench. Further preparation of drawing documentationis required before the test bench is ready for manufacturing.

Sponsor: ÅF Test CenterISRN UTH-INGUTB-EX-M-2013/10-SEExaminator: Claes AldmanÄmnesgranskare: Lars DegermanHandledare: Magnus Skärhem

I

Sammanfattning ÅF Test Center i Borlänge hade behov av att utöka sin kapacitet för tryck- och

draghållfasthetsprovning. De ville göra detta genom att använda en hydraulcylinder, som de

redan förfogade över, till att applicera kraften med. För detta behövdes då en

lastupptagande ram. Syftet med detta arbete har varit att konstruera och dimensionera en

provbänk till en cylinder märkt NIKE 300 ton. Arbetet skulle resultera i ett färdigt

konstruktionsförslag på en provbänk som skulle klara att köra tryck- och

draghållfasthetsprover på upptill 3000 kN. Tryck- och draghållfasthetsprovning är viktiga

tester för att få kännedom om materialegenskaperna, vilka är viktiga vid konstruktions och

dimensioneringsarbetet. Vid testerna kan verkliga belastningssituationer simuleras och då

kan produkters hållfasthet utvärderas och verifieras.

Projektet har inneburit att ta reda på och sammanställa data om den aktuella

hydraulcylindern för att framställa en kravspecifikation. En litteraturstudie om

hållfasthetsprovning har gjorts där även befintliga produkter har studerats. Ett antal koncept

har utvecklats och utvärderats mot ställda krav samt förmåga att klara hållfasthetskraven.

Beräkningar har genomförts för att provbänken skall kunna dimensioneras mot de ställda

hållfasthetskraven. Arbetet innefattade också att utreda hur pålagd kraft ska mätas.

Konstruktionen är utvecklad med tanke på enkelhet, få komponenter och

tillverkningsmöjlighet. Dimensioneringen har utformats med hänsyn till att statisk tryck-

och dragprovning kommer att genomföras i provbänken. Den pålagda kraften ska mätas

genom att en tryckgivare monteras på hydrauliken till cylindern. Det blev ett billigt

alternativ då dessa inte är dyra i jämförelse med lastceller eller andra metoder som

diskuterats.

Provbänken som presenteras är ett färdigt konstruktionsförslag som uppfyller målen för

projektet och villkoren i kravspecifikationen. Arbetet presenteras i form av CAD modeller

över konstruktionen, ritningsunderlag har tagits fram och det finns dokumentation från

beräkningar för dimensioneringen. Det rekommenderas att en FEM analys görs för att

säkerställa hållfastheten för provbänken. Ytterligare beredning av ritningsunderlaget krävs

innan provbänken är redo för tillverkning.

Nyckelord: Examensarbete, Hållfasthetsprovning, Dragprovning, Tryckprovning,

Dragbänk, Konstruktion, Dimensionering.

Examensarbete: Utveckling och dimensionering av en lastupptagande provningsram

II

Förord Denna rapport är ett examensarbete inom högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik vid

institutionen för Teknikvetenskaper, Uppsala universitet. Rapporten syftar till att beskriva

arbetets gång och förklara processen för utvecklandet av provbänken.

För examensarbetet finns två primära syften, det ena är att konstruera och dimensionera en

lastupptagande ram för den aktuella cylindern så att statisk hållfasthetsprovning kan

utföras. Det andra syftet är att studenten, Jonatan Rosén, ska självständigt få arbeta inom

det maskintekniska området och genomföra sitt examensarbete.

Jag vill rikta ett särskilt tack till Magnus Skärhem som har varit handledare under

examensarbetet. Dessutom tackar jag alla på ÅF Test Center i Borlänge för deras varma

mottagande och stora hjälp som delgivits mig under examensarbetet.

Uppsala i Maj 2013

Jonatan Rosén


III

Innehållsförteckning 1 Inledning ............................................................................. 1

1.1 Bakgrund .................................................................................................................... 1 1.2 Problembeskrivning ................................................................................................... 1 1.3 Syfte och Mål .............................................................................................................. 2

1.4 Avgränsningar ............................................................................................................ 2 1.5 Metodik ....................................................................................................................... 2

2 Teori om hållfasthetsprovning ......................................... 4

2.1 Allmänt om tryck- och draghållfasthetsprovning ................................................... 4

2.2 Begrepp inom hållfasthetsprovning.......................................................................... 4 2.3 Genomförande av draghållfasthetsprovning ........................................................... 5

2.4 Tryckhållfasthetsprovning ........................................................................................ 6 2.5 Maskinuppbyggnad för tryck och draghållfasthetsprovning ................................ 7

2.6 Befintliga produkter och tillverkare......................................................................... 8

3 Förstudie ........................................................................... 11

3.1 Data om cylindern .................................................................................................... 11 3.2 Utredning av mätning för pålagd kraft .................................................................. 12

3.3 Kravspecifikation ..................................................................................................... 13

4 Konceptutveckling ........................................................... 14

4.1 Genomförande av konceptutveckling ..................................................................... 14 4.1.1 Processen för konceptgenerering ........................................................................ 14

4.1.2 Funktionsanalys .................................................................................................. 14 4.1.3 Problematiken ..................................................................................................... 15

4.2 Koncept från första fasen ........................................................................................ 16 4.2.1 Koncept 1 ............................................................................................................ 16 4.2.2 Koncept 2 ............................................................................................................ 17

4.2.3 Koncept 3 ............................................................................................................ 18 4.2.4 Koncept 4 ............................................................................................................ 19 4.2.5 Koncept 5 ............................................................................................................ 20

4.3 Valt koncept .............................................................................................................. 21 4.4 Detaljkoncept i fas två ............................................................................................. 21

4.4.1 Variant av justering för grepp ............................................................................. 21 4.4.2 Övre plattans utförande ....................................................................................... 21 4.4.3 Ihopsättning av stång och nedreplatta ................................................................. 22

5 Dimensionering ................................................................ 24

5.1 Allmänt ...................................................................................................................... 24 5.2 Antaganden och villkor ........................................................................................... 24 5.3 Ekvationer ................................................................................................................. 25 5.4 Beräkningar för dimensionering ............................................................................ 26


IV

5.4.1 Beräkning av stänger ........................................................................................... 26

5.4.2 Beräkning av H-plattan ....................................................................................... 27

5.4.3 Övriga beräkningar.............................................................................................. 29

6 Resultat ............................................................................. 30

6.1 Allmän lösning, uppfyllande av kravspecifikation ................................................ 30

6.2 Konstruktion ............................................................................................................. 30

7 Diskussion ........................................................................ 36

8 Slutsattser ........................................................................ 37

9 Referenser ........................................................................ 38

Figurförteckning Figur 2.1: Typisk stress-strain kurva för draghållfasthetsprovning, med sträckgräns och

brottgräns markerade, samt de elastiska och plastiska deformations områdena markerade

(Fotomontage). ....................................................................................................................... 6

Figur 2.2: Typisk stress-strain kurva för tryckhållfasthetsprovning (Instron, Compression

test, 2013). .............................................................................................................................. 7

Figur 2.3: Grepp med infäst provbit och extensometer (Shimadzu Corporation, 2013)........ 8

Figur 2.4: Instrons liggande provningsmaskin, horisontell (Instron, Instron Products, 2013).

................................................................................................................................................ 9

Figur 2.5: Till vänster: Instrons provrigg som är konstruerad för provning upptill 3500 kN,

samt med hydraulisk kraft applicering. Till höger: MTS Criterion™ med elektromekanisk

kraft applicering (Instron, Instron Products 2013)( MTS System Corporation, Extending

MTS Expertise Across the Spectrum, 2013). ......................................................................... 9

Figur 3.1: Bild på hydraulcylindern som ska användas till provbänken, med förstoring på

märkningen. .......................................................................................................................... 11

Figur 3.2: CAD-modell över hydraulcylindern, NIKE A 21816, 300 TON. ....................... 12

Figur 4.1: Funktionsanalys för en tryck- och dragprovmaskin. ........................................... 15

Figur 4.2: Skiss över koncept 1. ........................................................................................... 16






V

Figur 4.7: Vy ovan och underifrån på den alternativa lösningen för justering av övre grepp.

.............................................................................................................................................. 21

Figur 4.8: Detaljkoncept på övre plattan, fösta versionen. .................................................. 22

Figur 4.9: Ett utvecklat koncept av plattan som håller det övre greppet.............................. 22

Figur 4.10: Koncept och idéer på hur ihopsättningen av stången och nedreplattan skulle

lösas. ..................................................................................................................................... 23

Figur 4.11: Konceptet med axel och skruvförband, som det länge arbetades med. ............. 23

Figur 5.1: Belastningsfall med punktlast och uppläggning. ................................................. 26

Figur 5.2: Tvärsnitt av stången för drag/tryckspänningar och för knäckning. ..................... 27

Figur 5.3: Snitt och belastningsfall för H-plattan................................................................. 28

Figur 6.1: De färdiga förslagen för provbänken, vänstra är modifierad för dragprovning,

högra är modifierad för tryckprovning. ................................................................................ 31

Figur 6.2: Grepp för tryckprovning, till vänster är det nedregreppet fäst mot cylindern och

till höger är det övre greppet fäst mot H-plattan. ................................................................. 31

Figur 6.3: Grepp för dragprovning, till vänster är det nedregreppet fäst mot cylindern och

till höger är det övre greppet fäst mot H-plattan. ................................................................. 32

Figur 6.4: Överblicksbild av provbänken. ........................................................................... 33

Figur 6.5: Närbild över mothållet med låsaxlar och ringsprint. ........................................... 34

Figur 6.6: Snitt vid låsningen av mothållet. ......................................................................... 34

Figur 6.7: Snitt vid ihopsättningen av stång och bottenplatta, de två ringhalvorna är

illustrerade med två olika färger. ......................................................................................... 35

1

1 Inledning 1.1 Bakgrund ÅF är idag en stor teknikkonsultbyrå med 7000 anställda inom 20 länder och de utför

uppdrag i över 80 länder. Företaget har sin bas i Europa men verkar över hela världen och

fokuserar sin verksamhet mot områden som energi, miljö, infrastruktur och industri.

ÅF Technology och området Product Development har ett testcenter förlagt i Borlänge, där

mångårig erfarenhet av provning och verifiering finns. De utför allt från

hållfasthetsprovning och vibrationsprovning till klimatprovning och korrosion för att

utvärdera mekaniska egenskaper hos komponenter och delsystem. ”Det lägger grunden till

en säkrare och effektivare produktutveckling” (ÅF, 2013). De gör även fältmätningar,

haveriutredningar och tekniska utredningar samt konstruerar och tillverkar provutrustning

åt kund.

ÅF Test Center i Borlänge kan idag genomföra hållfasthetsprovning, både statisk och

utmattning, med krafter upptill 600 kN. Dock finns det ett behov av att kunna göra statiska

hållfasthetstester med större belastning än så. De har en hydraulcylinder som är märkt 300

ton av märke NIKE, som inte används. Tanken är att denna cylinder ska användas till att

göra de statiska hållfasthetstester som efterfrågas.

1.2 Problembeskrivning För att kunna använda den aktuella cylindern till olika typer av statisk hållfasthetsprovning

behöver det tas reda på mer fakta om denna. Så att en lastupptagande ram eller struktur kan

utformas för att montera cylindern i.

Projektet innefattar att ta reda på och sammanställa data om den aktuella hydraulcylindern

så att en kravspecifikation kan sammanställas. Härifrån kan sedan ett koncept arbetas fram

för att därefter dimensionera och utforma en lastupptagande stålram för hydraulcylindern,

så den kan användas till att belasta olika typer av provföremål med statiska laster. I arbetet

ingår dimensionering för statisk hållfasthet samt modellera och ta fram

konstruktionsunderlag. Arbetet innefattar även att utreda hur pålagd kraft ska mätas.


