Design of bogie joint
Partti, Ari (2019)
Diplomityö
Partti, Ari
2019
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201901101910
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201901101910
Tiivistelmä
Objective of this thesis was to find new engineering solution for bogie joint of specified hoisting machine. New joint was required to allow rotation around vertical axis of the joint and thus allowing greater deviations in travelling track.
Loading for the joint was obtained as support reaction force from results of FEA calculation of beam element model of hoisting machine. Horizontal force subjected from sides of rails to the flanges of rail wheels was focused because horizontal loading direction induced risk for instability of the hoisting machine configuration. Worst-case horizontal loading was a result of enforced skewing of the hoisting machine and this loading was later used as a static criterion for dimensioning of structures. For fatigue loading criterion, simplified model of travelling track curvature was created. Frequency and magnitude of curvature were based on ISO standard. Fatigue loading was also obtained as a support reaction force of enforced displacements induced by curves of travelling track.
After loading for static and fatigue cases were obtained, systematic product development process for the joint structures and components was carried out. Requirements for static and fatigue loading capacity, space, assembly and maintenance were considered and working principles created according to requirements. Solution variants based on working principles were created and best solution selected for further development based on technical-economic evaluation.
Selected solution variant was further developed and dimensioned first roughly with analytical calculations and more precise with help of FEA. As a result of this thesis, a definitive layout for a new bogie joint was created. Definitive layout is applicable to be retrofitted to existing machines or to new machines yet to be manufactured. The new joint solution fulfills DOF requirements and can be applied to other types of structures with simple structural changes and low number of additional components. Tämän diplomityön tavoitteena oli löytää uusi ratkaisu tietyntyyppisen nostolaitteen telinivelelle. Uuden telinivelen tuli sallia pyöriminen niveleen asetetun pystysuuntaisen akselin ympäri, sallien suurempia vaihteluita nostolaitteen kiskoradan suoruudessa.
Telinivelelle kohdistuva kuormitus saatiin selville FEA-laskennan tuloksista. Laskennassa käytettiin nostolaitteen palkkielementtimallia ja mielenkiinnon kohteena oli vaakasuuntainen kiskoradan kiskon kyljen ja pyörän laipan välinen tukireaktiovoima, koska tämän vaakasuuntaisen voiman todettiin tekevän nostolaitteesta epästabiilin. Suurin vaakasuuntainen kuormitus johtui pakotetusta nostolaitteen vinoon ajosta ja tätä kuormitusta käytettiin mitoituskriteerinä staattisessa kuormituksessa. Väsymislaskentaa varten luotiin yksinkertaistettu kiskon mutkaisuutta kuvaava malli, jossa kiskon sivupoikkeamien suuruus ja määrä perustuivat ISO-standardiin. Väsyttävä kuormitus saatiin selville kiskon mutkaisuutta kuvaavan mallin aiheuttamien pakkosiirtymien tukireaktioista hyödyntäen samaa palkkielementtimallia kuin staattisen kuormituksen määrityksessä.
Staattisen ja väsyttävän kuormituksen määrityksen jälkeen alkoi nivelen rakenteita ja komponentteja koskeva systemaattinen tuotekehitysprosessi. Rakenteelle luotiin vaatimuslista, joka koostui kuormankantokapasiteetistä niin staattisessa kuin väsyttävässä kuormituksessa, tilarajoituksista, kokoonpantavuudesta ja huollettavuudesta. Näihin osa-alueisiin liittyvien vaatimusten täyttäviä toimintoperiaatteita luotiin yhteensä kolme kappaletta ja niistä luotiin ratkaisuvaihtoehtoja, joista paras valittiin jatkokehitykseen teknistaloudellisen pisteytyksen avulla.
Valittua ratkaisuvaihtoehtoa jatkokehitettiin ja mitoitettiin aluksi analyyttisin laskuin ja myöhemmin elementtimenetelmän avulla ja työn tuloksena saatiin lopullinen perussuunnitelma uudelle telinivelelle. Ratkaisu soveltuu asennettavaksi uusiin nostolaitteisiin ja myös jo käytössä oleviin. Ratkaisu on myös yleisesti soveltuva muun tyyppisiin rakenteisiin.
Loading for the joint was obtained as support reaction force from results of FEA calculation of beam element model of hoisting machine. Horizontal force subjected from sides of rails to the flanges of rail wheels was focused because horizontal loading direction induced risk for instability of the hoisting machine configuration. Worst-case horizontal loading was a result of enforced skewing of the hoisting machine and this loading was later used as a static criterion for dimensioning of structures. For fatigue loading criterion, simplified model of travelling track curvature was created. Frequency and magnitude of curvature were based on ISO standard. Fatigue loading was also obtained as a support reaction force of enforced displacements induced by curves of travelling track.
After loading for static and fatigue cases were obtained, systematic product development process for the joint structures and components was carried out. Requirements for static and fatigue loading capacity, space, assembly and maintenance were considered and working principles created according to requirements. Solution variants based on working principles were created and best solution selected for further development based on technical-economic evaluation.
Selected solution variant was further developed and dimensioned first roughly with analytical calculations and more precise with help of FEA. As a result of this thesis, a definitive layout for a new bogie joint was created. Definitive layout is applicable to be retrofitted to existing machines or to new machines yet to be manufactured. The new joint solution fulfills DOF requirements and can be applied to other types of structures with simple structural changes and low number of additional components.
Telinivelelle kohdistuva kuormitus saatiin selville FEA-laskennan tuloksista. Laskennassa käytettiin nostolaitteen palkkielementtimallia ja mielenkiinnon kohteena oli vaakasuuntainen kiskoradan kiskon kyljen ja pyörän laipan välinen tukireaktiovoima, koska tämän vaakasuuntaisen voiman todettiin tekevän nostolaitteesta epästabiilin. Suurin vaakasuuntainen kuormitus johtui pakotetusta nostolaitteen vinoon ajosta ja tätä kuormitusta käytettiin mitoituskriteerinä staattisessa kuormituksessa. Väsymislaskentaa varten luotiin yksinkertaistettu kiskon mutkaisuutta kuvaava malli, jossa kiskon sivupoikkeamien suuruus ja määrä perustuivat ISO-standardiin. Väsyttävä kuormitus saatiin selville kiskon mutkaisuutta kuvaavan mallin aiheuttamien pakkosiirtymien tukireaktioista hyödyntäen samaa palkkielementtimallia kuin staattisen kuormituksen määrityksessä.
Staattisen ja väsyttävän kuormituksen määrityksen jälkeen alkoi nivelen rakenteita ja komponentteja koskeva systemaattinen tuotekehitysprosessi. Rakenteelle luotiin vaatimuslista, joka koostui kuormankantokapasiteetistä niin staattisessa kuin väsyttävässä kuormituksessa, tilarajoituksista, kokoonpantavuudesta ja huollettavuudesta. Näihin osa-alueisiin liittyvien vaatimusten täyttäviä toimintoperiaatteita luotiin yhteensä kolme kappaletta ja niistä luotiin ratkaisuvaihtoehtoja, joista paras valittiin jatkokehitykseen teknistaloudellisen pisteytyksen avulla.
Valittua ratkaisuvaihtoehtoa jatkokehitettiin ja mitoitettiin aluksi analyyttisin laskuin ja myöhemmin elementtimenetelmän avulla ja työn tuloksena saatiin lopullinen perussuunnitelma uudelle telinivelelle. Ratkaisu soveltuu asennettavaksi uusiin nostolaitteisiin ja myös jo käytössä oleviin. Ratkaisu on myös yleisesti soveltuva muun tyyppisiin rakenteisiin.