2012-02-10 Anders Engström, TKC 1

Produkter och utmattningsproblem hos DynapacUTMIS 2012-02-07

Anders Engström och David Scicluna

2012-02-10 Anders Engström, TKC 2

ATLAS COPCO Four business areas

Compressor Technique

Industrial Technique

Mining and Rock Excavation

Technique

Construction Technique

Industrial compressorsGas and process compressorsAir and gas treatmentSpecialty rentalService

Industrial toolsAssembly systemsService

Rock drilling equipment -underground and surfaceLoaders and trucksMobile crushingExploration drilling and ground engineering Rock drilling toolsService

Light constructionequipmentRoad constructionequipmentPortable compressors and generatorsService

2010 figures pro-forma • Revenues BSEK 30.0• Operating margin ~25%

2010 figures reported• Revenues BSEK 6.5• Operating margin 19.5%

2010 figures pro-forma • Revenues BSEK 22.5• Operating margin ~22%

2010 figures pro-forma • Revenues BSEK 11.2• Operating margin ~10%

DYNAPAC

2012-02-10 Anders Engström, TKC 3

A global full line supplier

Sales and Service in 115 countries worldwide

Sales UnitDistributorProduction Unit

2012-02-10 Anders Engström, TKC 4

Model Weight

CA 134 4.5 tCA 144 5 tCA 152 7 tCA 182 9 tCA 252 10 tCA 262 11 t CA 302 12 tCA 362 13 tCA 402 14 tCA 512 16 tCA 602 18 tCA 702 27 t

Products, Soil Rollers

2012-02-10 Anders Engström, TKC 5

Model Weight

CC 800/900/1000 1,5 tCC 102 2 tCC 122 3 tCC 142 4 tCC 222 7 tCC 322 8 tCC 424 11 tCC 524 12 tCC 624 13 tCC 722 17 t

Products, Asphalt Rollers

2012-02-10 Anders Engström, TKC 6

Pneumatic Tyred RollersCP142 14 tCP224 21 tCP274 27 t

3-drum RollersCS142 11 t

Products, Static Rollers

2012-02-10 Anders Engström, TKC 7

Product, Planers

Machine Working width

PL350 350mm

PL500 500mm

PL600 600mm

PL1000 1000mm

2012-02-10 Anders Engström, TKC 8

Compaction Principles.exe

FUNKTION JORDPACKNINGSVÄLT

Analysis group - TKC

Manager:

Tomas Rommer

Engineers:

Anders Engström

Jens Borg

Andreas Persson

Andreas Lager

Peter Marton

2012-02-10 Anders Engström, TKC 10

Insamling av mätdata

Körning på Dynapacs provbana (t.v.) samt på testbana ute i Wambåsa

2012-02-10 Anders Engström, TKC 11

Exempel på tidssignal från mätning

Tidssignalerna från de olika körfallen summeras i respektive mätpunkt till en sammansatt tidssignal

2012-02-10 Anders Engström, TKC 13

Dimensionering av utmattningspåkända komponenter

Lastfallen består av statiska lastfall för den FE-modellerade strukturen t.ex:

Vertikallastfall (utmattning)

Acceleration/bromsning (utmattning)

Styrlastfall (utmattning)

Tiltlastfall (utmattning)

Max vertikallast

Max bromsning

Max styrlast

Max tiltlast

Lastansvarig tar med hjälp av lastdatabasen fram de uppmätta utmattnings-och maxlasterna för respektive fall.

2012-02-10 Anders Engström, TKC 14

Spänningsberäkning och livslängdsutvärdering.

Spänningsberäkning genomförs för samtliga lastfall.

För utmattningslastfallen beräknas den totala livslängden genom att delskadan i en punkt för respektive lastfall summeras upp till en total skada, vilket sedan bestämmer livslängden i den aktuella punkten.

Den erhållna livslängden jämförs sedan med livslängdskravet för den aktuella komponenten på vilken punkten är belägen.

Ramstruktur Lagerlock

2012-02-10 Anders Engström, TKC 15

Livslängdsutvärdering för komponenter med komplex lastbild ur mätdata

För komponenter med komplex lastbild, såsom t ex drivskivor (se bild nedan), ramlageraxlar och midjeled utnyttjas last-tidssignalerna vid beräkning.

Med hjälp av FEMFAT MAX och enhetslastfall kan de uppmätta tidssignalerna läggas på FEM-modellen och livslängden beräknas.

Programvaror

Vi har till vårt förfogande följande programvaror

Beräkning– I-DEAS, NXNastran för FEM– HyperWorks och Radioss för FEM mm.– ADAMS for Multi Body Systems– MatLab för våra egenutvecklade program såsom motor, hytt etc.– AFGROW för brottmekanik– FEMFAT för utmattningsberäkning

2012-02-10 Anders Engström, TKC 17

Exempel - Valsgavelsvets

Optimering av valsgavelsvets

- Valsen fungerar som maskinens framhjul och svetsen mellan gavel och svep utsätts för ett komplext spänningstillstånd (laster från vibrationerna, styrning, acceleration/bromsning, tiltning, gungande egenvikt etc.)