2

1.3 Syfte och Mål Examensarbetets primära syfte var att konstruera och dimensionera en lastupptagande ram

för den aktuella cylindern så att statisk hållfasthetsprovning kan utföras. Projektet ska

resultera i ett färdigt konstruktionsförslag, i form av CAD modeller och ritningar, till en

lastupptagande provningsram. När arbetet som beskrivs ovan har genomförts skall det

dokumenteras, beskrivas och sammanställas i en rapport på svenska. Beroende på

projektets utfall och om tid finns kan arbetet med hur den pålagda kraften ska mätas utredas

ytterligare.

1.4 Avgränsningar För att projektets omfattning ska vara rimlig görs följande avgränsningar:

Enbart ett koncept utvecklas till färdigt konstruktionsförslag.

Konstruktion och dimensionering görs inte för provning av utmattningshållfasthet.

1.5 Metodik Arbetsgången har i stora drag bestått av en förstudie, med undersökning av befintlig

cylinder och litteraturstudie, framställande av kravspecifikation och funktionsanalys.

Vidare moment har varit konceptutveckling, dimensionering, detaljkonstruktion och

ritningsframställning.

För att starta projektet och sammanställa en kravspecifikation krävdes

bakgrundsinformation om konstruktion och funktion för den aktuella cylindern. För det

kontaktades tillverkaren, cylindern studerades på plats och den provkördes. I den inledande

fasen gjordes en litteraturstudie för att svara på frågeställningarna, vad krävs av en produkt

för lastprovning samt vilka är de viktigaste ingående komponenterna. Här studerades även

befintliga produkter för lastprovning tillsammans med vetenskaplig litteratur om statisk

hållfasthetsprovning. Utifrån den insamlade informationen framställdes en

kravspecifikation tillsammans med projektägaren, ÅF Test Center.

I det första skedet av konceptutvecklingen användes en produktfunktionsanalys, en metod

för att kartlägga en produkts funktioner. Alla funktioner i produkten skall identifieras, från

de mest grundläggande funktionerna till de funktioner som krävs för att produktens primära

syfte skall uppnås. Metoden användes för att bryta ner och klargöra problemet där

meningen var att belysa produktens funktioner och rangordna dem vilket skulle klargöra

dess primära syfte. Resultatet beskrivs i ett träddiagram där trädet ska läsas uppifrån och

ner och svara på frågan, hur(Baxter, 1995). Genom att ställa frågan om hur funktionen

uppfylls kunde produktens funktioner brytas ner från primära till specifika. Nya koncept

kunde sedan genereras genom att utveckla eller komma på nya lösningar till

funktionskraven.


3

Till konceptutvärderingen användes överslagsberäkningar för att snabbt och enkelt avgöra

om ett koncept var möjligt att genomföra eller inte (Olsson, 2006). Vid dimensionerings-

arbetet har hållfasthetsberäkningar för dragande respektive tryckande last gjorts samt för

böjning, även knäckning togs i beaktande, här studerades också skjuvspänningar. För att

den statiska hållfastheten skulle vara fullgod krävdes att utvecklade spänningar hade goda

marginaler till sträck- och brottgränsen (Olsson, 2006).

I konstruktion och moduleringsarbetet har datorstödd konstruktion används, CAD-

programvaran Solid Works användes för att modellera produkten i 3D och till framställning

av ritningar.


4

2 Teori om hållfasthetsprovning 2.1 Allmänt om tryck- och draghållfasthetsprovning Tryck och dragprovning utförs oftast med samma maskin, de kan vara mycket lika

varandra. Denna typ av maskin används också till testning av material under böjning

(Gedney, 2005).

Dragprovning är en av flera provningar som genomförs vid mekanisk provning för att

verifiera om ett material eller produkts utlovade egenskaper uppfylls (Swerea IVF AB,

2013). Ett draghållfasthetsprov görs för att utreda materialets eller komponentens

hållfasthet när en dragande last appliceras på föremålet. Materialegenskaper så som

sträckgräns, brottgräns och elasticitetsmodul bestäms (Routley, 2006)(Mercer, 2008).

Denna form av provning är viktig för att få kännedom om materialegenskaper, vilka är

viktiga vid konstruktions och dimensioneringsarbetet. Här kan även laster från verkligheten

simuleras under kontrollerade former i ett labb (Swerea IVF AB, 2013). Vanligast är att

grundmaterial testas, men draghållfasthetsprovning görs även på komponenter och

sammansatta komponenter för att testa och utvärdera produkter under utvecklingsprocessen

och inför lansering av produkten (Davis, 2004).

För dragprovning av metalliska material i rumstemperatur fanns tidigare en standard, SS-

EN 10 002-1, som idag är ersatt av ISO 6892-1:2009 och beskriver hur ett dragprov ska

planeras och genomföras (SIS, 2013).

2.2 Begrepp inom hållfasthetsprovning Här presenteras och förklaras ett antal begrepp som är viktiga och förekommer ofta inom

hållfasthetslära och materialvetenskap.

Sträckgränsen anger vilken kraft som krävs för att materialet skall börja plasticeras. Vid

belastningar upp till sträckgränsen kommer ingen bestående deformation finnas efter

avlastning. Sträckgränsen betecknas Rp eller Re och internationellt kallas det ”yield

strength”, ”yield point” eller ”yield stress”. Denna punkt kan vara svår att hitta och då

används istället ett värde där man mäter spänningen vid en töjning på 0,2 %, Rp0,2,

förlängningsgränsen (Routley, 2006) (Ullman, 1997)(Mercer, 2008)(Davis, 2004).

Brottgränsen är den kraft som krävs för att dra av ett material, gå till brott, provföremålet är

inte helt av här utan den börjar gå av. Rm är betckningen för brottgränsen och

internationellt heter det” ultimate tensile strength” eller ”ultimate strength” (Ullman,

1997)(Mercer, 2008).

Elasticitetsmodulen, E-modul eller Young’s modulus, är en materialegenskap som på ett

matematiskt sätt beskriver hur materialet töjs när en dragande kraft appliceras. E-modulen

definieras av lutningen på den raka delen av kurvan i spännings-töjningsdiagrammet och är

ett mått på materialets styvhet (Davis, 2004)(Routley, 2006)(Ullman, 1997).


5

Elastisk töjning innebär att materialet återtar sin ursprungliga form då det avlastas, vilket

sker under den första och raka delen i spännings-töjningsdiagrammet upptill sträckgränsen

(Ullman, 1997)(Davis, 2004).

Plastisk deformation sker då spänningen överskrider sträckgränsen och materialet får

bestående töjning vid avlastning, detta fortskrider upp till brottgränsen (Ullman,

1997)(Davis, 2004).

Spännings- töjningsdiagram, även kallat Stress-strain diagram, användas vid utvärderingen

av ett tryck- eller draghållfasthetsprov. Där spänningen, σ, är den pålagda kraften samt

töjningen, ε, är materialets eller komponentens förlängning eller kompression (Davis,

2004)(Swerea IVF AB, 2013).

2.3 Genomförande av draghållfasthetsprovning För att göra ett draghållfasthetsprov fästs ett provföremål i en testmaskin där det är viktigt

att provet fästs rätt så att kraften anbringas på önskat ställe, en axial kraft från kraftkällan

och genom provföremålet är att önska (Mercer, 2008). Provet görs med konstant

deformationshastighet (Swerea IVF AB, 2013) vilket gör att kurvan i spännings-

töjningsdiagrammet får en dipp efter att brottgränsen är nådd. Provföremålet får då en

midja, tvärsnittsarean blir mindre och då krävs mindre kraft för samma töjningshastighet

(Ullman, 1997).

Vid materialprovning används provstavar som är standardiserade och den vanligaste är en

rundstav med svarvad midja, likt ett hundben. Även provstavar med rektangulärt tvärsnitt

finns, de används till exempel vid provning av plåt, som också har en midja likt ett hundben

(Ullman, 1997)(Davis, 2004). Midjan är viktig för att avlasta infästningen och få kraften att

gå axiellt ner i provstaven (Davis, 2004). Provföremålet ska representera det material eller

komponent som provningen syftar till att utvärdera, det innebär att provbiten ska vara av

samma material och vara processad på samma sätt som den verkliga produkten (Davis,

2004).

Provet utförs genom att en kraft appliceras på provföremålet. Spänningen som är den

pålagda kraften mäts och lika så töjningen av materialet, detta görs med konstant

deformationshastighet. Informationen som mäts loggas för att kunna presentera resultatet

av dragprovet i ett spännings-töjningsdiagram (Davis, 2004). Om hur detta går till praktiskt

beskrivs i avsnittet om maskinuppbyggnad.

Vid utvärdering av ett draghållfasthetsprov plottas den pålagda kraften mot materialets

töjning, ett spännings-töjningsdiagram, där kurvan typisk ser ut som i Figur 2.1 (Routley,

2006) (Davis, 2004). I början av provet är kurvan en linjär funktion av kraft och töjning,

ända upp till sträckgränsen, här gäller Hookes lag (Ullman, 1997) (Mercer, 2008). Här beter

sig materialet elastiskt vilket innebär att när spänningen minskas kommer materialet följa

linjen tillbaka, ingen kvarvarande deformation finns efter en cykel med på och avlastning

för spänning upp till sträckgränsen (Davis, 2004). Lutningen på denna raka del av kurvan


6

benämns E-modulen och är en väsentlig egenskap att ta hänsyn till under

konstruktionsarbetet (Davis, 2004)(Ullman, 1997).

När provföremålet belastas med krafter över sträckgränsen sker plastisk deformation och

kurvan går i en båge, vid den last när materialet tappar sina mekaniska egenskaper finns

brottgränsen (Davis, 2004). I detta skede bildas en midja på provföremålet vilket leder till

ett mindre tvärsnitt och för att då hålla samma konstanta töjningshastighet minskas

spänningen. Spänningen beräknas under hela provet på den ursprungliga tvärsnittsarean,

därav dippen på slutet av kurvan som syns i Figur 2.1 (Ullman, 1997).

Figur 2.1: Typisk stress-strain kurva för draghållfasthetsprovning, med sträckgräns

och brottgräns markerade, samt de elastiska och plastiska deformations områdena

markerade (Fotomontage).

2.4 Tryckhållfasthetsprovning Ett test för tryckhållfasthet genomförs på liknade sätt som dragprovning men med den stora

skillnaden att provföremålet utsätts för tryckande last istället för dragande. Även här mäts

spänning i förhållande till töjning, fast nu är det i avseende på tryckande last, det ses ibland

som negativ jämfört med dragprovning. Resultatet presenteras också i detta fall i ett

spänning-töjnings diagram men kurvan har ett annat utseende, se Figur 2.2. Från diagramet

kan tryckhållfastheten för ett material utläsas (Instron, Compression test, 2013).


7

Figur 2.2: Typisk stress-strain kurva för tryckhållfasthetsprovning (Instron,

Compression test, 2013).

2.5 Maskinuppbyggnad för tryck och draghållfasthetsprovning

Huvudfunktionen för en provmaskin för draghållfasthet är att applicera en dragande kraft

på ett provföremål och vid tryckprovning trycka på provföremålet. För detta finns två

vanliga metoder, den ena är att applicera kraften med hjälp av hydraulik och det andra sättet

är en elektromekanisk lösning av principen kulskruv (Davis, 2004)(Routley, 2006). På ena

sidan om provföremålet finns mekaniken och ett huvud som trycker eller drar i provbiten

och för det krävs då ett mothåll på andra sidan, ett huvud likt det på den sida som applicerar

kraften.

