DET TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE FAKULTET Institutt for konstruksjonsteknikk og materialteknologi BESVARELSEN TILSEMESTEROPPGAVEN I EMNE BIM150 MASKINELEMENTER Vår 010 Tittel på semesteroppgaven: Design av luftkompressor Innlevert av gruppe [gruppenr.]: 5 Gruppemedlemmer: Navn Signatur 1. Kim Sørensen. Jon Rørheim.. 3. Ingvild Lodden.. Stavanger, den / 010 [Lærerfelt] Vurdering: -------- % i
Oppgavetekst INTRODUCTION Figure 1 shows a proposed project on a wind power based desalination process where wind energy is to be used as a direct energy source for the desalination system. The aim of the project is to explore how a renewable energy source can be integrated into a process of converting salt water to fresh drinkable water through desalination. The desalination unit (Fig. 1 (a)) requires a water pressure of 55 bar to convert 60 m 3 of salt water to about 7,5 m 3 drinkable water per day. A water pump (Fig. 1 (b)) driven by air pressure of about 3 bar from a compressor (Fig. 1 (c)) delivers the desalination pressure. Figure 1 The compressor is driven by a direct linked crank mechanism (Fig. 1 (e)) that converts the rotational motion of the wind turbine (Fig. 1 (f)) to a translation motion of the piston compressor. The project aims at delivering drinkable water in remote and rural areas. Therefore, all design proposals should focus on simple, robust and cheap solutions that can be operated with minor or no training. ii
OPPGAVE I-3: DESIGN AV A SIMPLE AIR COMPRESSOR The group working with this part of the project will study alternative solutions for a piston compressor that compresses air to 3 bar. The group will evaluate available solutions and propose a design with about 100 mm stroke. The design/ solution should focus on a simple, low precision and produced from wear resistant material. In addition, simplicity in operation and maintenance friendliness should be considered. The assessment of the project work will be based on the stated function requirements, the reported design/evaluation process with main focus on the conceptual design alternatives, calculations and drawings. All components should be dimensioned for safe operation with respect to all possible failure mechanisms and should have a safety factor of. The evaluation of the alternative solutions together with the calculations should be documented in the report to be submitted. The layout of the report will be in accordance with the given guideline (available on it s learning) and should contain, among others: A systematic evaluation of design alternatives and criteria to select the best solution. A brief description of the operation principle of the solution (the compressor). Calculation results of selected load bearing machine elements such as axles, bearings, bolts, etc. and mechanisms A rough cost estimation. Presentation material from the presentation in class (to be attached). iii
Forord Vi går fjerde semesteret på maskin bachelor ved Universitetet i Stavanger, og i den forbindelse har vi et fag som heter Maskinelementer. Som en del av pensum og sluttevaluering fikk vi oppgaven Design av luftkompressor. Oppgaven fikk vi av foreleser og fagansvarlig Hirpa L. Gelgele. Oppgaven vi fikk var en deloppgave av et prosjekt utviklet av Hirpa L. Gelgele i samarbeid med firmaet Angle Wind, som er et forholdsvis lite og nyetablert firma i Stavanger. De driver med nyutvikling av vindkraftteknologi. Som en del av ny teknologi fikk vi i sammenheng med semesteroppgaven vår oppgaven å lage og dimensjonerer luftkompressoren til en vindmølle som skal produsere drikkbart ferskvann ut fra saltvann ved bruk