Hydraulische pers 2250 kn.

Transcriptie

1 Hydraulische pers 2250 kn. Auteur: Studie: Naam begeleider: Marcel Bijlard ACE mechanical designer Ir. R. Boeklagen Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 1

2 1. Inhoudsopgave 1. Inhoudsopgave Voorwoord Samenvatting Doel Ontwerpmethodiek Eisen Uitwerking start ontwerpen vanuit een skelet Het aanbrengen van een last Beoordelen constructie op stijfheid e ontwerp e ontwerp e en laatste ontwerp Aandachtspunten Slotwoord...22 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 2

3 2. Voorwoord Sinds 1988 ben ik,na een opleiding MTS werktuigbouwkunde te Nijmegen, gaan werken bij Bijlard Hydrauliek B.V. Hierna heb ik nog veel avondopleidingen gevolgd waaronder: ROVC hydrauliek/pneumatiek, ROVC hydraulische systeemtechnieken, ROVC hydraulische systemen ontwerpen, SOM bedrijfsvoering, SOM bedrijfsbeheer, SOM ondernemersdiploma, Autocad basis en gevorderden', Div. management opleidingen. Bijlard Hydrauliek is opgericht in 1973 door Dhr. P.J.H. Bijlard. In eerste instantie richtte het bedrijf zich op de reparatie van drukgroepen en frictieplaten. Tevens werden hydraulische cilinders gefabriceerd en gerepareerd. Daarnaast werden er dmv. verspanende- en niet-verspanende werkzaamheden in de eigen machinefabriek onderdelen geproduceerd. In de jaren tachtig volgt een specialisatie in de hydrauliek. Complete hydraulische systemen tbv. industrie, landbouw en scheepvaart worden ontworpen, gebouwd en onderhouden. Ook werd gestart als groothandel in hydraulische componenten en hogedrukslangen. De productie en reparatie van hydraulische cilinders blijft één van de kernactiviteiten, waarbij de afmetingen steeds groter worden. Ook de reparatie van pompen wordt een vast onderdeel van de bedrijfsvoering. Op dit moment kunnen pompen tot 110 kw. in eigen huis worden getest en voorzien van testcertificaat (grafiek). In 1998 heb ik het bedrijf overgenomen waarbij in 2005 een nieuw bedrijfspand in gebruik wordt genomen. Tevens zijn wij vanaf de opening een innige samenwerking gestart met Parker Hannifin als officieel distributeur. In 2009 heb ik, samen met mijn zakenpartner Rob van de Kamp, een 2ᵉ vestiging in Venlo geopend onder de naam "Hydrauliek Service Venlo". Mijn huidige werkzaamheden bestaan, naast het aansturen van de bedrijven, hoofdzakelijk uit het ontwerpen van hydraulische cilinders/componenten, manifoldblokken, complete hydraulische besturingssystemen en complete machines waarvan de hydraulische pers mijn afstudeerproject is geworden. Tot slot wil ik Ir. Ronald Boeklagen, Leonie Bergsma, Paul Arts van het TEC-Cadcollege en Cor de Vlaming hartelijk bedanken voor de uitstekende opleiding en begeleiding die ik van hen heb ontvangen tijdens mijn studie. Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 3

4 De huidige organisatie is in het hieronder afgebeelde organigram weergegeven. Directie Bedrijfsleider boekhouding chef werkplaats chef hydrauliek assistent boekhouding verspaner/monteur hydrauliek monteur verspaner/monteur hydrauliek monteur verspaner/monteur Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 4

5 3. Samenvatting Dit verslag beschrijft hoe, met behulp van de eindige-elementenberekeningsmethode, te komen tot een juiste constructie c.q. compromis voor een hydraulische pers qua krachten, beschikbare ruimte en prijs/prestatieverhouding. 4. Doel Het doel is het ontwerpen en bouwen van een hydraulische pers met een drukkracht van 2250 kn. en welke een absolute nauwkeurigheid haalt van 0,2 mm. op het persvlak zonder aanvullende geleiding van de ram. De parallelliteit van de persstempels c.q. cilinders wordt bereikt dmv. een elektronisch wegmeetsysteem met een gesloten kringloop en een terugkoppeling naar servoventielen. De pers is bedoeld om isoleerplaten te produceren. Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 5

6 5. Ontwerpmethodiek Het principe van de pers ligt vast. Deze is samen met de klant tot stand gekomen. Een methodisch ontwerp is dus niet van toepassing. Er zijn alleen vormvariaties mogelijk. Er is samen met de klant een uitgangsontwerp gekozen en deze is doorgerekend. Daarna zijn meerdere variaties op het ontwerp uitgewerkt. De eindige-elementenmethode is gebruikt om de beste variant te kiezen. Deze is daarna uitgewerkt in tekeningen en is gebouwd. In figuur 1 is de principewerking van de pers afgebeeld. Figuur 1 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 6