-För att lösa problemet med svetsdimensioneringen i detta fall, antas att alla snitt radiellt genom svetsen utsätts för samma last statistiskt sett betraktat under en lång tid. På så vis räcker det att mäta och beräkna ett snitt genom svetsen.

-Genom töjningsmätning på svep och gavel under representativ körcykel, kan sedan spänningskollektivet tas fram i de högst påkända punkterna i svetsförbandet med hjälp av FEM-beräkningar, enhetslaster och effective-notch-metoden.

svets

2012-02-10 Anders Engström, TKC 18

Exempel – Vibrationsutsatt bränsletank

Sprickande bränsletankar på CC-maskiner

- Den svetsade bränsletanken på de nya CC-maskinerna började spricka efter ett antal driftstimmar

- Egenfrekvensanalys hade utförts i konstruktionsstadiet och visade inga kritiska resonanser i tanken

- Genom beräkningar med ”virtual fluid mass”, kunde man visa att tankens egenfrekvenser var starkt beroende av vätskenivån i tanken.

2012-02-10 Anders Engström, TKC 19

Områden där mer arbete krävs

Modellering av svetsavslut, intermittentsvetsar och hörn (ofta är det här man har höga spänningar och samtidigt en osäker modell)?

Skal- vs. solidmodellering (enkelhet kontra noggrannhet, kopplingar mellan skal stämmer dåligt med jämförande prov ex. ROPS)?

Hur bestäms den nominella spänningen i fall med komplicerade spänningsflöden (10 mm från svetstån, en plåttjocklek från svetstån, extrapolation längs en linje)?

Hur kan man få feedback på svetsarnas kapacitet, utan att prova varje komponent, eller provstavar?

Hur hanterar man beräkningsmässigt (på ett någorlunda smidigt sätt) det faktum att flera lastfall bidrar till den sammanlagda delskadan i en svets (olika spänningsriktningar, ur fas, etc.)?

Utvärdera nya typer av gjutgods, exempelvis Lösningshärdat segjärn, map ökad statisk och dynamisk hållfasthet. Projekt inom Atlas Copco uppstartat.

Mäta och utvärdera stokastiska lastfall med PSD. Beräkningar av komponenter som saknar utmattningsgräns? Harmoniska Toner? …

Laboratory at Dynapac Karlskrona

Laboratory group - TVL

Manager:

Gunnel Bellstrand

Engineers:

Anders Lindberg Transmission (hydraulics), TKT

Pierre Ekelund Engine installation, TKM

Ola Johansson Compaction, TKK

David Scicluna Structure, TKS

Mats Berg Acoustics, Cabin, TKF, Planers

Bo Svilling Durability tests, Instruments/Calibration

Michael Knutsson Compaction (comp. tests), TKK, IHCCCabin, TKF

Lucas Kristenson Transmission (hydraulics), Consultant

Technician:

Torby Wilhelmsson Assist. + Calibration tasks

Anders Olsson Assist. + Rig testing

Structure dynamics

Vibration/Eigen frequency investigations

Measurements for correlation of calculation/simulation models(acceleration, tension, modal)

Load analysis (e.g. rain-flow)

Transmission and Engine

Thermal load, installation tests– Pressure, temperature and flow

measurements

System control - hydraulics

Engine installation– Vibration measurements

Acoustics

Sound power levels (surrounding, emitted noise) 2000/14/EC (ISO 3744), Sound pressure levels (operators location) ISO 6394

Noise investigations (sound intensity), design-aid and competence within noise

Forward/Reverse alarm test

Tests of safety and legal demands

Rubber carpets

Operator hand-arm vibration

Operators location noise

Safety belts

Turning radius

Hill climbing

Brake distance

Operators view

Other laboratory assignments

Long time testing (durability)

Rig/Bench test (part system test)

Function– Frequency/Amplitude– Compaction parameters– Working/driving functions

Calibration and maintenance of instrument

Test facilities

Indoor:

Workshop areas

Rig test area (mid-joint, rubber-elements)

Instrument storage

International High Comp Centre, IHCC

Compaction test facility

Tent:

Drum durability test rig

Outdoor:

Sound/General test surface

Slopes (asphalt)

Terrain test track (sand/gravel)

Straight test tracks (gravel, rubber)

Container for cold start tests

Example - Measurement DPF

Content

Test object

Demands

Measurement points - Strain gauge

Wheatstone bridge – Bending moment

Calibration of the DPF

Test procedure

Meas. points – Accelerometers

Results

Test object

Type Vibrating soil compactor

Model name CA6500D (Prototype)

Serial number 10000132P0A004990

Year of manufacturing 2010

Engine type Deutz TCD 2012 L06 4V, 2200 rpm @ 160 kW Stage 3B/Interim Tier 4

Engine speed 2200 rpm high idle

Vibration frequency Approximately at High amplitude 26 Hz and Low amplitude 32 Hz

Tested parts Diesel partical filter and its suspension

Other The machine was tanked-up for the measurement. Laboratory report: LR11165.