av energien fra vindmøllen. Kriteriene var det skulle være enkelt, billig og kreve så lite vedlikehold som mulig da plasseringen a vindmøllen skal være i vannfattige lag, og da også tenkelig fattige land. Da vi ble en del av dette prosjektet så vi på det som en spennende utfordring, ikke bare faglig, men også det at vi ble i posisjon der vi måtte tenke som ingeniører. Dette kunne i første omgang virke litt skummelt å måtte tenke som en ingeniør allerede nå, men vi så på utfordringen med stor entusiasme og godt mot. Vi vil takke Nihas Salim, som skriver en masteroppgave rundt dette for god hjelp og godt samarbeid mellom gruppen og faglærer Hirpa L. Gelgele. iv
OPPGAVETEKST... II FORORD... IV INNLEDNING... 1 LITTERATURSTUDIE... FORPROSJEKTERING... 3 BEREGNINGER... 5 Generelle formler brukt i utregning... 5 Dimensjonering av stempelstang mht Eulerspenning... 8 Hvor stor er Eulerlasten og er stangen i Eulerområdet... 8 Beregning av knekkspenning etter NS347... 9 Beregning av sikkerhet mht indre trykk i sylinder av Al 6000 serien... 11 Dimensjonering av skruer og bolter mht deksler og sylinder:... 1 M8... 1 M6... 13 Dimensjonering/kontroll mht utmatting pga materialeffekter... 16 Forspenningskraft og deformasjon pga gjenger og mutter i stempelstang... 19 Dimensjonering/antagelser av skruer til montering/feste av kompressor... 0 KONKLUSJON... KILDER... 3 VEDLEGG... 4 v
Innledning Formålet med denne oppgaven er å dimensjonere og designe en luftkompressor som skal brukes til å omvandle saltvann til drikkbart ferskvann. Luftkompressoren er en del av mange forskjellige deler i en vindmølle. Kraften fra vindmøllen er tenkt at skal drive en slags sveiv som er koblet til en stempelstang som igjen skal presse luft inn og ut av kompressoren. I kompressoren har vi fire enveis ventiler, to på toppen og to på bunnen av kompressoren, slik at luften bare kan gå en vei. Luften fra kompressoren skal være med på å drive en vannpumpe som skal pumpe vann gjennom en elektrolysedel som skal, er tanken hvertfall, gi ferskvann. Vindmøllen har en antatt rotasjonshastighet på 10 rpm og leverer en trykkraft på ca,0kn fra stangen. Stangen går loddrett opp og ned 100mm for hver omdreining. Vi har valgt å lage kompressoren dobbeltvirkende for å få utnyttet hele kraften fra vindmøllen uten å lage en for komplisert del, med oftere stempel. I denne rapporten vil du finne forprosjektering, beregninger, sammenstillingstegning og arbeidstegninger av hver del som er tatt med for å lage luftkompressoren. Vi har avgrenset arbeidet til bare kompressoren og ikke tatt hensyn til de andre delene i prosessen, mer enn at vi har fått oppgitt hvilket trykk kompressoren må produsere, med en bestemt trykkraft, presslengde og rotasjonshastighet som vi har fått oppgitt. I starten på dette prosjektet gjorde vi et forsøk på beregninger og dimensjonering av delen, og trodde vell egentlig at vi hadde funnet en god løsning på det. Det viste seg i ettertid at vi hadde designet et produkt som ikke kom til å fungere. Vi startet da på nytt igjen, og har nå kommet frem til et sluttprodukt vi tror vil kunne fungere på en bra måte. 1
Litteraturstudie Vi har ikke gjort så mye litteraturstudie, det eneste vi har gjort er å ha brukt kompendiet; Dimensjonering av Maskinelementer av Hirpa L. Gelgele. Her har vi tatt formler og brukt tabeller, diagrammer og grafer til å gjøre antagelser for å kunne dimensjonere og designe delen vår. Her har vi lest oss frem til fremgangsmåter og måter på løsning av lignende oppgaver. Vi har også brukt internett for å få et innblikk i hvordan kompressoren vår i prinsipp skal fungere. Da har vi brukt www.youtube.com blant annet.