I en provrigg som bygger på hydraulik används en hydraulcylinder som trycker och drar i

provföremålet. Till det behövs en motor, oftast eldriven, och en hydraulikpump för att driva

cylindern samt servoventiler till att reglera hydrauliken (Davis, 2004)(Routley, 2006).

Principen med kulskruv bygger på en motor som via växlar driver en kulskruv, eller flera,

som för ett tvärgående huvud upp och ner. Vid denna rörelse kan tryckande eller dragande

krafter appliceras på provföremålet (Davis, 2004)(Routley, 2006).

Till universella provriggar finns det en rad olika grepp att använda för de standardiserade

provstavarna. Det kan vara grepp som automatiskt trycker hårdare när lasten ökar, manuella

grepp som skruvas åt samt pneumatiska. Vid testning av sammansatta komponenter krävs

en fixtur av något slag, dessa ser olika ut beroende på vad som ska testas (Mercer, 2008).

Greppen är en viktig del i provbänken för de måste vara utformade så att greppen passar

provföremålet, eller vice versa, så att provföremålet inte skadas under själva testet.

Dessutom måste greppen klara de krafter som uppstår och som ska överföras till

provföremålet, det måste sitta fast ordentligt (Davis, 2004).

För att mäta den pålagda kraften används givare av olika slag och i de flesta fall är det en

lastcell som används, det är töjningsgivare som är monterade på ett element med bestämt


8

tvärsnitt (Davis, 2004). Även töjningsgivare direkt monterade på en komponent kan

användas och då beräknas kraften fram utifrån töjningen av komponenten med ett bestämt

tvärsnitt. Det finns andra givare också, så som piezoresistiva sensorer men dessa är inte lika

precisa i mätningarna som en lastcell (Tekscan, 2013).

Mätning av materialets töjning behöver också utföras vilket kan göras med en

extensometer, töjningsgivare eller med optiska instrument. Idag finns också mer avancerade

instrument såsom lasermätning eller videoanalys. Till det görs markeringar på

provföremålet så att avståndet hela tiden kan registreras (Davis, 2004).

Figur 2.3: Grepp med infäst provbit och extensometer (Shimadzu Corporation, 2013).

De tidigare beskrivna komponenterna kräver också ett styrsystem för att styra själva proven

men också för att logga och behandla data samt visa ett resultat från genomförda test

(Mercer, 2008)(Davis, 2004). Idag är det datorer som sköter detta med speciella program

för denna form av provning (MTS System Corporation, Tensile Testing, 2013).

2.6 Befintliga produkter och tillverkare Stora tillverkare av testutrustning för hållfasthetsprovning är Zwick/Roell, MTS, Lloyd

Materials Testing, Instron och Physical Test Solutions.

Instron har maskiner som bygger på hydraulik eller elektromekanik, dessutom har de både

stående och liggande provningsmaskiner, se Figur 2.4 och Figur 2.5. De säljer färdiga

maskiner eller färdiga system för provning. De har även en rigg som klarar 3500 kN vilken

visas i Figur 2.5 (Instron, Tension testers, 2013).


9

Figur 2.4: Instrons liggande provningsmaskin, horisontell (Instron, Instron Products, 2013).

Figur 2.5: Till vänster: Instrons provrigg som är konstruerad för provning upptill 3500 kN,

samt med hydraulisk kraft applicering. Till höger: MTS Criterion™ med elektromekanisk

kraft applicering (Instron, Instron Products 2013)( MTS System Corporation, Extending

MTS Expertise Across the Spectrum, 2013).

MTS har standard riggar med hydrauliska system samt även med elektromekaniska. De

erbjuder även alla sorters komponenter för att kombinera ihop ett eget testsystem. De har

allt från hydraulikcylindrar, servoventiler och styrsystem till grepp och fixturer, lastceller

och mjukvara för styrning av testerna (MTS System Corporation, High-Performance Field-

Proven Components, 2013).


10

Då det kommer till de grövre provmaskinerna som klarar över 1000 kN är de ofta av typen

horisontella, de ligger ner som den i Figur 2.4. Dessa är ofta konstruerade så att bägge

greppen kan glida på en horisontell bana, monterade på en släde. Det ena greppet kan

justeras för att passa in olika längder på provföremålen medan det andra som ofta sitter på

hydraulcylindern har detta stöd för avlastning, då greppet väger mycket behöver kolven

avlastas.


11

3 Förstudie 3.1 Data om cylindern För att komma igång med utvecklingen av provramen krävdes bakgrundsfakta om den

tänkta hydraulcylindern från NIKE. Cylindern är märkt; NIKE, A 21816, 300 TON. Utifrån

denna information kontaktades REHOBOT Hydraulics AB, som idag är det tidigare NIKE

Hydraulics AB, för att fråga om de hade någon information om den aktuella cylindern.

Detta resulterade i ett datablad för en cylinder med nummer A 21817, se bilaga 1. Denna

ska vara lika som A 21816 förutom längden. På databladet för cylinder A 21817 är

slaglängden angiven till 100 mm och cylinderns totala länd till 400 mm. Skillnaden på A

21816, den som ska användas, är att längden är 500 mm och efter en provkörning kan det

konstateras att slaglängden är 200 mm.

Figur 3.1: Bild på hydraulcylindern som ska användas till

provbänken, med förstoring på märkningen.

Utifrån databladet och en fältmätning har en CAD modell tagits fram för att beskriva

cylindern, se Figur 3.2. En ritning över den aktuella cylindern finns presenterad i bilaga 2

med de relevanta måtten som behövs för att konstruera provbänken.

Utifrån informationen från REHOBOT är det klart att kapaciteten för cylindern nästan är på

3000 kN, då kolvarean är 520,7 cm2 och ett hydrauliskt tryck på 55,9 MPa används. Till att

montera cylindern finns sex stycken gängade hål, M24. På kolven finns två gängade hål,

M10, för att montera ett grepp.


12

Figur 3.2: CAD-modell över hydraulcylindern, NIKE A 21816, 300 TON.

3.2 Utredning av mätning för pålagd kraft En viktig del under själva testet är att kunna mäta den kraft som verkar på provföremålet

och det kan göras på flera sätt. Det finns färdiga produkter för kraftmätning vid provning

och det finns alternativa varianter som också används.

Ofta används en lastcell, det är en färdig produkt som enkelt kan monteras mellan de

föremål där kraften önskas mätas. En lastcell inrymmer töjningsgivare som är placerade på

ett material där töjning tillåts samt tvärsnittsarean är känd. De är också förberedda för att

enkelt kunna kopplas in till systemets styrutrustning. Det finns lastceller som klarar de krav

som ställs i detta projekt, 3000 kN, de är relativ dyra. Dessutom är det oklart var och vem

som kan kalibrera en lastcell för så stora krafter, det är inte möjligt i närområdet.

Ett annat alternativ är att konstruera in en komponent i provbänken, som har kända

materialegenskaper och bestämt tvärsnitt för att på den montera töjningsgivare. Det handlar

i princip om att bygga en egen lastcell. Detta skulle vara billigare än att köpa en lastcell

men problemet med kalibreringen finns fortfarande kvar.

Använda piezoresistiva material vid kraftmätning är ett relativt nytt sätt att mäta kraften

med. Detta är enligt (Tekscan, 2013) ett ekonomiskt alternativ till lastceller, de säljer

piezoresistiva sensorer för kraftmätning, så kallade Flexiforce. Dock är noggrannheten inte

tillräckligt bra för att tillämpa detta vid provning och verifiering.

Eftersom en hydraulcylinder kommer användas för kraftapplicering finns möjligheten att

använda tryckgivare eller manometer som mäter hydraultrycket i cylindern. Genom att veta

trycket och kolvarean kan kraften beräknas. Till det behöver kalibrering göras för att

korrigera exempelvis friktion i cylindern så att den reella kraften som appliceras på

provföremålet mäts. Manometer är analog och mekanisk mätning av trycket medan en


13

tryckgivare är elektronisk och därmed finns möjligheten att koppla in givaren till

mätutrustningen (OmniProcess AB, 2013).

Tillsammans med handledaren har de olika alternativen värderats utifrån ekonomi,

kalibreringsmöjlighet och enkelhet. Det bestämdes att en tryckgivare skulle användas till

detta projekt för att mäta den pålagda kraften. Lösningen är enkel då tryckgivaren kan

monteras på befintligt hydraulikkablage och elektronisk output av mätdata finns, så att

tryckgivaren kan kopplas till mätutrustningen. Alternativet är ekonomiskt försvarbart och

kalibreringsmöjligheter finns i Mellansverige.

3.3 Kravspecifikation Kravspecifikationen som detta arbete utgått ifrån finns presenterat i bilaga 3 men en

sammanfattning av de viktiga kraven följer här.

Provbänken ska konstrueras så att den tänkta cylindern, NIKE A 21816, kan användas för

att applicera kraften på provföremålet. Den ska vara dimensionerad för krafter på 3000 kN

och vara av stående modell. Greppen skall gå att justera för olika storlekar på provföremål,

justering sker med hjälp av travers, maximala höjden på konstruktionen är 4,5 m och då

finns lite spel till traversen också. Det tillhörande kraftaggregatet skall användas. De grepp

för dragprovning som finns kommer användas i ett första läge, medan greppen för

tryckprovning skall vara universella för att kunna anpassas till varje nytt provföremål.

ÅF önskar en tryckgivare som mäter hydraul-trycket vid cylindern och på så sätt kan den

pålagda kraften mätas genom trycket och kolvarean. Detta valdes för att det är ett billigare

alternativ samt att möjlighet för kalibrering finns.


14

4 Konceptutveckling 4.1 Genomförande av konceptutveckling 4.1.1 Processen för konceptgenerering För att belysa problematiken och för att bryta ner en provbänks ingående komponenter

gjordes en funktionsanalys i det inledande skedet av konceptutvecklingen.

Konceptutvecklingen skedde i två faser, en första fas då övergripande koncept togs fram

och den andra fasen där några av de första koncepten vidareutvecklades. Dessa två faser

skiljdes åt av ett möte med handledaren och en provningsingenjör där vi gick igenom deras

önskemål på produkten samt utvärderade de första koncepten. Här bestämdes att det skulle

vara en rigg av stående modell, framförallt var syftet att spara golvyta. Därefter utvecklades

koncepten av stående modell samtidigt som beräkningar gjordes, för att få grepp om

dimensioneringen. Koncepten utvecklades samtidigt som dimensionsberäkningar gjordes

för att bringa klarhet i de olika konceptens för- och nackdelar ur ett hållfasthetsperspektiv.

Från den första fasen var det två koncept av stående modell som utvärderades, eftersom det

var ett starkt önskemål från ÅF Test Centers sida. Det koncept som valdes i utvärderingen

vidareutvecklades under fas två. I denna fas utvecklades koncept på olika detaljlösningar,

här kom konceptvärderingen att ske löpande under tiden som koncepten utvecklades och

beräkningar gjordes. Dels var det begränsningar i hållfastheten som gjorde att en del

koncept valdes bort. Även produktionsteknik med inslag av ekonomiska aspekter gallrade

de olika koncepten. Tillslut fanns ett konstruktionsförlag som togs vidare till

detaljkonstruktion.

4.1.2 Funktionsanalys En funktionsanalys, som presenteras i Figur 4.1, gjordes för att bryta ner problemet och

tydliggöra alla funktioner som ingår i en provbänk för tryck- och dragprovning. Denna

metod används för att kartlägga en produkts funktioner, allt från den mest grundläggande

funktionen till de funktioner som krävs för att produktens primära syfte skall uppnås.

