Köysinostimen voimansiirron telavetoportaan siirtymäanalyysi

Abstract

Tämä työ keskittyy köysinostimen nostoliikkeen toteuttavan nostimen lieriöhammaspyörävaihteessa ilmenevien siirtymien analysointiin. Kehitteillä olevan konseptinostimen vaihteen viimeisen portaan, niin kutsutun telavedon elinikä ei prototyypille tehdyissä elinikäkokeissa ole ollut suunnitelmien mukainen. Telavedon lyhyen eliniän on päätelty johtuvan portaan hammaspyörien asennon poikkeamasta ideaalisesta asennosta eli niin kutsutusta asentopoikkeamasta. Työn päätavoite on selvittää telavetorakenteen siirtymien aiheuttama asentopoikkeama. Siirtymien selvittämiseksi työssä perehdytään koneenosien muodonmuutoksen perusteorioihin, kuten elementtimenetelmän teoriaan sekä asentopoikkeaman vaikutusten ymmärtämiseksi mekaanisten voimansiirtotapojen teoriaan. Asentopoikkeaman määrittämiseksi työssä luodaan laskentamenetelmä, joka sisältää komponenttien kuormien, siirtymien sekä siirtymien aiheuttamien osittaisasentopoikkeamien laskemisen. Kuormat lasketaan tasapainoyhtälöillä ja siirtymät elementtimenetelmäohjelmalla sekä akselilaskentaohjelmalla. Siirtymät tulkitaan telavedon käyttävän hammaspyörän asentopoikkeamaksi vektorimallilla, jossa kunkin komponentin tapauksessa oletetaan muu rakenne jäykäksi. Kokonaisasentopoikkeama lasketaan osittaisasentopoikkeamien summana. Kehitetyllä menetelmällä saadaan laskettua todenmukaiselta vaikuttavat tulokset. Osoittautuu, että kaikkien komponenttien vaikutus asentopoikkeamaan on lähes samaa suuruusluokkaa. Kiertymä x-akselin ympäri on suuruudeltaan melko pieni, mutta hyvin riippuvainen koukun korkeudesta eli köysivoiman sijainnista telalla. Kiertymä y-akselin ympäri on yli kaksinkertainen edelliseen nähden, mutta se ei juurikaan riipu köysivoiman sijainnista telalla. Telavedon toiminnan kannalta nämä molemmat kiertymät ovat hyvin haitallisia. Siirtymien vaikutus on vähäisempi. Telavedon käytön aikaisella lämpölaajenemisella osoittautuu olevan myös vaikutusta asentopoikkeamaan. Laskettujen tulosten perusteella sekä innovaatiotyökalujen avulla työssä kehitetään uusia voimansiirtoideoita. Ideoista saadaan koottua voimansiirtokonsepti, jota suositellaan käytettäväksi tulevaisuuden nostimien telavedon suunnittelun lähtökohtana.

This thesis is focused on analyzing displacements on a gear of a wire rope hoist’s hoisting unit. Fatigue tests of a concept hoist that is under development shows that the lifetime of the last gear stage is lower than designed. It has been concluded that the short lifetime of this last gear stage, or drum drive, is due to incorrect positions of the gears. The main objective of this thesis is to sort out the incorrect positions caused by displacements in the drum drive structure. Basic theories regarding machine elements’ deformation, such as theory of finite element method, is presented to help understand the reasons of displacements and to show how to analyze those. To understand the effects of incorrect positions of gears, a survey to the theory of power transmission elements is done in this thesis as well. For analyzing the incorrect positions, a calculation method is created, which includes calculations of forces in parts, displacements of parts and effects of displacements to the position of drum drive gears. Forces are calculated with equilibrium equations and displacements of parts with finite element software and shaft calculation software. Displacements are interpret with a vector model to a position error of drum drive’s driving gear. In the vector model the surrounding structure is assumed to be rigid while calculating effects of each individual part. The total position error of the driving gear is sum of all partial position errors. Realistic results were calculated with the created method. It turns out that the effect to the position error of all parts’ displacements were roughly equal. Rotation angle around x-axis is quite small, but highly dependent on the height of the hook, or position of the rope force on the rope drum. Rotation angle around y-axis is over two times larger than the previous, but it doesn’t depend on the rope force position that much. Both of these rotations have a very negative effect on the operation of the drum drive. Effect of driving gear’s displacements is much slighter. Heat expansion of power transmitting parts has an effect on the position error as well. The created results pinpoint, which parts should be modified to reduce the position error. With a help of two innovation tools, new power transmission ideas is created. A power transmission concept is formed from the best ideas. This concept is recommended to be used as a basis when designing drum drives for new hoists.