Forprosjektering Kompressor Montering Omgivelser Matrialvalg Topp\bunn deksel Skruer Sylinder Stempelstang Stempel Anvendelse Krefter Spenninger Trykk Til design og konstruksjon av kompressor vil vi anvende konstruksjonsstål til dekslene med elastisitetsmodul lik 10 GPa, da disse skal være montert på sylinder, og på en eventuelt annen konstruksjon vil vi ha minst mulig deformasjon av disse. Sylinderen vil være av aluminium som er varmutherdet, Al 6000 serie T6 hvor Re ligger mellom 10MPa og 75MPa og elastisitetsmodul lik 70 GPa, i sylinderen vil man måtte kontrollere kritisk indre trykk opp mot valgt tykkelse og diameter. 3
Til stempelstang \stempelaksel og stempel blir konstruksjonsstål av E95 (St50) prioritert og teoretisk testet og benyttet hvis det finnes forsvarlig. Her vil sikkerhet med tanke på flyt, knekking av stampelstang være kritiske områder som vil måtte bli testet ut og kontrollert. Sikkerhet mot utmatting hvor uregelmessigheter i formbarhet og eventuelt kjervvirkninger og dimensjons- og overflateeffekter vil kunne spille inn. Angående stempelstang så vil denne gå igjennom stempelet og bli festet med en mutter. Pga dette må det gjenges opp gjenger i dette godset, her vil det kreves beregninger som vil bli gjort. Skruer og skrueforbindelser vil bli prioritert opp mot hva som er mest tilgjengelig og brukt, det vil bli lagt vekt på metriske grovgjenger M1 ned til M4 her vil vi finne eventuelle fasthetsklasser som kan brukes. Siden fasthetsklasse 8.8 er de som oftest er brukt, vil den fasthetsklasse også bli dimensjonert, eventuelt prioritert. Angående skruer så vil forspenning med tanke på deformasjon av skruen og underlaget blir kontrollert, og amplitude i skruen med tanke på utmatting vil være kritiske verdier som vil bli kontrollert og beregnet. Til inn- og luft uttak finnes det originale deler som kan anvendes, de er av merke Bosch serie NR01 part 08100301 som kan levere 40 90 l/min med arbeidstrykk 0. 10 bar ved temperaturer fra - 10 C til +70 C og er enveisventiler. Standarddeler: M6 mutter M10 mutter Skrue M6 Skrue M1 Enveisventil Ikke standarddeler: Bunn Sylinder Stempelstang m/gjenger Stempelring Stempel Pakningsringer Aksel Topp 4
Beregninger Generelle formler brukt i utregning Rektangulært tverrsnitt: I x bh3 1 I y bh3 1 w b x w b y b 6 b 6 I p I x + I y bh 1 (b + h ) Sirkulært tverrsnitt: I πd4 πr4 64 4 I P πd4 πr4 3 w b πd3 3 w v πd 3 16 Eulerspenning: σ E F E A F E A π EI AL k Eulerspenning σ E π Ei L k i I A Treghetsradius F E π EI L k Eulerlast σ E_krit R e π E λ 1 Kritisk Eulerspenning λ 1 π E R e Kritisk slankhet χ σ k R e Knekkingsfaktor λ λ λ F Relativ slankhet λ F π E R e Materialfaktor λ L k i Geometrifaktor 5
σ t F A n E σ E σ t σ k χ R e n k σ k σ t Trykkspenning Sikkeret mot knekk i Eulerspenning Knekkspenning i NS347 Sikkeret mot knekk i NS347 σ ekv 1 σ x σ y + σ y σ z + σ z σ x + 3 τ xy + τ yz + τ zx Ekvivalensspenning Reduksjon av utmattingsdata: b 1 dimensjonseffekt b overflateeffekt b 3 fiberretningseffekt b b 1 b b 3 total fasetsreduksjonsfaktor σ mid σ max + σ min middelspenning σ a σ max σ min amplitudespenning n u σ a b k f σ a sikkeret mot utmatting mt reduksjons data Kraftfordeling I en skrueforbindelse F s φ F F m 1 φ F Strekkraft i skruen Trykkraft i underlanget φ k s k s + k m Lastfordelingsfaktor F a F s σ a F a A s F b F 0 + F s F 0 σ 0 A s δ s F k s δ s1 + δ s Amplitudekraft i skrue Amplitudespenning i skrue Maks kraft i skrue Forspenningskraft Deformasjon av skruen 6