Genom att ställa frågan om hur funktionen uppfylls kan produktens funktioner brytas ner

från primära till specifika.


15

4.1.3 Problematiken Ett stort problem var hur fästet för greppen skulle utformas för att kunna justeras så olika

storlekar på provföremål fick plats i ramen. Eftersom det handlade om stora krafter, 3000

kN, fanns många parametrar att ta hänsyn till. Det var viktigt att tänka på hur krafterna

fortplantar sig genom konstruktionen, var de går samt var stora belastningar uppstår i

konstruktionen. Det som efterfrågades var en smart konstruktion som håller för krafterna.

På ett relativt enkelt sätt ska det gå att bygga om maskinen mellan provning för tryck och

drag. Stora krav på flexibilitet tillsammans med de stora krafter som uppstår sätter höga

krav på konstruktionen. Dessutom ska tillverkningsaspekterna vara med vilket gör att

komponenter inte kan utformas fritt.

Figur 4.1: Funktionsanalys för en tryck- och dragprovmaskin.


16

4.2 Koncept från första fasen 4.2.1 Koncept 1 Bilden nedan visar det första konceptet som togs fram. Det var en horisontell provbänk där

mothållet vilar på skenor i ”V” form, detta för att släden skulle styra bra och vara fixerad i

sidled. De blåa strecken, i Figur 4.2, illustrerar en axel för att låsa släden i rätt avstånd för

provföremålet. Konceptet hade två stora nackdelar som gjorde att det inte valdes. Det ena

var formen på släden, ”V” formen på skenorna, som skulle ge upphov till ett komplicerat

kraftflöde i konstruktionen samt vara ett kostsamt alternativ att tillverka. Den andra

nackdelen var det horisontella läget av riggen som då tar stor plats på golvet, något som

inte var önskvärt från uppdragsgivaren.

Figur 4.2: Skiss över koncept 1.


17

4.2.2 Koncept 2 Detta koncept var likt det första men med den skillnaden att släden, till att justera mothållet,

var tänkt att stå med hjul på golvet. Även här skulle släden låsas med axlar. Att släden stod

på golvet gjorde att konstruktionen i övrigt inte behövde bära slädens tyngd. Detta koncept

hade förutsättningarna för en rejäl konstruktion utan att bli komplicerad och dyr i

tillverkningen. Dock föll konceptet på att det var horisontellt och upptar mycket golvyta,

som inte var önskvärt.



18

4.2.3 Koncept 3 Konceptet var av stående modell med fyra stycken stänger som skulle dela på all kraft och

med en platta som det övre greppet skulle vara infäst i. Plattan kunde justeras i höjdled för

att anpassa avståndet för olika provföremål, plattan låstes med genomgående axlar i olika

steg. Genom användandet av axlar för att låsa plattan lämpar sig konstruktionen för att

överföra stora krafter mellan plattan och stängerna. En nackdel var att justeringen bara

kunde göras i steg men det ansågs inte vara ett stort problem och därmed en godtagbar

lösning, det var viktigt att konstruktionen klarade stora krafter.



19

4.2.4 Koncept 4 Detta liggande koncept var en robust variant av det första och andra konceptet, där den

väsentliga skillnaden var i hur avståndet för greppet justerades. Här var tanken att stången

kan dras fram och tillbaka med shims som distanser för att bestämma avståndet. Denna

konstruktion skulle få ett mycket gynnsamt kraftflöde där det i princip bara blev drag- och

tryckspänningar. I detta koncept var det tänkt att greppen skulle ha stöd på glidbanor för att

undvika ojämn belastning orsakad av egentyngden och självlåsning. Detta koncept valdes

bort enbart för att det var av liggande variant som tog för stor golvyta.



20

4.2.5 Koncept 5 Konceptet var av stående modell och mycket likt koncept 3. Här kunde det antingen vara

två eller fyra stänger som håller upp plattan med det övre greppet. Denna platta var tänkt att

låsas i höjdled med hjälp av skruvförband, dessa skulle skapa den friktion som krävdes för

att hålla emot de tryck- och dragkrafter som uppkom. Detta gav en steglös reglering i

skillnad mot de tidigare koncepten och det skulle göra justeringen för olika provföremål

enkel. Eftersom det var så stora krafter som skulle överföras via friktion var det osäkert om

det skulle fungera. Risken för att till exempel fett kunde hamna vid känsliga områden, det

skulle göra att friktionen ändrades och därmed kunde inte förbandets funktion garanteras.



21

4.3 Valt koncept Efter önskemål om en stående modell fanns två koncept att utvärdera, koncept 3 och 5,

dessa tar liten golvyta i förhållande till de andra koncepten. Dessa var mycket lika varandra

men med skillnad i hur plattan låstes. Koncept 3 byggde på att en axel låste plattan vilket

gjorde att den kunde justeras i steg medan koncept 5 erbjöd steglös justering av greppen

genom skruvförband och friktion. Eftersom det handlade om så stora krafter som påverkade

skruvförbandet ansågs koncept 3 vara mest fördelaktigt, det var godtagbart med justering i

steg från ÅF:s sida. Det blev koncept 3 som valdes att jobba vidare med och utveckla.

4.4 Detaljkoncept i fas två 4.4.1 Variant av justering för grepp En variant av justering för det övre greppet uppkom där en grov stång i mitten kunde

justeras upp och ner, den låstes i höjdled med plattor som gick in i frästa spår. Detta

illustreras i Figur 4.7. Konceptet hade fördelen att stängerna blev utan hål, som var bättre

för hållfastheten. Här skulle samma infästning för greppen kunna användas, både vid tryck-

och dragprovning. Konceptets nackdel, som det också föll på, var att konstruktionen

byggde mycket på höjden, i detta fall utanför kraven.

Figur 4.7: Vy ovan och underifrån på den alternativa lösningen för justering av övre

grepp.

4.4.2 Övre plattans utförande Den övre plattan utvecklades från en rektangel till att bestå av en längre balk tvärs över,

grön i Figur 4.8Figur 2.1, och två kortare på sidorna, bruna i figuren. Genom att ta bort

onödigt material, jämfört med grundkonceptet som var en rektangulär platta, minskades

vikten samt att konstruktionen uppträdde som balkar och inte en platta. Den gröna delen var

dimensionerande och då blev de bruna delarna onödigt stora och tunga. Dessutom krävde

denna variant mycket bearbetning och för att undvika det vidareutvecklades konceptet till

att bara bestå av en jämntjock skuren platta, skuren som ett H, visas i Figur 4.9. Fördelen

med denna form var att vikt sparades samt att axlarna kan vara genomgående. Med

genomgående axlar kan de enklare demonteras och de går enkelt att låsa med till exempel

en sprint.


22

Figur 4.8: Detaljkoncept på övre plattan, första versionen.

Figur 4.9: Ett utvecklat koncept av plattan som håller det övre greppet.

4.4.3 Ihopsättning av stång och nedreplatta Denna ihopsättning visade sig vara klurig och det blev många idéer, visas i Figur 4.10, som

det gjordes överslagsberäkningar på, för att utvärdera om konceptet skulle hålla. Det var

framför allt de stora krafterna som gjorde att många koncept inte fungerade. Det söktes

efter en lösning där ingen svets behövde användas, för att undvika svetsmomentet vid

tillverkning. Dimensionen på stången var bestämd utifrån hållfasthetskraven tillsammans

med vilka dimensioner på ämnesrör som fanns att tillgå, därför kunde inte stångens tvärsnitt

ändras. Att gänga in i stången och plattan visade sig heller inte vara någon lösning då

gängorna i dessa material inte skulle hålla för krafterna.

Idén längst ner till vänster utvecklades och länge arbetades det på konceptet som

presenteras i Figur 4.11, där en axel användes för att låsa stången och ta upp de största

krafterna samtidigt som det fanns ett skruvförband som skulle fixera stången. På stången

var det en svetsad fläns med hylsa runtom som skruvades fast med tio skruvar. Hylsan

spändes mot plattan med skruvar och klämde därmed stångens fläns mot plattan så att alla

delar fixerades. Passningen mellan axeln och flänsen var viktigt så att det blev axeln som

tog mest kraft och inte skruvförbandet.


23

Figur 4.10: Koncept och idéer på hur ihopsättningen av stången och nedreplattan skulle

lösas.

Figur 4.11: Konceptet med axel och skruvförband, som det länge arbetades med.

Konceptet i Figur 4.11 gjordes om till en lösning där genomgående skruv och mutter

användes, se Figur 6.7. Axeln togs bort då det räckte med en fläns och hylsa för att fixera

stången. Med denna lösning kunde varje stång justeras så att dess hålbild passade mot H-

plattans hål. Denna lösning krävde också mindre av tillverkningsprocessen, genom att färre

passningar behövdes.


24

5 Dimensionering 5.1 Allmänt Beräkningar av hållfastheten har gjorts för att utvärdera koncepten och se vilka koncept

som har förutsättningarna till att klara ställda krav. På flera koncept gjordes

överslagsberäkningar för drag och tryckkrafter samt för knäckning. Det var beräkningar för

dimensionering av den slutgiltiga konstruktionen som gjordes mer utförliga och presenteras

i detta kapitel samt i bilaga 4, där de kan följas steg för steg.

Plattan vid toppen beräknades i några olika koncept, där handlade det om böjspänningar

och utböjning. Tvärkrafter studerades eftersom de ofta kan vara dimensionerande vid

böjning, framförallt vid de kortare balkarna eller på kortsidan av H-plattan, där kraften

spreds ut över nästan hela balkens längd.

Vid elastisk instabilitet användes belastningsfall och villkor från normen IKH 4.30.01

(Kran- och hisskommissionen, 1981) den har vid tidigare tillfällen tillämpats vid projekt på

ÅF.

5.2 Antaganden och villkor Konstruktionen har dimensionerats enbart för statisk belastning. Tillåtna spänningar och

tryck för de olika materialen har hämtats från Karls Björk Formler och Tabeller för

Mekanisk Konstruktion och Kran- och hisskommissionen Normer för stålkonstruktioner till

kranar.

Kraften som cylindern verkar med antogs vara 3000 kN, denna kraft ska normalt fördelas

över fyra stänger men i värsta fall kan jämnvikt i konstruktionen råda då bara två stänger tar

upp all last, därför har dimensionering gjorts utifrån detta antagande. Egenvikten som

användes var 20 kN, den baserades på att H-plattan vägde ca 1 ton samt provföremål på ca

1 ton. Det var i beräkning av stängerna och axlarna som egenvikten användes. Egenvikten

användes inte vid beräkning av H-plattan utan där sågs den yttre kraften på 3000 kN som en

punktlast, i verkligheten något utspridd över mittenhålet.

H-plattans design var komplex och för att underlätta beräkningarna förenklades den till att

representeras av balkar. Balkarna kan liknas med konceptförslaget i Figur 4.8 med en

längre balk på mitten och två kortare på sidorna, då kunde balkteori tillämpas.

Vid knäckning i stängerna gjordes antagandet att de hål som finns i stången inte påverkar

stångens totala styvhet och därför användes tvärsnittet av ett helt rör vid beräkning för

knäckning. Här har dimensionering gjorts utifrån krav och villkor i norm IKH 4.30.01

(Kran- och hisskommissionen, 1981). Knäcklängden har antagits vara från bottenplattan

upp till det översta hålet i stången.


