Imutelan imulaatikon ja putkiakselin laippaliitoksen mitoitus: Elementtimenetelmäanalyysi

Abstract

Imutela on paperikoneen komponentti, jonka tehtäviin kuuluu muun muassa veden poisto paperirainasta. Imutelassa on pyörivä vaippa, johon on porattu reikiä. Tämä yhdessä alipaineen kanssa mahdollistaa veden poistumisen paperista. Alipaine luodaan vaipan sisälle imulaatikolla. Imulaatikko on paikallaan pysyvä rakenne, joka tuetaan molemmin puolin putkiakseleilla. Putkiakselit liitetään imulaatikkoon ruuvilaippaliitoksella. Nykyisessä liitoksen elementtimenetelmäanalyysissä on huomattu, että ruuvien materiaalin myötöraja ylittyy osassa liitoksista. Tästä huolimatta liitokset ovat toimineet käytännössä.

Työn tavoitteena on selvittää, miksi liitokset ovat kestäneet ja kuinka mitoitus tulisi tehdä. Tavoitteena on kehittää laskentatapa, jolla saadaan mahdollisimman luotettavat tulokset ruuvien ja putkiakselien jännityksistä niin, että järkevä laskenta-aika säilyy.

Tutkimuksessa luotiin aluksi mahdollisimman yksityiskohtainen laskentamalli tilanteesta. Tämän laskennan tuloksista selvisi, että ruuvien plastisen venymän suuruus on noin 0,3 % ruuvin kannan juuressa. Tämä on vähemmän, kuin Eurokoodin asettama raja 5 %. Seuraavaksi selvitettiin, kuinka putkiakselin tuenta käyttäytyy ja kuinka imulaatikon geometriaa voitaisiin yksinkertaistaa. Aluksi luotiin laskentamalli, jossa putkiakseleiden tuenta yksinkertaistettiin käyttäen niveltukia. Tuentojen asettaminen suoraan putkiakselille vähentää tarvittavan geometrian kokoa, kun kokonaisia laakeripukkeja ei tarvita laskennassa. Kolmannessa laskentamallissa putkiakseleiden tuennan yksinkertaistamisen lisäksi monimutkainen imulaatikon geometria korvattiin viivageometrialla. Viivageometrialle annettiin profiiliksi nelikulmio, jolla on vastaavat pääjäyhyydet, kuin kokonaisella imulaatikolla. Lisäksi viivageometrialle annettiin viivakuormina imulaatikon aiheuttama kuormitus liitokselle.

Pelkällä putkiakseleiden tuennan yksinkertaistamisella päästiin hyvin lähelle yksityiskohtaisen laskennan tuloksia, kun verrattiin ruuvien kuormituksia ja putkiakselin jännityksiä. Lisäämällä imulaatikon yksinkertaistus, jännitykset ruuveissa ja putkiakselissa kasvoivat hieman. Tulokset olivat kuitenkin suurempia, jolloin mitoituksen kannalta tulos on varmemmalla puolella.

Tutkimuksessa huomattiin, kuinka ruuvien epäjatkuvuuskohtiin syntyi suuria jännityshuippuja, kun käytettiin lineaarikimmoista materiaalimallia. Työssä ehdotetussa laskentatavassa käytetään lineaarikimmoista materiaalimallia laskennan nopeuttamiseksi. Näin ollen epäjatkuvuuskohtiin syntyviä suuria jännityksiä ei voida käyttää mitoituksessa. Ruuvien mitoitukseen ehdotetaankin käytettävän Eurokoodiin perustuvaa mitoitustapaa, jossa mitoituskriteerinä on ruuvin varren kantaman aksiaalivoiman ja leikkausvoiman suuruus.

The suction roll is a component of a paper machine, one of its functions being the removal of water from the paper web. The suction roll consists of a rotating shell with drilled holes, which together with a vacuum, enables the removal of water from the paper. The vacuum is generated inside the shell by a suction box. The suction box is a stationary structure supported on both sides by hollow shafts. The hollow shafts are connected to the suction box by a bolted flange joint. In the current finite element analysis of the joint, it has been observed that the yield strength of the bolt material is exceeded in some of the joints. Despite this, the connections have functioned in practice.

The objective of this study is to determine why the connections have functioned in practice and how the dimensioning should be carried out. Another objective is to develop a calculation method that provides the most reliable possible results for stresses in the bolts and hollow shafts while maintaining a reasonable computation time.

The study began with the development of a detailed calculation model of the situation. The results of this analysis showed that the magnitude of plastic strain in the bolts is approximately 0.3% near the bolt head. This is below the 5% limit specified by Eurocode. Next, the behavior of the hollow shaft support was examined, as well as how the geometry of the suction box could be simplified. Initially, a calculation model was created in which the support of the hollow shafts was simplified by using hinge supports. Placing the supports directly on the hollow shafts reduced the required geometric complexity, as complete bearing assemblies were not needed in the analysis. In a third calculation model, in addition to simplifying the hollow shaft supports, the complex geometry of the suction box was replaced with a line geometry. The line geometry was assigned as a square cross-section that provided equivalent bending stiffness to that of the full suction box geometry. Furthermore, the load induced by the suction box on the joint was applied to the line geometry as a line load.

By simplifying only the support of the hollow shafts, results very close to those of the detailed model were obtained when comparing bolt loads and hollow shaft stresses. When the suction box simplification was added, the stresses in the bolts and hollow shafts increased slightly. However, the results were higher overall, placing the design on the conservative side. The study also revealed that large stress concentrations occurred at bolt discontinuities when a linear elastic material model was used. In the calculation method proposed in this work, a linear elastic material model is used to reduce computation time. Consequently, the large stresses occurring at discontinuities cannot be used directly for dimensioning. For this reason, it is proposed that bolt dimensioning should be carried out using a Eurocode-based design approach, in which the governing criteria are the axial force and shear force carried by the bolt shank.