k s1 A s E s L k L st πd s E s 4 L k L st k s AE s L st πd E s 4L st Skruestivhet δ m F k m Deformasjon i underlagets k mi π D d n E mi 4L mi π((d) (1,1d) )E mi 4L mi,d E mi L mi Underlagets stivet σ ekv F b A s + 0,48 F 0 A s Ekvivalentspenning mht nyttiggjøring av skruen M T K F 0 d s Tilsettingsmoment d s 4A s π n v σ a till σ a Diameter til spenningsareal Utmatting mt amplitudespenning 7
Dimensjonering av stempelstang mht Eulerspenning Sikkerhet n f. Material st50 R e 95MPa E 10 GPa t< 16mm. Lengde av stang er 00mm. F e nf t 000N 4000N σ E F E π EI A AL π Ei k L k Sylinderformet stang gir: I πr 4 4 i I A λ L k i Eulertilfelle I gir for L00mm L k L 400mm F E π E πr 4 L k 4 r 4 4F e L k π 3 E 4 4 4000N (400mm ) π 3 10GPa 4,45mm D r 4,45mm 8,9057mm Pga ukjente belastninger fra omgivelser og konstruksjon av vindmølle og tårn velges D15mm. Hvor stor er Eulerlasten og er stangen i Eulerområdet F E π EI L π 10GPa (7,5mm ) 4 10,3kN Eulerlast k 4 (400mm ) λ 1 π E R e π 10GPa 95MPa 118,54 λ L k i 400mm 3,75mm 106,7 der i I π(7,5mm ) 4 3,75mm A 4 π(7,5mm ) For teoretiske beregninger på vanlig brukte stålmaterialer kan λ 1 105 benyttes som den kritiske slankheten. λ106,7 > λ 1 105 σ t F A 000N π(7,5mm ) 11,3MPa σ E F E 10,3kN 58,3MPa A π(7,5mm ) n E σ E σ t 58,3MPa 11,3MPa 5,15 Veiledende verdier for n E,0~5,0 Med λ > λ 1 og σ t < σ E kan vi si at stangen er i Eulerområde og at det ikke er noen fare for knekking ved valgt belastning ved opprasjon av vindmølle aksling. 8
Figur 1 Skisse av Euler - hyperbolen Beregning av knekkspenning etter NS347 n k σ k σ t σ k χ R e λ F π E R e π 10GPa 95MPa 83,8 λ λ λ F 106,67 83,8 1,7 U og T- profiler samt massive profiler har bøyningsakse alle og gir knekkurve C etter NS 37 9 Figur Grunnlag for valg av knekkurver for ulike tverrsnittsformer (NS 347)
Figur 3 Knekkingskurver etter NS 347 Med relativ slankhet λ 1,7 gir knekkingsfaktor χ 0,4 σ k χ R e 0,4 95MPa 118MPa n k σ k σ t 118MPa 11,3MPa 10,4 1,5 n k 3 er oftest brukt så her er sikkerhetsfaktoren mot knekking høy. 10
Beregning av sikkerhet mht indre trykk i sylinder av Al 6000 serien F pa 0,3MPa 6666mm 000N r 46mm, velger F000, setter r 4,5mm Det gir et nytt trykk på p F 000N 0,353MPa A ny π 4,5mm ) σ z r t P σ θ r t P t 5mm r 45 mm P 0,353MPa σ z 45mm 0,353MPa 1,59MPa 5mm σ θ 45mm 5mm 0,353MPa 3,18MPa σ ekv 1 1 σ x σ y + σ y σ z + σ z σ x + 3 τ xy + τ yz + τ zx σ z σ θ + σ θ 0 + 0 σ z σ ekv 1 1,59MPa 3,18MPa + 3,18MPa 0 + 1,59MPa,75MPa R e n n f 10MPa,75MPa 76,5 Al 6000 serier T 6 varmeuterdet R e 10 70 MPa Vi velger den laveste flytgrensen for å få lavest mulig sikkerhetsfaktor. Aluminium 6061 T6 har flytegrense på 75 Mpa mens typiske aluminiums legeringer fra legerings serien 6000 som er varmeutherde(t6) har flytegrense på 10 Mpa 11
Dimensjonering av skruer og bolter mht deksler og sylinder: Setter F k 1,5 F for å anta minimum sammenspenningskraft for å unngå lekkasje slik at dimensjonering kan fastsettes. Parametrene L er lengden av utvendig del av sylinder, d er tykkelse på dekselgods, t er tykkelse og D n er innvendig diameter til sylinder. F F t 000N 500N n 4 F k 750 N Vi var innom mange typer skruer og kvalitet med valgte til slutt M6 ut i fra dimensjon og de kreftene som opptrer i kompressoren. Dekselet er av stål E10GPa, sylinderen er av Al 6000 serier T6 E70GPa. Vi vil her vise noen av de utregningene som ble foretatt. M8 A s 36,61mm A 0 50,7mm L 90mm d 0mm L st L+d 90mm+ 0mm 130mm D n 85mm t 5mm D D n + t 85mm + 5mm 95mm Stivhet av en skrue: kun ugjenget del i klemsonen er tatt med i betraktning da meste parten av gjengene vil bli anvendt av mutter. k s AE s L st 50,7mm 10GPa 130 mm 8105,38N/mm Stivhet av 4 skruer: k s 4 k s 3481,54N/mm Stivhet av sylinder (underlaget): ser bort i fra stivheten til dekslene og tar utgangspunkt i stivheten til sylinderen. k mi π(d d n )E mi π( 95mm (85mm ) ) 70GPa 4L mi 4 90mm 1099557,4N/mm φ k s k s + k m 3481,54 N/mm 3481,54 N/mm +1099557,4NNmm 0,8 F s φ F 0,8 500 N 114,1N F m 1 0,38 500N 386N F b F + F k 500 N + 750N 150 N F 0 F b - F s 150N 114,1N 1135,9N σ ekv F b A s + 3 0,48 F 0 A s 150N 36,61mm + 3 0,48 1135,9N 36,61mm 50,51MPa σ F n f σ ekv 50,51MPa 101,04MPa 1