25

5.3 Ekvationer Enligt norm IKH 4.30.01 skall villkoret σd≤σd,till uppfyllas för enklare strävor under

tryckbelastning (Kran- och hisskommissionen, 1981). Följande ekvationer, 5.1-5.4,

användes för att bestämma σd. Här betyder:

P= Största kraften i strävan

A= Strävans tvärsnittsarea

ω= Ett knäcktal som är en funktion av slankhetstalet λ, hämtas från tabell

λ=Största slankhetstalet för strävan med avseende på utknäckningsriktning

Sk=Fria knäcklängden

i=Tröghetsradie med avseende på en axel vinkelrät mot utknäckningsriktning

I= Areatröghetsmomentet

(5.1)

(5.2)

√

(5.3)

√

(5.4)

Ekvation 5.5 användes för att beräkna areatröghetsmomentet för ett rör, där ytter- och

innerdiameter finns (Björk K).

√

(5.5)

Ekvationerna 5.6 och 5.7 användes för att beräkna spänningar i materialet. Där σ avser

tryck- och dragspänningar medan τ avser spänningar uppkomna av tvärkrafter (Lundh,

2008).

(5.6)

(5.7)

När tryck/dragspänningar skall utvärderas tillsammans med skjuvspänningar användes von

Mises spänning, ekvation 5.8.

√ (5.8)


26

Till att beräkna böjning i balkar behövdes tröghetsmomentet I och böjmotstånd W enligt

ekvation 5.9 och 5.10 (Björk K).

(5.9)

(5.10)

Momentet i en balk bestämdes med ekvation 5.11 för belastningsfall 5 (Björk K) där en

punktlast verkar mitt på balken, se även Figur 5.1. Till att beräkna maximala spänningen i

balken användes ekvation 5.12. Utböjningen mitt på balken för detta belastningsfall

bestämdes av ekvation 5.13(Björk K).

(5.11)

(5.12)

(5.13)

Figur 5.1: Belastningsfall med punktlast och uppläggning.

För att beräkna hålkanttrycket användes ekvation 5.14 (Björk K).

(5.14)

Till att studera hur stark svets som krävdes användes ekvation 5.15 där a måttet för svetsen

har lösts ut.

(5.15)

5.4 Beräkningar för dimensionering 5.4.1 Beräkning av stänger För att dimensionera stången har beräkningar för tryck och dragspänningar gjorts med

ekvation 5.6 där den yttre kraften var satt till 1510 kN, 1500 kN kommer från åverkan av

cylindern och 10 kN från egenvikt av H-plattan och ett provföremål. Tvärsnittet som

användes är det som visas i Figur 5.2, där hålet finns. Rörets ytterdiameter är 140 mm och

innerdiameter 71 mm, det tvärgående hålet för axlarna är 60 mm i diameter. Spänningen i


27

detta tvärsnitt blev 207 N/mm2 och tillåten spänning för SS 2132

1 var 270 N/mm

2 (Kran-

och hisskommissionen, 1981).

För knäckning användes tvärsnittet av enbart röret, hålen som finns anses inte påverka

rörets totala styvhet tillräckligt mycket för att hänsyn skall tas till dessa, tvärsnittet syns i

Figur 5.2. Samma dimension på röret som ovan har använts i beräkningarna. Kraften som

påverkade stången var 1510 kN och stångens fria knäcklängd sattes till 2700 mm. Utifrån

normen IKH 4.30.01 (Kran- och hisskommissionen, 1981) och ekvation 5.2-5.5 beräknades

λ till 69. λ användes sedan för att ur tabell 4, bilaga 1 till IKH 4.30.01, avläsa ω till 1,56.

Därefter kunde spänningen, σd, beräknas till 206 N/mm2, för att se om villkoret, σd≤σd,till,

uppfylldes. Tillåten tryckspänning vid elastisk stabilitet, σd,till, är 240 N/mm2 för SS 2132,

detta villkor uppfylldes.

Figur 5.2: Tvärsnitt av stången för drag/tryckspänningar och för knäckning.

5.4.2 Beräkning av H-plattan H-plattan som mothållet sitter i utsätts för en punktlast på mitten och då var det intressant

att studera maximala spänningen, som finns i mitten. Tvärkrafter ut mot sidorna uppkom

och studerades, även utböjningen av plattan beräknades. I detta fall sågs plattan som en

balk för att förenkla geometrin.

Det maximala momentet beräknades då stängerna verkade som plattans

uppläggningspunkter, illustrerat i Figur 5.3, med ett avstånd på 990 mm. För böjning

användes belastningsfall 5 (Björk K) med punktlast på mitten. Ekvation 5.11 kunde

användas och med en punktlast på 3000 kN blev det maximala momentet 742,5 kNm.

Utifrån det nu kända momentet kan den maximala spänningen i balken beräknas med

ekvation 5.12, till den behövdes böjmotståndet som ges i ekvation 5.10. Tvärsnittet som

användes är det i Figur 5.3 som är märkt A-A, hänsyn togs till hålet på mitten eftersom det

var vid detta tvärsnitt som den största spänningen uppkom. Den maximala spänningen

beräknades till 265 N/mm då balken, H-plattan, är 200 mm hög och 560 mm bred. Tillåten

1 Idag jämförbart med bl.a. S355JR, som används i denna konstruktion.


28

spänning för SS 2132 var 270 N/mm2(Kran- och hisskommissionen, 1981). Till detta har

även utböjningen studerats, det var intressant för att veta hur stängerna påverkas. Vid stor

utböjning skulle stängerna dras in mot mitten vilket skulle påverka stabiliteten i dem. Viss

utböjning var ändå eftertraktat då det skulle medföra bättre fördelning av krafterna i

konstruktionen. Böjtröghetsmomentet beräknades med ekvation 5.9 som sedan används i

ekvation 5.13 för att beräkna maximala utböjningen i balken, vilket blev 0,8 mm.

Skjuvspänningar i två snitt har studerats men bara ett var av intresse, snittet markerat B-B i

Figur 5.3. Tvärsnittet mellan den långa balken och de två korta i H-plattan var stort och då

blev spänningarna låga, därför studerades de inte vidare. I tvärsnittet gjordes beräkningar

enbart på tvärkrafter för att drag och tryckspänningarna låg nära noll vid detta tvärsnitt. Vid

snitt B-B användes ekvation 5.7 och 5.8 för att beräkna spänningen, tvärkraften är 1510 kN

då bara två stänger delar på den totala kraften. Skjuvspänningen blev 134 N/mm2 och von

Mises spänning blev 232 N/mm2, där tillåtna värden var 140 N/mm

2 respektive 270 N/mm

2.

Figur 5.3: Snitt och belastningsfall för H-plattan.


29

5.4.3 Övriga beräkningar Axlarna överför all kraft från H-plattan till stängerna där den totala tvärkraften som

överförs är 1510 kN, enligt tidigare antagande. Denna kraft kom att fördelas på två

tvärsnittsytor. Tvärkraften som användes vid beräkning av skjuvspänningen enligt ekvation

5.7 var 755 kN. Resultatet för en axel med diameter 60 mm blev 267 N/mm2 och till

axlarna användes axelstål, 34CrNiMoS62, som hade tillåten skjuvspänning på 270 N/mm

2

(Björk K).

Vid kraftöverföring mellan axlarna och hålen i stängerna samt H-plattan uppkom ett

hålkanttryck som kontrollerades så det inte översteg tillåtet värde, 380 MPa (Björk K). Då

finns risk för lokal deformation vid kanterna. Kraften som verkade på de aktuella ytorna i

stången och H-plattan sattes till 760 kN, hålets diameter var 60 mm och tjockleken i

stången var 34 mm samt 40 mm i H-plattan. Från ekvation 5.14 beräknades hålkanttrycket

för stången till 372 MPa och 317 MPa för hålet i H-plattan, båda var under tillåtet värde.

Flänsen på stängerna var tänkt att svetsas. För att svetsen skulle klara krafterna behövdes

dimensionen på flänsen bestämmas. Till det användes ekvation 5.15, där svetsens a-mått är

utlöst, för att studera hur stor svets som krävdes. Det visade sig att en svets med a-mått på

24,4 mm krävdes för att klara 1500 kN, alternativt kan två svetsar på vardera 12,2 mm i a-

mått användas. Flänsen blev därför 40 mm tjock så att en svets ovan och en under kunde

göras.

2 Jämförbart med tidigare SS 2541-03, där tillåten spänning hämtas från.


30

6 Resultat 6.1 Allmän lösning, uppfyllande av kravspecifikation Arbetet har resulterat i ett färdigt konstruktionsförslag av en provbänk som är konstruerad

för statisk tryck- och dragprovning. Provramen är anpassad för hydraulcylinder NIKE A

21816 och är dimensionerad efter ställda krav, att klara statiska laster på 3000 kN. Den

uppfyller kraven som specificerats i kravspecifikationen, bilaga 3. Konstruktionen är

utvecklad med tanke på enkelhet, få komponenter och tillverkningsmöjlighet.

Sammanställningsritningar och detaljritningar är framtagna för att dokumentera

konstruktionen, sammanställningsritningarna finns presenterade i bilaga 5 och även några

detaljritningar. Den tar förhållandesvis liten golvyta då det är en stående modell. Ur

tillverkningssynpunkt har hänsyn tagits till de vanliga metoderna såsom skärning, fräsning

och svarvning samt svetsning. Val av material och råämnen har gjorts utifrån

dimensioneringen och mot vilka kvaliteter som finns att tillgå. Standardkomponenter har

använtas i så stor utsträckning som möjligt. Dimensioneringen är gjord med hänsyn till att

statisk tryck- och dragprovning kommer genomföras i denna provbänk. Beräkningarna

presenteras i bilaga 4 och redovisas i kapitel 5.

Enbart provramen väger ca 4,7 ton, med cylinder och grepp väger den ca 5,5 ton. Den är

från golv till topp 4100 mm hög, 1310 mm bred och 1070 mm djup. Utrymmet för

provföremålen begränsas i höjden samt på bredden, medan längden beror på hur

provbänken placeras mot omgivningen, såsom väggar och andra hinder.

Greppen för tryckprovning är utvecklade för att kunna fästa speciella grepp i, utvecklade

för varje specifikt provföremål. Konstruktionen är gjord så att greppen kan justeras mellan

950 till 2000 mm vid tryckprovning och mellan 822 till 1872 vid dragprovning. Genom att

fyra axlar låser mothållet kan det enkelt justeras i höjdled och det finns 8 lägen att välja

mellan.

Den pålagda kraften är tänkt att mätas genom att en tryckgivare monteras på hydrauliken

till cylindern. Det blir ett billigt alternativ då dessa inte är dyra i jämförelse med lastceller

och den är enkel att montera på konstruktionen, då den kan monteras mellan befintliga

kopplingar. Hydraulikaggregatet som styr hydraulcylindern är tänkt att stå bredvid

provbänken. Tid för vidare utredning av tryckgivare har inte funnits.

6.2 Konstruktion Cylindern monteras olika om drag eller tryckprovning skall göras, vid dragprovning

monteras den under bottenplattan och vid tryckprovning ovanpå bottenplattan. De två olika

modifikationerna visas i Figur 6.1. Eftersom cylindern bara kan köras med fullkraft åt ett

håll var det nödvändigt med en konstruktion där cylindern kan monteras olika. Olika grepp

är tänkt att användas beroende på vilken form av prov som skall göras. Till dragprovning

fanns redan en uppsättning grepp hos ÅF, som till en början ska användas. Dessa grepp

kräver bara lite modifiering för att de ska passa. I Figur 6.1 är de befintliga delarna

färgsatta med grönt och de som behöver tillverkas är röda. Greppen för tryckprovning är


31

konstruerade så att de tar lite utrymme i höjdled. De är utformade som en rund platta där

speciellt tillverkade grepp för varje unikt provföremål sedan ska kunna fästas.

Konfigurationen över de olika greppen visas i Figur 6.2 och Figur 6.3. För att få en låg

tyngdpunkt är cylindern placerad längst ner.

