Structural analysis and optimization of stiffeners in vertical agitators to enhance welding production

Abstract

This study analysed the vertical agitators of Mamec Oy, focusing on components with various stiffeners, namely shafts, paddles, and hubs. The structures were initially examined without stiffeners to understand their behaviour and later analysed with the currently used stiffeners. The focus was on analyzing the structures under static loads, but fatigue was also discussed. Based on the results, proposed improvements to the stiffeners were evaluated based on their effectiveness and cost-efficiency of the manufacturing and then compared to the current solutions. Finite element analysis was mainly utilized, but experimental tests were included for the analysis of the hubs.

The shafts' current stiffeners were found to be suboptimal and alternate designs offered comparable solutions. Removing the stiffeners altogether proved beneficial but relies on the critical flange weld’s quality. For paddles, alternative solutions did not provide clear enhancements to the load bearing capacity but increasing the thickness of the paddles proved to be a feasible alternative to the stiffeners without excessive added costs.

Finite element analyses of the hubs yielded inconclusive results due to difficulties in determining the friction connection's quality with the shafts. Experimental tests validated the proposed design, which reduced welding and manufacturing steps significantly.

Tässä työssä analysoitiin Mamec Oy:n pystysekoittimia, keskittyen jäykistettyihin rakenteisiin, joihin kuuluivat niiden akselit, lavat sekä navat. Aluksi rakenteita tutkittiin ilman vahvikkeita, jonka jälkeen nykyisten vahvikkeiden vaikutuksia tarkasteltiin. Rakenteita tutkittiin staattisen kuormituksen perusteella, mutta väsymistä myös pohdittu. Näiden tulosten perusteella rakenteille kehitettiin vaihtoehtoisia ratkaisuja, joita verrattiin nykyisiin rakenteisiin niiden toimivuuden sekä valmistuksen kustannustehokkuuden kannalta. Elementtimenetelmä toimi pääasiallisena tutkimusmenetelmänä, mutta kokeellisia testejä sisällytettiin napojen tarkasteluun.

Akseleiden nykyiset vahvikkeet osoittautuivat epäedullisiksi sekä vaihtoehtoiset ratkaisut olivat niihin verrattavia. Vahvikkeiden poisto osoittautui suotuisaksi vaihtoehdoksi, mutta tällöin kestävyys riippuu laipan ja putken välisestä hitsistä. Lavoille ei löydetty selvää parempaa vaihtoehtoista ratkaisua, mutta lavan paksuuden kasvattaminen osoittautui varteenotettavaksi vaihtoehdoksi, joka ei lisää kustannuksia huomattavasti.

Napojen laskennalliset analyysit eivät tuottaneet selkeitä tuloksia, joiden perusteella napojen ja akselien välistä kitkaliitosta olisi voitu arvioida. Kokeelliset testit kuitenkin tukivat tuloksia, joiden avulla päästiin kustannustehokkaampaan ratkaisuun.