Her får man ikke utnyttet skruen godt nok. M6 A s 0,1mm A 0 8,7mm L st 130mm D n 85mm D 95mm Ser bort i fra der dekslene overlapper sylinderen. Stivhet av en skrue: k s AE s L st 8,7mm 10GPa 130 mm 45666N/mm Stivhet av 4 skruer: k s 4 k s 18667,77N/mm Stivhet av sylinder (underlaget): k mi π(d d n )E mi π( 95mm (85mm ) ) 70GPa 4L mi 4 90mm 1099557,4N/mm φ k s k s + k m 18667,77 Nmm 18667,77 Nmm +1099557,4Nmm 0,14 F s φ F 0,14 500 N 71,3N F b F + F k 500 N + 750N 150 N F 0 F b - F s 150N 71,3N 1178,8N σ ekv F b A s + 3 0,48 F 0 A s 150N + 3 0,48 1178,8N 93,8MPa 0,1mm 0,1mm σ F n f σ ekv 93,8 MPa 187,7MPa 13
Tabell 1 Fasthetsklasser for skruer og muttere Kan velge fasthetsklasse 3.6, velger denne. R e σ ekv 00 N/mm 94,1 MPa,1 Velger kvalitet 8.8 for M6 da dette er den mest anvendte fasthetsklassen for skruer. σ 0 0,34 R e 0,34 640 17,6 mm N N N mm F 0 σ 0 A s 17,6 mm 0,1mm 4378,1 N F b F 0 + F s 4378,1 N + 71,3N 4449,33N δ s0 F 0 4378,1N 0,096mm k s 45666 N/mm δ m0 F 0 4378,1N 0,0036mm k m 11730,5N/mm σ ekv F b A s + 0,48 F 0 A s 4449,1N 0,1mm + 0,48 4378,1N 0,1mm 307, MPa n f Utmatting: R e 640MPa.083 σ ekv 307,MPa F bmin F o Dette på grunn av skruen står i spenn. F bmax F 0 + F s F a F s 71,3N 36,615N 14
σ a F a A s 36,615N 0,1 mm 1,77MPa n v σ a till σ a 40MPa 1,77MPa,59 M T K F 0 d s 0, 4378,1N 5,06 mm 4430.6 Nmm der d s 4A s π 5,06mm 15
Dimensjonering/kontroll mht utmatting pga materialeffekter R e 95MPa R m 470MPa σ 0 0 ± 0 MPa r 3,75 mm D,5mm d 15mm D,5mm 1,5 d 15mm n u σ a b k f σ a 0MPa b k f 5,66MPa Varierende last fra F 0 0 til F 000N. Det er en pulserende spenning R 0, A 1 Dimmensjonering mht utmatting R σ min σ max 0 og σ a σ m 1 σ m σ max +σ min σ a σ max σ min σ max F max A 000N π (7,5mm ) 11,3MPa σ m σ max +σ min 0+11,3 MPa 5,66MPa σ a σ max σ min 11,3MPa 5,66MPa σ a 5,66MPa 1 A σ m 5,66MPa Reduksjon av utmattingsdata Her velges overflatefaktor på slipt stempelstang, kan med trygghet polere stempelstangen da vil sikkerhet mot utmatting øke. b 1 0,975 b 0,975 b 3 1 b b 1 b b 3 0,975 0,975 1 0,95065 R m 470MPa Figur 4 Overflatefaktor b 1 Figur 5 Overflatefaktor b 16
k f 1 + η k t 1 η 0,775 k t 1,5 k f 1 + η k t 1 1 0,775 1,5 1 1,3875 R e 95MPa D,5mm 1,5 r 3,75mm 0,5 d 15mm d 15mm Figur 7 Kjervfølsomhetsfaktoren η for stål Figur 8 Stress konsentrasjon (Kt) for aksial last. n u σ a b 0MPa 0,95065 6,6 n k f σ a 1,3875 5,66MPa f R e 95MPa 17,37 k t σ n 1,5 11,3MPa 17
Smith diagram stempelstang med kjerv 600 500 470; 470 400 300 180; 360 180; 351 00 100 0; 0 0; 09 "Utmattingsgrense" grunn "Redusert utmattingsgrense" σ_max σ_m+ σ_a 0 180; 9 11,3;,64 180; 0 0 50 100 150 00 50 300 350 400 450 500-100 -00 0; -09 0; -0-300 σ m + σ a bσ a σ m + bσ a 0 ± 0 09 09 180 ± 180 171, 1 351, 1 Punktet X på grafen viser hvor belastningen σ Max σ m + σ a ved opprinnelig operasjon, og kan ut fra det si at stempelstangen kan klare 10 7 påkjenninger. 18
