Joustavan puomimekanismin testilaitteiston suunnittelu
Mustonen, Matias (2015)
2015
Konetekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2015-12-09
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201511111697
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201511111697
Tiivistelmä
Energiansäästö eri teknologian osa-alueilla on tällä hetkellä yksi tiedemaailman haasteista. Erilaisia työkoneita, jotka ovat varustettuja puomeilla, on maailmassa miljoonia. Puomeilla tehdään pääosin työtä, jossa tavaraa tai materiaalia siirretään. Helpoin keino säästää energiaa on vähentää puomin omaa painoa, sillä se ei itsessään tee hyödyllistä työtä. Tämä onkin nykyään mahdollista lujien terästen kehittymisen ansoista. Teräksen kimmokerroin on lähes sama riippumatta teräslaadusta, joten lujia teräksiä käyttämällä puomeista tulee joustavia ja jouston kompensointi voi olla joissakin sovelluksissa tarpeen.
Tämän työn tavoitteena on suunnitella testikäyttöön soveltuva kolmiosanen puomirakenne, jolla voidaan mitata joustoa ilmiönä sekä kehittää sen hallintaan soveltuvia menetelmiä. Puomin suunnittelu aloitettiin keräämällä vaatimuksia, jotka testilaitteiston tulee toteuttaa. Tärkeimpinä vaatimuksina voidaan pitää sitä, että puomin tulee olla mahdollisimman joustava, jotta joustojen mittaus olisi helppoa ja materiaaleina käytetään teräsprofiilia, jolla on vakiopoikkileikkaus. Lisäksi nivelten tulee olla mahdollisimman välyksettömät ja nivelissä tulee olla kulmanmittaus.
Varsinainen suunnittelu aloitettiin tekemällä puomista matemaattinen laskentamalli, joka perustuu Euler-Bernoullin palkkiteoriaan. Matemaattisen mallin avulla pystyttiin selvittämään puomin eri osien mitat sekä puomiin vaikuttavat voimat. Myös mekaaniselle joustolle muodostettiin matemaattinen lauseke. Matemaattisen mallin pohjalta puomista luotiin CAD-malli, jolla saatiin vertailtavia tuloksia mm. puomien taipumasta.
Suunniteltu puomi täyttää asetut vaatimukset vähintään kohtuullisesti. Puomista olisi saanut vielä joustavamman, jos saatavilla olisi ollut paremmin kyseiseen tapaukseen sopivia materiaaleja. Matemaattisen mallin ja FEM-tarkastelun väillä tuloksissa oli paikoin merkittävä ero, joten tarkastelu suuret joustot paremmin huomioon ottavalla teorialla tai oikealla laitteella olisi tarpeen matemaattisen mallin oikeellisuuden varmistamiseksi.
Tämän työn tavoitteena on suunnitella testikäyttöön soveltuva kolmiosanen puomirakenne, jolla voidaan mitata joustoa ilmiönä sekä kehittää sen hallintaan soveltuvia menetelmiä. Puomin suunnittelu aloitettiin keräämällä vaatimuksia, jotka testilaitteiston tulee toteuttaa. Tärkeimpinä vaatimuksina voidaan pitää sitä, että puomin tulee olla mahdollisimman joustava, jotta joustojen mittaus olisi helppoa ja materiaaleina käytetään teräsprofiilia, jolla on vakiopoikkileikkaus. Lisäksi nivelten tulee olla mahdollisimman välyksettömät ja nivelissä tulee olla kulmanmittaus.
Varsinainen suunnittelu aloitettiin tekemällä puomista matemaattinen laskentamalli, joka perustuu Euler-Bernoullin palkkiteoriaan. Matemaattisen mallin avulla pystyttiin selvittämään puomin eri osien mitat sekä puomiin vaikuttavat voimat. Myös mekaaniselle joustolle muodostettiin matemaattinen lauseke. Matemaattisen mallin pohjalta puomista luotiin CAD-malli, jolla saatiin vertailtavia tuloksia mm. puomien taipumasta.
Suunniteltu puomi täyttää asetut vaatimukset vähintään kohtuullisesti. Puomista olisi saanut vielä joustavamman, jos saatavilla olisi ollut paremmin kyseiseen tapaukseen sopivia materiaaleja. Matemaattisen mallin ja FEM-tarkastelun väillä tuloksissa oli paikoin merkittävä ero, joten tarkastelu suuret joustot paremmin huomioon ottavalla teorialla tai oikealla laitteella olisi tarpeen matemaattisen mallin oikeellisuuden varmistamiseksi.