Demands

US EPA lifetime regulations:– 8000h or 10 years

Deutz fatigue strength requirements according to Installation Manual DPF system, part no: 0399 0022 en, version: 2.2.0, date: 29.07.2011– Max. 100 Nm alternating bendingmoment for 5x106 cycles

E-mail from Manfred Benke, 18.05.2011– Typical accelerations < 3g (30 m/s2).– Maximum and impact accelerations < 5 g (50 m/s2).

Measurement points

90° tee rosette

• 4 90° tee rosettes on each pipe (8 total)

• 2 90° tee rosettes on opposite sides

• 2 bending moments (Wheatstone bridge) on each pipe

• Measurement on both In and outlet

Measuring points - Wheatstone bridge

R1R3

R2R4

Two 90 degrees tee rosettes on opposite side on the DPF pipe gives the bending moment in one direction if the strain gauges is connected

as figure below

Wheatstone bridge

Measurement points

All measuring points are set according to machine’s coordinate system as in these figures

X Y

Z

Measurement points

Bending moments

Mx_DPF_Outlet

Mx_DPF_Inlet My_DPF_Inlet

Mz_DPF_Outlet

Calibration of the DPF

Calibration - Mx_DPF_Inlet

y = 4835.6x + 0.9684R2 = 0.9998

-150.0

-100.0

-50.0

0.0

50.0

100.0

150.0

-0.030 -0.020 -0.010 0.000 0.010 0.020 0.030

Nm

mV/

V

Calibration of the DPF

After calibrating in all four direction on both in- and outlet with forces up to approximatly 100 N, we got four linear equations to calculate the bending moments.

My_DPF_Inlet = 5040.8 * XMy_DPF_Inlet - 0.0037

Mx_DPF_Inlet = 4835.6 * XMx_DPF_Inlet + 0.9684

Mz_DPF_Outlet = 5553 * XMz_DPF_outlet - 0.0617

Mx_DPF_Outlet = 8014 * XMx_DPF_outlet + 2.9917

Test procedure

Measuring 4 bending moments

Using 4 accelerometers

Approximately 1 h at our proving ground(88 % static driving and 12 % driving with vibration on macadam)

Measuring points - Accelerometers

Ac_Frame_X-Z

Ac_DPF_Bracket_Fr_X-Z

Ac_DPF_Bracket_Ba_X-Z

Ac_Outlet_Bracket_X-Z

Result – Time data

Result – Frequence spectra

Result – Vibration statistics

Max (m/s²) Min (m/s²) RMSTot

Ac_DPF_Bracket_Ba_X 48.0 -52.7 2.925

Ac_DPF_Bracket_Ba_Y 24.3 -26.8 2.977

Ac_DPF_Bracket_Ba_Z 18.8 -16.8 1.931

Ac_DPF_Bracket_Fr_X 32.2 -24.7 2.159

Ac_DPF_Bracket_Fr_Y 18.0 -16.4 2.337

Ac_DPF_Bracket_Fr_Z 17.8 -22.0 1.442

Ac_Frame_X 18.0 -10.4 1.115

Ac_Frame_Y 25.2 -23.8 2.101

Ac_Frame_Z 15.4 -13.5 1.251

Ac_Outlet_Bracket_X 52.8 -53.4 4.47

Ac_Outlet_Bracket_Y 46.5 -37.7 3.131

Ac_Outlet_Bracket_Z 47.7 -37.6 2.821

Result – Bendingmoment, range pair and equivalent constant range

Range pair plot on the bending moments standardize to 1 hour and their equivalent constant range for 1000 cycles/hour

Max (Nm)

Min (Nm)

Eq. constant range load (1000 cycles/h)

My_DPF_Inlet 8.5 -9.3 22.75 Nm

Mx_DPF_Inlet 15.6 -21 41.50 Nm

Mz_DPF_Outlet 65.5 -37.3 38.54 Nm

Mx_DPF_Outlet 21.1 -18.8 39.21 Nm

Requirements criteria fullfillment, bending moment

US EPA lifetime regulations:– 8000h or 10 years

Deutz fatigue strength requirements according to Installation Manual DPF system, part no: 0399 0022 en, version: 2.2.0, date: 29.07.2011– Max. 100 Nm alternating bendingmoment for 5x106 cycles

Mx, inlet

My, Inlet

Mx, outlet

Mz, outlet

Measured equivalent constant alternating bendingmoment range, 8000h:

Requirements criteria fullfillment , vibrations

E-mail from Manfred Benke, 18.05.2011– Typical accelerations < 3g (30 m/s2).– Maximum and impact accelerations < 5 g (50 m/s2).– Higher values must be discussed with DPF-supplier

Measured accelerations on DPF mounts (brackets):– Max: 53 m/s2, at emergency brake from full speed.– Typical : ~20 m/s2

Slut

Tack för er uppmärksamhet!