Forspenningskraft og deformasjon pga gjenger og mutter i stempelstang t < 16mm R e 95MPa R m 470MPa d 10mm Må gjenge opp fra 15mm til 10mm M10 gjenger i enden på stempelstang som vil gå igjennom stempel.. A s 58,00 mm A 0 78,54mm σ 0 0,33 R e 0,33 95MPa 97,35MPa N F 0 σ 0 A s 97,35 mm 58,00mm 5646,3N k s A 0E s L st mutter. 78,54mm 10GPa 10mm k m k mi,d E mi L mi E s E m E φ k s k s + k m 0,6 F s φ F 0,6 000N 50N 169346N/mm Her antar vi at gjengene blir fult utnyttet av, (10mm) 10GPa 1mm F b F 0 + F s 5646,3N + 50N 6166,3N 460000 N mm σ ekv F b A s + 0,48 F 0 A s 6166,3N + 0,48 5646,3N 14,8MPa 58,00mm 58,00mm n f Utmatting: R e 95MPa,065 σ ekv 14,8MPa F a F s 50N 60N σ a F a A s 60N 58,00 mm 4,48 MPa n v σ a till σ a 40MPa 4,48MPa 8,9 δ s0 F 0 k s δ m0 F 0 k m 5646,3N 0,0034mm δ 1649340 N/mm s F b k s 5646,3N 460000 N/mm 0,001mm δ m F b k m 6166,3N 0,0037mm 169346 N/mm 6166,3N 46000 N/mm 0,0013mm n k F 0 F m 5646,3N 1 0,6 000N 3,8 Ingen lekkasje Ser her at det er god margin mht utmatting, men for å minske amplitudespenningen i skruen kan forspenningen økes, men da vil oppgavens sikkerhet mot flyt minskes. 19
M T K F 0 d s 0, 5646N 8,6mm 9704Nmm der d s 4A s π 8,6mm Dimensjonering/antagelser av skruer til montering/feste av kompressor Montering av kompressor på konstruksjonstårn, ex i utkragerbjelke. Antar konstruksjon av stål E 10GPa. Velger M1, da uregelmessigheter kan spille inn, eksempelvis ved at noen kommer borti kompressoren, vibrasjoner i konstruksjon etc. M1 8.8 velges. Lg 16+6 30mm. Det blir kun tatt hensyn til max kraft 000N når stempel går opp og vekt av kompressor er ikke tatt med. Det vil si et konservativt valg med tanke på at vekten av kompressoren vil virke med skruen og ikke i mot. R e 640 N/mm A s 84,7 mm A 0 113,10mm E s E m E Ф 0,6 Stivhet av en skrue, vi har to skruer: k s k s A 0E s L k 113,10mm 10GPa 1mm 1 979 59 N/mm Stivhet i underlaget: k m k mi,d E mi L mi, (1mm) 10GPa 1mm σ 0 0,34 R e 0,34 640 17,6 mm N N N mm F 0 σ 0 A s 17,6 mm 84,7mm 18,34 kn F s φ F 0,6 000N 60N F b F 0 + F s 18,34kN + 0,60kN 18,6 kn 5 544 000 N/mm σ ekv F b A s + 0,48 F 0 A s 18,6kN + 0,48 18,34kN 307 MPa 84,7mm 84,7mm n f Utmatting: R e 640MPa,08 σ ekv 307MPa F a F s 60N 130N σ a F a A s 130 N 84,7 mm 1,54 MPa n v σ a till σ a 40MPa 1,54MPa 5,93 Deformasjon på grunn av forspenning: δ s0 F 0 18,34kN 0,01mm k s 197950 N/mm δ m0 F 0 18,34kN 0,0033mm k m 5544000 N/mm 0
M T K F 0 d s 0, 18,34 kn 10,36mm 38000Nmm 38,00Nm der d s 4A s 10,36mm π 1
Konklusjon Designer løsningen er forholdsvis enkel og grei, valg av material falt ned på deksler av konstruksjonsstålstål av St 37 standard,da disse skal være i nærkontakt med eventuelt konstruksjon rundt som vi ikke vet hva er og vi føler at det trenger et solid material. Sylinderen av Al 6000 T6 serien vil egne seg bra som sylinder til kompressoren da det er et lett og herdbart materiale og foreligger som regel i ekstruderte profiler. Det ble valgt 4X M6 x 148 8.8 skruer som er festet med mutter og ikke i gods. Tanken med det er at fasthetsklasse 8.8 er det mest tilgjengelige, og hvis korrosjon eller annen skade skulle skje med den lange skruen så kan den kappes av slik at det ikke vil ha noen påvirkning på godset. X M1 8.8 ble valgt til montering av kompressor fordi som sagt er fasthetsklasse 8.8 mest anvendt, og størrelsen M1 fordi kompressoren og dens feste punkter kan bli utsatt for ukjente krefter\ påvirkninger som vi ikke råder over. Våre beregninger er i veldig idealiserte former og som tidligere nevnt ukjente krefter og uhell fra omgivelsene kan spille inn og få konsekvenser for kompressoren og dens funksjon. Det er med tanke på dette at vi føler det er forsvarlig med disse litt store dimensjonene av skruer, deksel, stempel stang samt tykkelse på sylinder. Angående pris er vi litt usikre på nøyaktig pris antydning på hele kompressoren, men undersøkelser viser at ventilene koster 99,-kr per stk. Designer løsningen har ellers lite rom for feil med tanke på vindmøllen som skal drive den. Hvis et uhell skulle