Kalkinjäähdyttimen tuennan kehittäminen
Aaltonen, Ossi (2017)
Diplomityö
Aaltonen, Ossi
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201708308365
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201708308365
Tiivistelmä
Tässä diplomityössä kehitetään uusi tuenta meesauuniin integroituun kalkinjäähdyttimeen. Nykyisen tuennan kestoikä on rajoitettu ja sen korjaaminen on hyvin haastavaa. Rakenteen kuormitus on muuttuvaa ja siihen kohdistuu suuria lämpötilojen vaihteluja. Suunnittelun lähtötietojen saamiseksi tutkitaan nykyisen tukirakenteen kuormituksia, vaurioita sekä olosuhteita.
Nykyiseen rakenteeseen kohdistuvat kuormat laskettiin sekä analyyttisesti että FE-analyysin avulla. Rakenteessa on havaittu väsymismurtumia, joita tutkittiin analysoimalla murtopintoja sekä laskemalla väsymiskestoikä tehollisen lovijännityksen menetelmällä. Tuennan liukupinnoissa on tapahtunut kulumista, jota tutkittiin kontaktijännityslaskennalla. Kuormituksien havaittiin jakautuvan epätasaisesti tukiristikon geometriasta johtuen. Liian suuret välykset liukupinnoissa lisäsivät kuormituspiikkejä. Kontaktipintojen muoto ja pinta-ala johtivat kiihtyvään kulumiseen ja kuormitushuippujen kasvuun. Tukikehien liitoskohdassa syntyi sekundääritaivutus, mikä aiheutti liitososan väsymismurtuman. Suuri juurenpuoleinen lovivaikutus vähensi väsymiskestoikää merkittävästi. Laskettu väsymiskestoikä oli noin vuosi.
Uusi tuentakonstruktio suunniteltiin systemaattisen koneensuunnittelun teorian mukaisesti. Ideointivaiheen ratkaisut pisteytettiin ja kaksi lupaavinta ideaa otettiin jatkokehitykseen. Pisteytysmatriisille suoritettiin herkkyysanalyysejä, jotta sen objektiivisuus ja oikeellisuus pystyttiin varmistamaan. Jatkokehityksen tuloksena päädyttiin uuteen alkuperäisen rakenteen kaltaiseen tuentaan, jossa aikaisemmat ongelmakohdat on poistettu. Uuden kiinnitystavan ansiosta suurta lovijännitystä ei pääse muodostumaan ja rakenteen huolto sekä valmistus ovat helpompaa. Uusi rakenne mahdollistaa pienemmät välykset, mikä tasoittaa kuormienjakautumista ja vähentää kulumista. Suunnitellun rakenteen kestoikä on moninkertainen vanhaan tukirakenteeseen verrattuna. In this thesis new support structure is designed for lime cooler that is integrated to lime kiln. Current support’s lifetime is insufficient and its maintenance is very difficult. Loading of the structure is fluctuating and it is influenced by large temperature fluctuations. In order to obtain initial data for the design process, current support’s loading, failures and conditions are studied.
Loads of the current structure were calculated both analytically and with FE-analysis. There have been fatigue failures, which were investigated by analyzing fracture surfaces and by calculating fatigue life with effective notch stress. Wear of support’s sliding surfaces was researched using contact stress calculation. Force distribution was observed to be uneven due to geometry of the support grid. Load peaks were increased by too large clearances between sliding surfaces. Shape and size of contact surfaces lead to accelerated wear and expansion of load peaks. Secondary bending formed in connection point of support frames caused fatigue failure of the joint. Large notch effect on root side of the weld decreased fatigue life significantly. Calculated fatigue life was approximately one year.
New support structure was designed using theory of systematic engineering design. Conceptual designs were evaluated numerically and two most promising ideas were selected for further development. Evaluation matrix was examined using sensitivity analysis in order to confirm its objectivity and accuracy. Further development resulted in a structure, similar to original design with its problems eliminated. Because of the new mounting method, large notch effect is not generated while maintenance and manufacturing of the structure is easier. New structure allows smaller clearances, which balances load distribution and reduces wear. Lifetime of the designed structure is multiple compared to original support structure.
Nykyiseen rakenteeseen kohdistuvat kuormat laskettiin sekä analyyttisesti että FE-analyysin avulla. Rakenteessa on havaittu väsymismurtumia, joita tutkittiin analysoimalla murtopintoja sekä laskemalla väsymiskestoikä tehollisen lovijännityksen menetelmällä. Tuennan liukupinnoissa on tapahtunut kulumista, jota tutkittiin kontaktijännityslaskennalla. Kuormituksien havaittiin jakautuvan epätasaisesti tukiristikon geometriasta johtuen. Liian suuret välykset liukupinnoissa lisäsivät kuormituspiikkejä. Kontaktipintojen muoto ja pinta-ala johtivat kiihtyvään kulumiseen ja kuormitushuippujen kasvuun. Tukikehien liitoskohdassa syntyi sekundääritaivutus, mikä aiheutti liitososan väsymismurtuman. Suuri juurenpuoleinen lovivaikutus vähensi väsymiskestoikää merkittävästi. Laskettu väsymiskestoikä oli noin vuosi.
Uusi tuentakonstruktio suunniteltiin systemaattisen koneensuunnittelun teorian mukaisesti. Ideointivaiheen ratkaisut pisteytettiin ja kaksi lupaavinta ideaa otettiin jatkokehitykseen. Pisteytysmatriisille suoritettiin herkkyysanalyysejä, jotta sen objektiivisuus ja oikeellisuus pystyttiin varmistamaan. Jatkokehityksen tuloksena päädyttiin uuteen alkuperäisen rakenteen kaltaiseen tuentaan, jossa aikaisemmat ongelmakohdat on poistettu. Uuden kiinnitystavan ansiosta suurta lovijännitystä ei pääse muodostumaan ja rakenteen huolto sekä valmistus ovat helpompaa. Uusi rakenne mahdollistaa pienemmät välykset, mikä tasoittaa kuormienjakautumista ja vähentää kulumista. Suunnitellun rakenteen kestoikä on moninkertainen vanhaan tukirakenteeseen verrattuna.
Loads of the current structure were calculated both analytically and with FE-analysis. There have been fatigue failures, which were investigated by analyzing fracture surfaces and by calculating fatigue life with effective notch stress. Wear of support’s sliding surfaces was researched using contact stress calculation. Force distribution was observed to be uneven due to geometry of the support grid. Load peaks were increased by too large clearances between sliding surfaces. Shape and size of contact surfaces lead to accelerated wear and expansion of load peaks. Secondary bending formed in connection point of support frames caused fatigue failure of the joint. Large notch effect on root side of the weld decreased fatigue life significantly. Calculated fatigue life was approximately one year.
New support structure was designed using theory of systematic engineering design. Conceptual designs were evaluated numerically and two most promising ideas were selected for further development. Evaluation matrix was examined using sensitivity analysis in order to confirm its objectivity and accuracy. Further development resulted in a structure, similar to original design with its problems eliminated. Because of the new mounting method, large notch effect is not generated while maintenance and manufacturing of the structure is easier. New structure allows smaller clearances, which balances load distribution and reduces wear. Lifetime of the designed structure is multiple compared to original support structure.