Figur 6.1: De färdiga förslagen för provbänken, vänstra är

modifierad för dragprovning, högra är modifierad för tryckprovning.

Figur 6.2: Grepp för tryckprovning, till vänster är det nedregreppet fäst mot cylindern och

till höger är det övre greppet fäst mot H-plattan.


32

Figur 6.3: Grepp för dragprovning, till vänster är det nedregreppet fäst mot cylindern och

till höger är det övre greppet fäst mot H-plattan.

Provbänken har ett ”stativ” som den står på för att komma upp från golvet och för att

cylindern ska kunna monteras undertill på bottenplattan. Stativet har tre sidor för att vara

öppet framtill och då kunna komma in med cylindern för montering. Det är fyra ben som är

uppstagade med kors samt två plattor, en uppe och en nere. Den övre har en hålbild som

stämmer överens med bottenplattan, för att kunna fästa stativet i bottenplattan. Nedre

plattan har två hålserier till att fästa stativet i golvet. En serie är till för att fästa stativet

direkt i golvet med expander och skruv, den andra har ett hålavstånd på 625 mm för att

passa mot de spår som finns i ÅF Test Centers labb.


33

Figur 6.4: Överblicksbild av provbänken.

Bottenplattan är en massiv 200 mm tjock plåt som skall vara bearbetad på alla sidor. Här

skall det finnas hålbilder för cylindern, de fyra stängerna samt för skruvarna som spänner

fast stängerna. Dessa hålbilder skall stämma överrens med H-plattan, cylindern och

ringarna som låser stängerna, till detta har lägestoleranser använts. Från bottenplattan

sträcker sig fyra stänger uppåt med åtta hål i varje för att kunna välja var mothållet ska sitta.

Mothållet kan justeras i höjdled för att anpassa avståndet för olika provföremål, mothållet

låses med genomgående axlar i olika steg. Högst upp sammanbinds de fyra stängerna för att

ge extra stabilitet åt konstruktionen.


34

Figur 6.5: Närbild över mothållet med låsaxlar och ringsprint.

Mothållet, Figur 6.5 är en 200 mm tjock plåt som skärs ut. På den svetsas fyra stycken rör

som förlängning av styrlängden för att motverka självlåsning. På ovansidan finns fyra

stycken lyftöglor för att fästa stroppar i och traversen är tänkt att användas vid justering av

mothållet. Mothållet låses med axlar såsom snittet i Figur 6.6 visar och axlarna låses med

ringsprintar. Axlarna har också en lyftögla för att användas som handtag samt för att kunna

dra ut axeln.

Figur 6.6: Snitt vid låsningen av mothållet.


35

Sammanbindningen mellan stängerna och bottenplattan konstruerades med genomgående

skruvar för att klara hållfastheten. På stången svetsas en fläns som ställs mot bottenplattan

och för att låsa fast stången används två ringhalvor, grön och gul i Figur 6.7. Det är totalt

10 stycken skruvar som används för att dra ihop skruvförbandet med de två ringhalvorna

och stången. En M24 skruv har förspänningskraft på 165 kN (Björk K). Här har skruvarna

placerats så nära stångens centrum som möjligt för att undvika bändande krafter i ringarna

och skruvarna.

Figur 6.7: Snitt vid ihopsättningen av stång och bottenplatta, de två ringhalvorna är

illustrerade med två olika färger.


36

7 Diskussion Den föreslagna konstruktionen för provbänken uppfyller villkoren i kravspecifikationen.

Det är en lösning som är enkel och få enskilda komponenter används. Förslaget är

genomtänkt ur aspekter som funktion, användarvänlighet och tillverkning. Provbänkens

konstruktion är anpassad för hydraulcylindern och är dimensionerad för 3000 kN.

Lösningen av ihoppsättningen mellan stängerna och bottenplattan har viss

förbättringspotential då flänsen i dagsläget är svetsad. En svets ska helst undvikas här då

det är ett krävande moment i tillverkningen, stången får inte slå sig under svetsningen.

Ihoppsättningen kan analyseras vidare och om möjligt utveckla en annan lösning där ingen

svets krävs. Greppen är enkla för att provföremålen inte är kända i dagsläget, de uppfyller

kraven men kommer i framtiden behöva utvecklas för att anpassas till de specifika

provföremål som ska testas.

Koncepten som valts känns bra, det går alltid att diskutera deras för och nackdelar och

varför ett visst koncept valdes och inte det andra. För att komma vidare i ett projekt måste

beslut tas och vägval göras. I efterhand går det alltid att diskutera om ett beslut var rätt eller

inte. Ofta kommer nya idéer längre fram i projektet och tidigare val ifrågasätts, det gäller då

att kunna motivera sina beslut. Under detta arbete har besluten tagits på rådande situation

och det som varit bäst vid beslutstillfället. Ett fullgott resultat har uppnåtts där det finns en

fungerande konstruktion som uppfyller kraven samt det ursprungliga behovet. Det finns

alltid andra lösningar, koncept, som gärna skulle studeras och utvärderas vidare och det har

det funnits i detta projekt också. Till detta har inte tid funnits och det var sagt från början att

bara ett koncept skulle utvecklas till ett färdigt konstruktionsförslag. Lösningen är

tillfredställande då den föreslagna konstruktionen uppfyller de mål och krav som fanns i

projektet.

Dimensioneringarna har gjorts med förenklingar för att underlätta beräkningarna men är det

relevanta antagningar som gjorts. Antagandet om att bara två stänger skulle ta upp all kraft

är baserad på värsta tänkbara fall. Som konstruktionen ser ut nu med rådande toleranser och

material finns ingen större oro för att detta antagande infaller. Kraften kommer fördelas

över alla fyra stänger dock är det inte sagt att det blir en jämn fördelning. Genom att

dimensioneringen är gjord utifrån beräkningar med detta antagande finns en säkerhet i

beräkningarna, dessutom har dimensionering gjorts mot tillåtna spänningar för materialen,

vilka i sig har en säkerhetsfaktor. Beräkningarna har gjorts på utvalda delar som ansågs

vara kritiska för konstruktionen. Viktigt är då att inte något kritiskt område har förbisetts,

ibland kan det vara svårt att identifiera dessa områden. För att utvärdera dimensioneringen

och konstruktionen kan en FEM analys vara på sin plats, det skulle då också verifiera

provbänkens hållfasthet och att alla kritiska områden har identifierats.

Konceptutvecklingen och dimensioneringsarbetet var från början tänkt att vara två skilda

processer, vilket det var till en början men flöt ganska snabbt ihop. Det krävdes en del

beräkningar för att se vilka koncept som klarade kraven. Detta kan ha gjort att kreativiteten

i konceptutvecklingen begränsades och styrdes för mycket av hållfasthetskraven. Eftersom

många koncept fick sorteras bort på grund av hållfasthetskraven visade det sig vara

nödvändigt att integrera dimensionsberäkningarna med konceptutvecklingen.


37

8 Slutsatser Ett konstruktionsförslag presenteras i from av CAD modeller och ritningar där

konstruktionen är anpassad för cylinder NIKE A 21816 och dimensioneringen är gjord för

prover upp till 3000 kN. Dimensioneringsunderlag finns i from av presenterade

beräkningar. Konstruktionsförslaget har en enkel konstruktion där hänseende till

tillverkning har tagits. Provbänken uppfyller de mål och krav som funnits med arbetet.

Vidare kan det rekommenderas att en FEM analys görs av provbänken för att säkerställa att

konstruktionen uppfyller hållfasthetskraven. Detaljritningar och svetsritningar finns men

det behövs vidare beredning för att provbänken ska vara klar för tillverkning. Greppen är

enkla och uppfyller ställda krav men för att provning skall kunna genomföras krävs

utveckling av grepp som är anpassade för det specifika provföremålet.

En undersökning för att garantera cylinderns prestanda behöver göras, då den visade

tendenser till att läcka lite vid provkörningen. Även en kalibrering av systemet behöver

göras för att säkerställa att den verkliga kraften mäts. Det är bestämt att en tryckgivare skall

användas till mätning av pålagd kraft. En fortsatt utredning krävs för att utreda vilken

modell som är lämplig och var tryckgivaren bäst placeras.


38

9 Referenser Böcker, kompendier och rapporter

Baxter M.R, Product Design, A practical guide to systematic methods of new product

development, CRC Press, 1995, ISBN: 0-7487-4197-6

Björk K, Formler och Tabeller för Mekanisk Konstruktion, mekanik och hållfasthetslära,

Sjätte upplagan, Karl Björks Förlag HB, Spånga

Davis J.R, Tensile Testing, Second Edition, ASM International, 2004, ISBN:

9781615030958

Kran- och Hisskommissionen, Normer för stålkonstruktioner till kranar, Dimensionering,

Utgåva 3, Normblad IKH 4.30.01, SIS, 1981

Lundh H, Grundläggande hållfasthetslära, Instant book AB, Stockholm, 2008, ISBN:978-

91-972860-2-2

Olsson K.O, Maskinelement, Första upplagan, Liber AB, 2006, ISNB: 978-91-47-05273-8

Ullman E, Materiallära, Karlebo-serien, utgåva 13, Liber AB, 1997, ISBN: 91-47-00157-7

Tidskriftsartiklar

Gedney R, Tensile Testing Basics, Tips and Trends, Quality, 2005, Vol. 44, Nr 1, p. 46-54

Mercer D, Understanding Tensile Testing, Quality, 2008, Vol. 47, Nr 6, p. 6-9

Routley J.M, Tensile Testing Basics, Quality, 2006, Vol. 45, Nr. 13, p. 18

Information på hemsidor

Instron (2013), Compression test, Tillgänglig på:

http://www.instron.se/wa/applications/test_types/compression.aspx (2013-05-10)

Instron (2013), Instron Products, Tillgänglig på: http://www.instron.se/wa/product/Instron-

Products-By-Product-Type.aspx (2013-04-15)

Instron (2013), Tension testers, Tillgänglig på: http://www.instron.se/wa/product/Tension-

Testers.aspx (2013-04-04)

MTS System Corporation (2013), High-Performance, Field-Proven Components,

Tillgänglig på: http://www.mts.com/en/products/producttype/test-components/index.htm

(2013-04-02)


39

MTS System Corporation (2013), Tensile Testing, Tillgänglig på:

http://www.mts.com/en/products/application/civil-engineering/construction-

materials/tensile/index.htm (2013-04-02)

MTS System Corporation (2013), Extending MTS Expertise Across the Spectrum,

Tillgänglig på: http://www.mts.com/en/forceandmotion/materialstesting/

MTS_006856?article=1 (2013-04-02)

OmniProcess AB (2013), Fältinstrument Tryck,Tillgänglig på:

http://www.omniprocess.se/produkter_falt_tryck.htm (2013-06-16)

SIS - Swedish Standards Institute (2013), Metalliska material - Dragprovning - Del 1:

Testmetod vid rumstemperatur (ISO 6892-1:2009), Tillgänglig på:

http://www.sis.se/metallurgi/provning-av-metalliska-material/provtagning-för-mekanisk-

provning/ss-en-iso-6892-12009 (2013-04-08)

Swerea IVF AB (2013), Dragprovning, Tillgänglig på: http://www.swerea.se/Global/Swerea%20IVF/Dokument/dragprov-08.pdf (2013-04-08)

Shimadzu Corporation (2013), Tensile Tests of Various Plastic Materials, Tillgänglig på:

http://www.shimadzu.com/an/industry/petrochemicalchemical/i215.html (2013-04-02)

Tekscan (2013), Load Cell Alternative: Thin, Flexible Force Sensors, Tillgänglig på:

http://www.tekscan.com/flexiforce/load-cell.html?gclid=CM7Ywa-

Tn7YCFdF4cAod3HkAgA (2013-04-04)

TestResources (2013), Universal Testing Machines / TestResources, Tillgänglig på:

http://www.testresources.net/solutions-product-spotlight/universal-test-machines-

testresources/ (2013-04-02)

http://www.omniprocess.se/produkter_falt_tryck.htm


40

Bilagor

Bilaga 1: Produktdatablad över cylindern, NIKE A21817 300 ton.