7 In figuur 2 is een vereenvoudigd hydraulisch schema te zien als toelichting op de principewerking. Figuur 2 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 7

8 6. Eisen *) Perskracht 2250 kn. *) hydraulische boven- en onderstempel *) nauwkeurige instelling persdiepte *) absolute onnauwkeurigheid 0,2 mm. op het eindproduct. *) grootst mogelijke werkvlak *) geen aanvullende geleidingen van de ram. *) goede toegankelijkheid voor stempelwissel. *) passen in beschikbare ruimte. *) aansluiten op aan- en afvoerlijnen. *) 1 cyclus per 45 seconden. *) energiezuinig Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 8

9 7. Uitwerking 7.1. start ontwerpen vanuit een skelet Bij aanvang van het ontwerpen wordt uitgegaan van een skelet als basis voor de latere constructie. Er is een skelet gemaakt waarlangs met de framegenerator een uitgekozen DIN-balk langs de benen wordt gelegd. (fig.3) Figuur 3: skelet met kolommen framegenerator De platen welke de kolommen met elkaar verbonden zijn adaptief gemaakt. Wanneer de afmetingen van het skelet veranderen passen de platen zich aan. Hierdoor is het mogelijk om snel de afmetingen van de pers te veranderen. Toch is deze manier van ontwerpen niet toegepast. Het aanpassen van een skelet is eenvoudig bij relatief kleine maatveranderingen. Bij een ingrijpende constructieverandering kost het veel tijd om het skelet aan te passen c.q. te vernieuwen. In dat verband is met een continue veranderend constructief ontwerp, vanwege een niet toereikend vermogen om de krachten te absorberen en het eenmalige karakter van de opdracht, besloten om alleen het frame met behulp van skelet en framegenerator te ontwerpen. De verbindende boven- en onderbak zijn separaat geconstrueerd. Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 9

10 7.2. Het aanbrengen van een last. In eerste instantie is uitgegaan van een ontwerp waarbij de langsverbinding uit platen bestond en de dwarsverbinding uit DIN-balken (Fig.5). Vervolgens is een last van 2250 kn aangebracht verdeeld over 8 vlakken (ringoppervlak). Deze vlakken bestaan uit vier cilinders van de bovenstempel en vier cilinders van de onderstempel. Hiertoe werden de oplegvlakken van de cilinders gesplit zodat de krachten over de oppervlakte van de frontflenzen van de cilinders verdeeld werd en niet over het hele oppervlak van de boven- en onderbak (Fig.4). Dit is om te voorkomen dat een gelijkmatig verdeelde last een gunstiger beeld zou weergeven dan de puntbelasting op de oplegvlakken. Figuur 4 De onderkant van de pers mag niet gefixeerd worden. Dit is om de constructie toe te staan naar twee zijden te rekken. Indien de onderkant gefixeerd wordt alle kracht en rek naar één zijde gebracht. Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 10

11 7.3. Beoordelen constructie op stijfheid. Zoals reeds vermeld in paragraaf 7.2. is in eerste instantie is uitgegaan van een ontwerp waarbij de langsverbinding uit platen bestond en de dwarsverbinding uit DIN-balken (Fig.5). In figuur 5 & 6 is duidelijk te zien dat de platen willen uitbuigen. De totale vervorming bedraagt meer dan 5 mm. hetgeen niet acceptabel is. Figuur 5 In figuur 6 is af te lezen dat de veiligheidsfactor op het zwakste punt 0,34 bedraagt hetgeen bevestigd dat de constructie niet voldoet aan de gestelde eisen. Figuur 6 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 11

12 e ontwerp In het tweede ontwerp zijn de platen van de langszijde ook vervangen door DIN-balken. In figuur 7 is te zien dat de Von Mises-stress oploopt tot 1219 N/mm 2 hetgeen volstrekt ontoelaatbaar is. Figuur 7 In figuur 8 is af te lezen dat de veiligheidsfactor terug is gelopen tot 0,23. Figuur 8 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 12

13 In figuur 9 is af te lezen dat de verplaatsing zelfs is opgelopen tot 8,8 mm. Figuur 9 Conclusie: een plaatconstructie is sterker dan een constructie opgebouwd uit DIN-balken. Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 13

14 e ontwerp In het 3 e ontwerp is de constructie van de boven-en onderbak volledig uit plaat geconstrueerd. (fig. 10&11). Figuur 10 Figuur 11 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 14

