Multiaksiaalisesti väsytyskuormitetun hitsatun teräsrakennerungon optimointi sarjatuotettavaksi valurungoksi
Kärkkäinen, Akseli (2022)
Diplomityö
2022
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022111866187
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022111866187
Tiivistelmä
Tämän diplomityön tavoitteena on uudelleensuunnitella ja optimoida kohdeyrityksen multiaksiaalisesti väsytyskuormitetun kaivinkoneen toimilaitteen hitsattu teräsrakennerunko sarjatuotettavaksi valurunkorakenteeksi. Työn tavoitteena on lisäksi suorittaa valurunkorakenteelle elementtimenetelmään perustuva lujuustarkastelu riittävän staattisen kapasiteetin ja teoreettisen väsymiskestoiän muodostamiseksi.
Runkorakenteen uudelleensuunnittelussa yhteistyöllä valmistavan valimon kanssa saavutetaan paras mahdollinen lopputulos. Diplomityön rajallisen aikataulun vuoksi käyttöä kuvaavaa työkiertoa on korvattu maksimikuormituksesta muodostetuilla kuormitustilanteilla. Eri kuormitustilanteilla otetaan huomioon eri kaivuutöiden rasittavuutta ja vaikutusta rakenteen teoreettiseen väsymiskestoikään. Valurunkorakenteelle muodostetaan FE-laskentamalli ja väsymistarkastelussa hyödynnetään nimellisen jännityksen menetelmää. FE-laskennan perusteella rakenteen staattinen kapasiteetti on riittävällä tasolla ja rakenteen teoreettinen väsymiskestoikä on suurempi kuin rakenteelle asetetut tavoitteet. Väsymistarkastelun tuloksia on kuitenkin syytä pitää käytetyn tarkastelumenetelmän ja yksinkertaistusten vuoksi suuntaa antavina arvioina ja tarkemmat arviot vaativat jatkotutkimuksia.
Työn päämotiivina on pienentää valmistuksen läpimenoaikaa ja kustannuksia sarjatuotantoon siirtyessä. Uudelleensuunnittelun myötä valmistusvaiheet vähentyivät 40 %, jonka tuloksena läpimenoaika pieneni 22 % ja valmistuskustannukset vastaavasti 21,5 %. The aim of this master’s thesis is to re-design and optimize target company’s multi-axially fatigue loaded welded steel structure excavator actuator frame to a serial production cast frame. Thesis also aims to ensure that the static capacity and theoretical fatigue life is sufficient. Stress- and fatigue calculations are based on finite element method.
Constant collaboration together with the manufacturing foundry is in a key role to reach the best possible end result in the re-designing. Due to the time limitations of the thesis, field measurements of the work cycle are replaced by different loading situations that are based on the maximum loading. Different loading situations illustrate stress levels of different excavating works and their impact on the fatigue life. FE-model is formed for the cast frame and fatigue properties are studied with nominal stress method. Based on the FE-calculations, frames static capacity is adequate, and structures theoretical fatigue clearly exceeds its targets. However, it is important to note that due to the used method and simplifications, the results of fatigue calculations are approximating values and more specific results need further studies.
The main motive of the thesis is to reduce the manufacturing lead time and costs when shifting to serial production. Due to re-design, manufacturing phases were reduced by 40 %, which leads to 22 % reduce in lead time and 21,5 % reduce in manufacturing costs.
Runkorakenteen uudelleensuunnittelussa yhteistyöllä valmistavan valimon kanssa saavutetaan paras mahdollinen lopputulos. Diplomityön rajallisen aikataulun vuoksi käyttöä kuvaavaa työkiertoa on korvattu maksimikuormituksesta muodostetuilla kuormitustilanteilla. Eri kuormitustilanteilla otetaan huomioon eri kaivuutöiden rasittavuutta ja vaikutusta rakenteen teoreettiseen väsymiskestoikään. Valurunkorakenteelle muodostetaan FE-laskentamalli ja väsymistarkastelussa hyödynnetään nimellisen jännityksen menetelmää. FE-laskennan perusteella rakenteen staattinen kapasiteetti on riittävällä tasolla ja rakenteen teoreettinen väsymiskestoikä on suurempi kuin rakenteelle asetetut tavoitteet. Väsymistarkastelun tuloksia on kuitenkin syytä pitää käytetyn tarkastelumenetelmän ja yksinkertaistusten vuoksi suuntaa antavina arvioina ja tarkemmat arviot vaativat jatkotutkimuksia.
Työn päämotiivina on pienentää valmistuksen läpimenoaikaa ja kustannuksia sarjatuotantoon siirtyessä. Uudelleensuunnittelun myötä valmistusvaiheet vähentyivät 40 %, jonka tuloksena läpimenoaika pieneni 22 % ja valmistuskustannukset vastaavasti 21,5 %.
Constant collaboration together with the manufacturing foundry is in a key role to reach the best possible end result in the re-designing. Due to the time limitations of the thesis, field measurements of the work cycle are replaced by different loading situations that are based on the maximum loading. Different loading situations illustrate stress levels of different excavating works and their impact on the fatigue life. FE-model is formed for the cast frame and fatigue properties are studied with nominal stress method. Based on the FE-calculations, frames static capacity is adequate, and structures theoretical fatigue clearly exceeds its targets. However, it is important to note that due to the used method and simplifications, the results of fatigue calculations are approximating values and more specific results need further studies.
The main motive of the thesis is to reduce the manufacturing lead time and costs when shifting to serial production. Due to re-design, manufacturing phases were reduced by 40 %, which leads to 22 % reduce in lead time and 21,5 % reduce in manufacturing costs.