Bilaga 2: Ritning över cylindern, NIKE A21816 300 ton.

Bilaga 3: Kravspecifikation för provbänk

Bilaga 4: Beräkningar för dimensionering.

Bilaga 5: Ritningar över färdigt konstruktionsförslag, sammanställningsritningar med

några detaljritningar.

Bilaga 1

280

21

45

500

+ -

25

495

430

480

45

NIK

E-A

218

16C

ylin

der

300

ton_

ritni

ng

JR

D E FC

12

34

BA

32

15

C D

46

78

A B

Bla

dR

itnin

gsnu

mm

er

Rita

d av

Kon

stru

erad

av

Tite

l/Ben

ämni

ng

Sto

rlek

Tillv

erkn

ing

gran

skad

av

Gra

nska

d av

1:10

Exjo

bb

a

Gen

erel

l tol

eran

s

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

se le

der t

ill å

tal.

Pro

jekt

nam

n

JR

God

känd

av

- da

tum

Utg

åva

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

jäm

nhet

RS

S IS

O 2

768-

1

Pro

jekt

leda

reM

ater

ial

Äga

re

Mas

sa [g

]V

ypla

cerin

gS

kala

-G

ener

ell y

t-]

--

-JR

A1

1(1)

A3

Den

site

t [g/

mm

3

m

2xM

10

270

205

140,

5

370

6xM

24

Kap

aci

tet:

3000

kN

Tryc

k: 5

5,9

MPa

Kolv

are

a: 5

20,7

cm

^2

Sla

glä

ngd

: 200

mm

Bilaga 2

Allt eftertryck av hela eller delar av detta dokument utan beställarens skriftliga medgivande är förbjudet. Författare: Signatur: Datum:

Jonatan Rosén 2013-05-27

Godkänd av: Signatur: Datum:

Filnamn och status: Sekretessnivå:

kravspecifikation-giltig Examensarbete Projekt: Datum: Sida:

ÅF AB Examensarbete-Provningsram 2013-05-27 1(7)

Kravspecifikation

Provbänk ÅF Test Center

För examensarbetet Utveckling och dimensionering av en lastupptagande

provningsram

Jonatan

Sticky Note

Marked set by Jonatan

Jonatan

Typewritten Text

Bilaga 3

Jonatan

Typewritten Text

Jonatan

Typewritten Text

Jonatan

Typewritten Text




1 INNEHÅLL 1 INNEHÅLL .................................................................................................... 2 2 SAMMANFATTNING .................................................................................... 3 3 GENERELL BESKRIVNING ......................................................................... 4

3.1 Gränssnitt .............................................................................................. 4 3.2 Funktioner ............................................................................................. 4

3.3 Användare ............................................................................................. 4 3.4 Begränsningar ....................................................................................... 4 3.5 Antaganden och beroenden .................................................................. 4

4 SPECIFIKA KRAV ........................................................................................ 5 4.1 Funktionella krav ................................................................................... 5

4.1.1 Funktionalitet .................................................................................. 5 4.1.2 Storlek ............................................................................................ 5

4.1.3 Material och form ............................................................................ 5 4.2 Servicefunktioner .................................................................................. 5 4.3 Krav på externa gränssnitt .................................................................... 5

4.3.1 Användargränssnitt ......................................................................... 5

4.3.2 Mekaniska gränssnitt ...................................................................... 6 4.3.3 Hårdvarugränssnitt ......................................................................... 6

4.4 Prestandakrav ....................................................................................... 6 4.5 Konstruktionsbegränsningar .................................................................. 6 4.6 Egenskaper ........................................................................................... 6

4.6.1 Säkerhet ......................................................................................... 6 4.6.2 Servicebarhet.................................................................................. 6

4.7 Övriga krav ............................................................................................ 6 4.7.1 Dokumentation................................................................................ 6

5 DOKUMENTINFORMATION ........................................................................ 7 5.1 Versionsbeskrivning .............................................................................. 7

5.2 Distribution ............................................................................................ 7 5.3 Definitioner ............................................................................................ 7 5.4 Referenser ............................................................................................ 7




2 SAMMANFATTNING Detta dokument innehåller de övergripande kraven för provningsramen som ska

utvecklas under examensarbetet ” Utveckling och dimensionering av en lastupptagande

provningsram”. Dessa krav ska fungera som input för generering av kommande koncept

förslag och för utveckling av provningsramen.

Denna kravspecifikation består av två delar. Den första delen ger en generell

beskrivning av produkten som ska utvecklas under detta examensarbete. Denna del

innehåller inga krav utan ger en allmän ökad förståelse för produkten. Den andra delen

innehåller alla specificerade krav på produkten i olika avseenden.




3 GENERELL BESKRIVNING

3.1 Gränssnitt Den lastupptagande ramen ska användas till att belasta olika typer av provföremål med

statiska laster, dragande och tryckande, för att utvärdera deras hållfasthet. Till att

applicera kraften på provföremålen kommer en hydraulcylinder av märke NIKE

användas. Denna drivs av ett separat tillhörande hydraulikaggregat.

3.2 Funktioner Användaren av produkten ska kunna justera avståndet mellan cylinder och mothållet så

att olika storlekar på provföremål kan testas. Genom en extern styrenhet ska kraften på

cylindern kunna styras samt information om pålagt kraft visas.

3.3 Användare Produkten kommer användas av provningsingenjörerna vid ÅF Test Center i Borlänge.

3.4 Begränsningar Enbart statiska prover ska utföras med provramen.

Begränsad storlek på provföremålen.

3.5 Antaganden och beroenden Det antas att den tänkta cylindern kan åstadkomma en kraft om 3000 kN därför kommer

dimensionering ske därefter.




4 SPECIFIKA KRAV

4.1 Funktionella krav

4.1.1 Funktionalitet 4.1.1.2 Ramen skall klara tryckande och dragande last upptill 3000 kN.

4.1.1.3 En kraft på 3000 kN skall appliceras på provföremålet.

4.1.1.4 Ett provföremål med måtten 2000 x 800x 1000 (H x B x D)skall kunna

monteras i provmaskinen. [mm]

4.1.1.5 Avstånden mellan fästgreppen skall kunna justeras mellan 1000 – 2000

[mm] i minst 5 steg, mätt från cylindern.

4.1.1.6 Den pålagda kraften skall kunna mätas.

4.1.1.7 Provramen skall vara av stående modell.

4.1.2 Storlek 4.1.2.1 Konstruktionen skall rymmas inom en rektangulär låda med dimensionerna

4500 x 2000 x 1500 (H x B x D) [mm]

4.1.3 Material och form 4.1.3.1 Val av färgsättning sker efter konceptval

4.1.3.2 Material: stål

4.1.3.3 Val av stål typ sker i samband med dimensionering

4.2 Servicefunktioner 4.2.1 Justering av greppen för olika storlek på provföremål skall göras med den

befintliga traversen, max höjd är därför 4,5 meter.

4.3 Krav på externa gränssnitt

4.3.1 Användargränssnitt 4.3.1.1 Produkten skall vara designad för att underlätta montering av olika

provföremål.

4.3.1.2 Produkten skall kunna anslutas mot tillhörande styrutrustning




4.3.2 Mekaniska gränssnitt 4.3.2.1

Greppen skall vara universella, olika grepp för tryckprovning och för

dragprovning.

4.3.2.2 Grepp för tryckprovning skall vara universella.

4.3.2.3 Befintliga grepp för dragprovning skall användas.

4.3.3 Hårdvarugränssnitt 4.3.3.1 Hydraulikförsörjning, 600 bar, genom extern kraftkälla med anslutning via

snabbkoppling.

4.3.3.2 Provningsramen skall vara anpassad för hydraulcylinder, NIKE A 21816.

4.4 Prestandakrav 4.4.1 Provramen skall vara konstruerad för statisk tryck- och dragprovning.

4.4.2 Produkten skall vara enkel att bygga om från tryck- till dragprovning.

4.5 Konstruktionsbegränsningar 4.5.1 Dimensionering görs enbart för statisk provning.

4.6.2 Enbart grepp för tryckprovning ingår i detta arbete, anpassad för befintliga

grepp till dragprovning.

4.6 Egenskaper

4.6.1 Säkerhet 4.6.1.1 Efter genomfört prov skall produkten ej skada operatör.

4.6.1.2 Produkten skall efter internt fel ej kunna skada operatör.

4.6.2 Servicebarhet 4.6.2.1 Samtliga komponenter skall kunna bytas.

4.7 Övriga krav

4.7.1 Dokumentation 4.7.2.1 Sammanställnings- och detaljritningar av komplett produkt skall

framställas.

4.7.2.2 Beräkningsunderlag för dimensionering skall finnas.




5 DOKUMENTINFORMATION

5.1 Versionsbeskrivning Version Ändrad av - datum Förklaring

01 JR, 2013-04-19 Första versionen

5.2 Distribution Utskriven kopia:

Magnus Skärhem

5.3 Definitioner

Term Förklaring

TBD To be determined / återstår att besluta

N/A Not applicable (ej applicerbart)

5.4 Referenser -

Jonatan

Typewritten Text

Bilaga 4

Pos

nr

Ant

alTi

tel/B

enäm

ning

, bet

eckn

ing

Mat

eria

l, di

men

sion

o.d

.A

rtike

l nr/R

efer

ens

106

Sex

kant

skru

v M

6S 8

.8 F

ZB M

24x2

409

2S

exka

ntsk

ruv

M6S

8.8

FZB

M10

x45

81

Cyl

inde

r 300

ton

NIK

E-A

218

167

1dr

aghå

llEg

en ti

llver

knin

g-

61

drag

hyls

aEg

en ti

llver

knin

g-

52

Tallr

ikEg

en ti

llver

knin

g-

42

M90

_mut

ter

Befin

tlig

-3

1Lå

ng_d

ragg

affe

lBe

fintli

g-

21

Kor

t_dr

agga

ffel

Befin

tlig

-1

1P

rovr

am_3

000k

N10

0-00

0

JR

A-1

00-0

00

D E FC

12

34

BA

32

15

C D

46

78

A B

Bla

dR

itnin

gsnu

mm

er

Rita

d av

Kon

stru

erad

av

Tite

l/Ben

ämni

ng

Sto

rlek

Tillv

erkn

ing

gran

skad

av

Gra

nska

d av

1:20

Pro

jekt

nam

n55

1541

7.32

Gen

erel

l tol

eran

s

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

se le

der t

ill å

tal.

Vyp

lace

ring

Utg

åva

A1

Mas

sa [g

]

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

jäm

nhet

RS

S IS

O 2

768-

1

Pro

jekt

leda

reM

ater

ial

Äga

re

God

känd

av

- da

tum

a

Ska

laG

ener

ell y

t-

Prov

bänk

-JR

1(1)

Ritn

ing_

Dra

gpro

vbän

k

]

A3

-JR

--

Den

site

t [g/

mm

3

m

7

10

1

4 6 5 2

8

9

3

Jonatan

Typewritten Text

Bilaga 5

Jonatan

Typewritten Text

Jonatan

Typewritten Text

2

1

9

4

76

8 3

5

JR

A1

D E FC

12

34

BA

32

15

C D

46

78

A B

Bla

dR

itnin

gsnu

mm

er

Rita

d av

Kon

stru

erad

av

Tite

l/Ben

ämni

ng

Sto

rlek

Tillv

erkn

ing

gran

skad

av

Gra

nska

d av

1:30

Pro

jekt

nam

n

JR

Gen

erel

l tol

eran

s

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

se le

der t

ill å

tal.