skje med akslingen som driver stempelet opp og ned, som eventuelt å ryke og legge hele sin vekt på stempelet, så vil en 15 meter stiv stempel stang antageligvis gjøre stor skade på stempel. Dette er et senario som vi mener må bli sett nærmere på. Man kunne for eksempel montere kompressoren rett under vindmøllen sin roterende aksling slik at man kunne se bort i fra denne lange stangen og den fare det kunne innebære. Ut fra denne monteringen kan man også se på om det er nødvendig med rust fritt stål eller kun vanlig stål, det vil kunne bli nødvendig med en isolering av kompressoren hvis vanlig stål velges hvis det er stor fare for korrosjon. Vi startet prosjektoppgaven med et annet design som vi jobbet med frem til det var ei lita uke igjen til oppgaven skulle være levert, hvor vi fant ut at designet ikke ville kunne fungere tilfredsstillende. Da måtte vi starte på nytt og hive de gamle tegningene og bergningene. Det var en frustrerende tid, men vi jobbet som team og fant ut at vi gikk for dette designet. Ellers så har dette prosjektet vært fruktbart og lærerikt, både faglig og ikke minst med tanke på at det er viktig med grundig forundersøkelse når et prosjekt har en deadline. Faget bygger på flere forskjellige fag som gir en rød tråd igjennom de årene vi har gått her. Vi har blitt utfordret på mange områder som for eksempel det å jobbe i team og vi føler vi har jobbet og tenkt som ingeniører.
Kilder Dimensjonering av maskinelement av Hirpa L. Gelgele Dimensjonering av maskindeler av Gunnar Härkegård ISBN 8-519-1970-3 Fasthetslære av Fridtjov Irgens ISBN 8-519-137-6 Maskintegning av Bo Lundkvist og Ivar Øien ISBN 8-00-410390-0 Material science and engineering ISBN-13 : 978-0-471-7396-7 Internett Alle tabeller og figurer er hentet fra Kompendiet Dimensjonering av maskinelement 3
VEDLEGG 4
5
6
7
8
9
30
31
73,47 166 6 4 168 9 1 5 1 4 1 SECTION A-A 3 1 1 1 1 4 7 1 8 10 1 1 11 4 REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED Item Number Title Material Quantity 1* Cylinder Aluminum, 6061-T6 1 * Bottom Steel, structural 1 3* Top Steel, structural 1 4 Ring soft plastic Polyethylene, low density 5 Ring hard plastic Polypropylene, high impact 6 One way valve Brass, yellow brass 4 1 1 7* Piston Aluminum, 6061-T6 1 8 Piston Ring Polypropylene, general purpose 9* Shaft Steel, structural 1 10 Nut M10 Steel, structural 1 11 Nut M6 Steel, structural 4 165 A A DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR 1 Screw Steel, structural 4 NAME Jon UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX DATE 04/9/10 SOLID EDGE UGS - The PLM Company TITLE Compressor SIZE DWG NO A3 FILE NAME: compressor.dft SCALE: 1: WEIGHT: 7,354kg SHEET 1 OF 1 REV
110 REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED Polert 85 95 DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR NAME Jon UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX UiS, DATE 04/8/10 SOLID EDGE Institutt UGS for konstruksjon - The PLM og materialteknologi Company TITLE SIZE DWG NO Cylinder A4 FILE NAME: Cylinder.dft SCALE: WEIGHT: 0,460kg SHEET 1 OF 1 1: REV
REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED O 8 O 95 R 15 5 R,5 9,73 5 9,73 G 1/8 G 1/8 R 5 R 1 A DETAIL A R 1 4 1 36 10 115 165 6 O O 6 5 DETAIL B DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR B NAME Jon UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX UiS, DATE 04/8/10 SOLID EDGE Institutt UGS for konstruksjon - The PLM og materialteknologi Company TITLE SIZE DWG NO Bottom A4 FILE NAME: Bottom.dft SCALE: 1: WEIGHT:,763kg SHEET 1 OF 1 REV