15 Uit de volgende berekeningen volgt een Von Mises-stress van 587,9 N/mm 2 welke niet toelaatbaar is (fig. 12). Figuur 12 Uit de volgende afbeelding (fig.13) is een verplaatsing van 0,35 mm. af te lezen. Figuur 13 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 15

16 Uit de volgende afbeelding (fig. 14) is een veiligheidsfactor af te lezen met een minimum van 0,35 hetgeen niet toelaatbaar is. Figuur 14 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 16

17 e en laatste ontwerp Nader onderzoek leert dat de spanning zicht concentreert op de haakse hoeken van de schetsplaten van de boven- en onderbakconstructie. Na het aanpassen van de schetsplaten (aanbrengen van een radius fig.15) heeft de gehele constructie een acceptabele Von Mises-stress, verplaatsing en veiligheidsfactor. Figuur 15 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 17

18 Uit de volgende afbeelding (fig. 16) is een Von Mises-stress af te lezen van maximaal 61,92 N/mm 2. Bij bestudering van het plaatje is te zien dat de volledige constructie zich in het blauwe en groene gebied bevindt wat inhoudt dat de constructie ongeveer een maximale spanning van 24 N/mm 2 te verwerken krijgt. De constructie is zeer degelijk. De maximale spanningsopbouw van 61,92 N/mm 2 concentreert zich om de gaatjes in de kolommen hetgeen van op basis van praktijkervaring als verwaarloosbaar kan worden beschouwd. Figuur 16 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 18

19 Uit de volgende afbeelding (fig. 17) is een verplaatsing af te lezen van 0,5 mm. Om de nauwkeurigheid van 0,2 mm. te waarborgen is een constructie voorzien waarbij de ophanging van de wegmeetlinealen onafhankelijk is van de hoofdconstructie. Hierdoor kan de constructie van de pers enigszins rekken en doorbuigen zonder dat dit de positioneernauwkeurigheid negatief beïnvloedt. Figuur 17 Uit de volgende af beelding (fig. 18) is een veiligheidsfactor af te lezen van maximaal 15 en minimaal 3,34.. De minimale veiligheidsfactor van 3,34 concentreert zich om de gaatjes in de kolommen hetgeen op basis van praktijkervaring als verwaarloosbaar kan worden beschouwd. Figuur 18 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 19

20 8. Aandachtspunten De eindige-elementenmethode benadert de werkelijkheid. De benadering wordt beter bij een kleiner element. Om waarde te kunnen hechten aan de betrouwbaarheid van de berekeningen dient de berekening te convergeren. Dit wil zeggen dat aan de hand van het aantal berekeningen en het instellen van de mesh, de grafiek af moet buigen en niet in een schuine lijn door mag stijgen(fig. 19). Met het instellen van de mesh wordt de grootte van het element bepaald. De maximale procentuele afwijking dient ingesteld te worden en ook het aantal berekeningen moet opgegeven worden. Dmv. het instellen van de mesh (fig.20) kan de fijnheid van de berekeningen ingesteld worden. Door meerdere berekeningen uit te voeren met een steeds kleiner element (mesh) kan geschat worden of het element al klein genoeg is. Boven een aantal van vijf berekeningen gaat er een waarschuwing uit dat dit een aanzienlijke tijdstoename tot gevolg heeft. Figuur 19 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 20

21 Dmv. het instellen van de mesh (fig.20) kan de fijnheid van de berekeningen (grootte van het element) ingesteld worden. Aan de convergence plot van onderstaande afbeelding (fig.20) is duidelijk te zien dat deze afbuigt. De procentuele onnauwkeurigheid bedraagt 2%. Figuur 20 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 21

22 9. Slotwoord Ik heb de opleiding in Inventor met ongelofelijk veel plezier gevolgd. Vanaf de basiscursus bij het TEC CADCollege ben ik zeer enthousiast geworden. Niet alleen verschaft Inventor zeer veel ruimtelijk inzicht, het voorkomt ook zeer veel fouten en de daarmee samenhangende kosten. Vooral bij machines met een eenmalig karakter vormt het voorkomen van additionele kosten welke niet meegenomen zijn in de begroting een belangrijke factor. Daarnaast verschaft Inventor mij heel veel plezier in het ontwerpen van kunstzinnige vormen, onderdelen en constructies welk niet aan mijn werk gerelateerd zijn (bijv. een veranda met pengatverbindingen, cannelures etc.). Ik wil mij dan ook steeds verder bekwamen in Inventor en anderen enthousiast maken zoals Ir. Ronald Boeklagen zijn team dat bij mij heeft gedaan. Hieronder ziet U het eindresultaat van de pers afgebeeld (fig.21 & 22). Figuur 21 Figuur 22 Hydraulische pers 2250 kn. Pagina 22