Vyp

lace

ring

Utg

åva

A3

Mas

sa [g

]

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

jäm

nhet

RS

S IS

O 2

768-

1

Pro

jekt

leda

reM

ater

ial

Äga

re

God

känd

av

- da

tum

a

Ska

laG

ener

ell y

t-

Prov

bänk

]

JR

Ritn

ing_

Tryc

kpro

vbän

kB-

100-

000

1(1)

5382

208.

38D

ensi

tet [

g/m

m3

m

Pos

nr

Ant

alTi

tel/B

enäm

ning

, bet

eckn

ing

Mat

eria

l, di

men

sion

o.d

.A

rtike

l nr/R

efer

ens

96

Sex

kant

skru

v M

6S 8

.8 F

ZB M

24x2

408

2S

exka

ntsk

ruv

M6S

8.8

FZB

M10

x65

72

Sex

kant

mut

ter M

6M-1

0 FZ

B M

206

1G

änga

d st

ång

M20

--

51

Gre

ppto

ppS3

55JR

B-10

0-03

04

1gr

eppt

opp_

mot

håll

S355

JRB-

100-

020

31

Tryc

kgre

pp_n

ere

S355

JRB-

100-

010

21

Cyl

inde

r 300

ton

NIK

E-A

218

161

1P

rovr

am_3

000k

N10

0-00

0

1(1)

JR

A1

D E FC

12

34

BA

32

15

C D

46

78

A B

Bla

dR

itnin

gsnu

mm

er

Rita

d av

Kon

stru

erad

av

Tite

l/Ben

ämni

ng

Sto

rlek

Tillv

erkn

ing

gran

skad

av

Gra

nska

d av

1:30

100-

000

a

Gen

erel

l tol

eran

s

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

se le

der t

ill å

tal.

Pro

jekt

nam

n

Prov

bänk

300

0 kN

God

känd

av

- da

tum

Utg

åva

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

jäm

nhet

RS

S IS

O 2

768-

1

Pro

jekt

leda

reM

ater

ial

Äga

re

Mas

sa [g

]V

ypla

cerin

gS

kala

Gen

erel

l yt-

JR

Ritn

ing_

Prov

ram

_300

0kN

4696

733.

16

A3

]

JR

Den

site

t [g/

mm

3

m

Pos

nr

Ant

alTi

tel/B

enäm

ning

, bet

eckn

ing

Mat

eria

l, di

men

sion

o.d

.A

rtike

l nr/R

efer

ens

1340

Run

dbric

ka B

RB

FZB

M24

124

Sex

kant

skru

v M

6S 8

.8 F

ZB M

12x3

511

9S

exka

ntsk

ruv

M6S

8.8

FZB

M20

x50

104

lock

-pin

-892

3-le

sjof

ors

940

Sex

kant

mut

ter M

6M-1

0 FZ

B M

248

40In

sexs

kruv

MC

6S 8

.8 F

ZB M

24x2

607

1To

pp_s

amm

anbi

ndni

ngS3

55JR

100-

004

61

Sta

tivS3

55JR

100-

003

58

Stå

nglå

sS3

55JR

100-

002

44

Låsb

ult_

hpla

tta13

0-00

03

1M

othå

llsam

man

stäl

lnin

g12

0-00

02

4S

täng

er11

0-00

01

1bo

ttenp

latta

S355

JR10

0-00

1

AA

B

5

C

6A

-A

73

2

1 11

D

Ska

la 1

: 10

B

12

Ska

la 1

: 10

C

104

Ska

la 1

: 15

D

138

9

Prov

bänk

300

0 kN

A3

D E FC

12

34

BA

32

15

C D

46

78

A B

Bla

dR

itnin

gsnu

mm

er

Rita

d av

Kon

stru

erad

av

Tite

l/Ben

ämni

ng

Sto

rlek

Tillv

erkn

ing

gran

skad

av

Gra

nska

d av

1:20

Pro

jekt

nam

n

JR

Gen

erel

l tol

eran

s

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

se le

der t

ill å

tal.

Vyp

lace

ring

Utg

åva

JRM

assa

[g]

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

jäm

nhet

RS

S IS

O 2

768-

1

Pro

jekt

leda

reM

ater

ial

Äga

re

God

känd

av

- da

tum

a

Ska

laG

ener

ell y

t-

A1

]

JR

Ritn

ing_

botte

npla

tta1(

1)10

0-00

10.01

1972

859.

96

S355

JR

3,2

Den

site

t [g/

mm

3

m

0,05

AB

375

990

131

0

1070

36°

4xR1

0

750

240

4x

10x

495 A A

B B

200

0,05

A-A

AB

A0,

05

B

40

141

±0,2

47,5 2x2x45

9xM20

6x

26

0,05

C

C

0,05

DA 0,

05A

B-B

BA

D40

x

40x

40

60 4

0x 40xR

1

26

8x2x45

4x

140

H7

2x220

2x3

15

315 205

260

370

115

0 8

0

6x60

°

750

110

110

Alla

del

ar s

vets

as s

am

ma

n, m

ed lik

a sv

ets

a5

Pos

nr

Ant

alTi

tel/B

enäm

ning

, bet

eckn

ing

Mat

eria

l, di

men

sion

o.d

.A

rtike

l nr/R

efer

ens

1.6

2 S

kure

n pl

åt 2

0 m

m tj

ock

1.5

2

Kva

drat

iska

rör 5

0x50

x5

1.

44

K

vadr

atis

ka rö

r 50x

50x5

1.3

1

K

vadr

atis

ka rö

r 50x

50x5

1.2

2

Kva

drat

iska

rör 5

0x50

x5

1.

14

K

vadr

atis

ka rö

r 100

x100

x8

966

483

940

124

0

110

8xR1

0

1225

612

900

20

105

0

1.2

1.3

1.4

1.6

1.1

1.5

2187

19.8

9

S355

JRJR

Ritn

ing_

Stat

iv

D E FC

12

34

BA

32

15

C D

46

78

A B

Bla

dR

itnin

gsnu

mm

er

Rita

d av

Kon

stru

erad

av

Tite

l/Ben

ämni

ng

Sto

rlek

Tillv

erkn

ing

gran

skad

av

Gra

nska

d av

JRM

assa

[g]

a

Gen

erel

l tol

eran

s

1:20

-

Äga

re

Pro

jekt

nam

n

Utg

åva

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

jäm

nhet

RS

S IS

O 2

768-

1

Pro

jekt

leda

reM

ater

ial

God

känd

av

- da

tum

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

se le

der t

ill å

tal.

Vyp

lace

ring

Ska

laG

ener

ell y

t-

100-

003

A1

]

Prov

bänk

300

0kN

JR

2(2)

A3

0.01

Den

site

t [g/

mm

3

m

70

a5

1.4

1.3

1.2

1.1

a5 a5

a5

8x152

990 7

50

820

580

266

45°

C

2 31 4

B

A

D

E

F

Projektnamn

Titel/Benämning

BladUtgåva

Ritad av Godkänd av - datumKonstruerad av

Ritningsnummer

Generell toleransSS ISO 2768-1

Vyplacering

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

sele

der t

ill å

tal.

Skala

Ägare

Storlek

Generell yt-jämnhet, Ra

Massa [g] Densitet [g/mm3]

Projektledare

0.01 -38447.73

JRProvbänk 3000 kN

100-004 A1A4 2(2)

1:10

Ritning_Topp_sammanbindning

Granskad av

JRJRMaterial

Tillverkning granskad av

S355JR

m

Svetsas lika i alla fyra hörn.

Pos nr Antal Titel/Benämning, beteckning Material, dimension o.d. Artikel nr/Referens

1.4 4 Ämnesrör Ovako 280, 170401.3 2 Kvadratiska rör 40x40x51.2 2 Kvadratiska rör 40x40x51.1 4 Kvadratiska rör 40x40x5

Pos nr Svets/QTY. Titel/Benämning, beteckning Material, dimension o.d. Artikel nr/Referens

2 1 Ringen S355JR 110-0021 1 Stång S355JR 110-001

JR

C

2 31 4

B

A

D

E

F

Projektnamn

Titel/Benämning

BladUtgåva


Ritningsnummer

Material

SS ISO 2768-1VyplaceringGenerell tolerans

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

sele

der t

ill å

tal.

Skala

Ägare

Storlek

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

JR a

Massa [g]jämnhet, RGenerell yt-]

3,2Tillverkning granskad av

Provbänk 3000 kN264956.68

Projektledare

Granskad av

1:20

110-000 2(2)

Ritning_Stänger

JR

A4

Densitet [g/mm3

m

1

2

190


2 4 Lyftögla M24, 532115_Industrilas1 1 Mothåll 120-100

JRJRMaterial

C

2 31 4

B

A

D

E

F

Projektnamn

Titel/Benämning

BladUtgåva

Ritad av Godkänd av - datumGranskad av

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

jämnhet, RKonstruerad av

Ritningsnummer

Generell tolerans

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

sele

der t

ill å

tal.

SkalaSS ISO 2768-1

Ritning_Mothållsammanställning

a

Massa [g] Vyplacering

Ägare

Storlek

Generell yt-]

Projektledare

1248493.17

JRProvbänk 3000 kN

120-000 A4 1(1)

1:20Densitet [g/mm3Tillverkning granskad av

2

1

1 2

C CC

-C

4x

a 10

Pos

nr

Svet

s/Q

TY.

Tite

l/Ben

ämni

ng, b

etec

knin

gM

ater

ial,

dim

ensi

on o

.d.

Arti

kel n

r/Ref

eren

s

24

H-H

ylsa

S355

JR12

0-10

21

1H

-pla

ttaS3

55JR

120-

101

D E FC

12

34

BA

32

15

C D

46

78

A B

Bla

dR

itnin

gsnu

mm

er

Rita

d av

Kon

stru

erad

av

Tite

l/Ben

ämni

ng

Sto

rlek

Tillv

erkn

ing

gran

skad

av

Gra

nska

d av

1:10

Pro

jekt

nam

n

Utg

åva

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

se le

der t

ill å

tal.

Vyp

lace

ring

Ska

laG

ener

ell y

t-jä

mnh

et R

a

Gen

erel

l tol

eran

sS

S IS

O 2

768-

1

Pro

jekt

leda

reM

ater

ial

Äga

re

God

känd

av

- da

tum

Mas

sa [g

]D

ensi

tet [

g/m

m3 ]

JR

Ritn

ing_

Mot

håll

2(2)

A3

3,2

JR12

4490

5.84

JRPr

ovra

m 3

000

kN

120-

100

m

JR

C

2 31 4

B

A

D

E

F

Projektnamn

Titel/Benämning

BladUtgåva


Ritningsnummer

JRSS ISO 2768-1

VyplaceringGenerell tolerans

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

sele

der t

ill å

tal.

Skala

Ägare

Storlek

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

Granskad av

a

Massa [g]jämnhet, RGenerell yt-]

Material Projektledare

JRProvbänk 3000 kN

130-000 A4 1(1)

Ritning_Låsbult_hplatta

1:5Densitet [g/mm3Tillverkning granskad av

2

1


2 1 Lyftögla M20_532113_Industrilas1 1 Låsbult 34CrNiMoS6 130-001

utveckling och dimensionering av en lastupptagande ...634488/fulltext01.pdf · göra de statiska...

Documents