A 115 A C R 17,5 R 5 O 6,1 R 6,08 R 8,9 REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED 30, 17 DETAIL B 0 30 30 40 5 5 G 1/8 9,73 G 1/8 9,73 DETAIL C 95 0 15 40 0 B SECTION A-A 1 DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR NAME Jon UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX UiS, DATE 04/9/10 SOLID EDGE Institutt UGS for konstruksjon - The PLM og materialteknologi Company TITLE SIZE DWG NO Top A4 FILE NAME: Top.dft SCALE: WEIGHT: 3,08kg SHEET 1 OF 1 1: REV
REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED 8 16 0 DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR NAME Jon UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX UiS, DATE 04/9/10 SOLID EDGE Institutt UGS for konstruksjon - The PLM og materialteknologi Company TITLE SIZE DWG NO Ring soft plastic A4 FILE NAME: Ring soft plastic.dft SCALE: WEIGHT: 0,001kg SHEET 1 OF 1 :1 REV
REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED 8 15 16 DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR NAME Jon UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX UiS, DATE 04/9/10 SOLID EDGE Institutt UGS for konstruksjon - The PLM og materialteknologi Company TITLE SIZE DWG NO Ring hard plastic A4 FILE NAME: Ring hard plastic.dft SCALE: WEIGHT: 0,001kg SHEET 1 OF 1 5:1 REV
3
REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED 1 O 10,1 17,1 10 3 DETAIL A 3 81,5 83,5 A 0 DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR NAME Jon UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX UiS, DATE 04/9/10 SOLID EDGE Institutt UGS for konstruksjon - The PLM og materialteknologi Company TITLE SIZE DWG NO Piston A4 FILE NAME: Piston.dft SCALE: WEIGHT: 0,86kg SHEET 1 OF 1 1:1 REV
REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED 81,5 84,5 1,8 DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR NAME Jon UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX UiS, DATE 04/9/10 SOLID EDGE Institutt UGS for konstruksjon - The PLM og materialteknologi Company TITLE SIZE DWG NO Piston ring A4 FILE NAME: Piston Ring.dft SCALE: WEIGHT: 0,001kg SHEET 1 OF 1 1:1 REV
REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED A 15 O,5 O 10 195 0 M 10 10 5 10,5 Slipt DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR DETAIL A NAME Jon UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX UiS, DATE 04/9/10 SOLID EDGE Institutt UGS for konstruksjon - The PLM og materialteknologi Company TITLE SIZE DWG NO Shaft A4 FILE NAME: Shaft.dft SCALE: WEIGHT: 0,99kg SHEET 1 OF 1 1: REV
A A REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED 17 M 10 7 8 SECTION A-A DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR NAME Jon UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX UiS, DATE 04/8/10 SOLID EDGE Institutt UGS for konstruksjon - The PLM og materialteknologi Company TITLE SIZE DWG NO Nut M10 A4 FILE NAME: Nut M10.dft SCALE: :1 WEIGHT: 0,01kg SHEET 1 OF 1 REV
A A REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED 10 M 6 4,4 SECTION A-A 5 DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR NAME Jon UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX UiS, DATE 04/9/10 SOLID EDGE Institutt UGS for konstruksjon - The PLM og materialteknologi Company TITLE SIZE DWG NO Nut M6 A4 FILE NAME: Nut M6.dft SCALE: WEIGHT: 0,003kg SHEET 1 OF 1 5:1 REV
REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED A O 11 6 144 7,5 15 DETAIL A M 6 19 DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR NAME Jon UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX UiS, DATE 04/9/10 SOLID EDGE Institutt UGS for konstruksjon - The PLM og materialteknologi Company TITLE SIZE DWG NO Screws A4 FILE NAME: Screws.dft SCALE: WEIGHT: 0,036kg SHEET 1 OF 1 1: REV