Fatigue analysis of a mechanical paper roll gripper
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2021-06-14
Department
Major/Subject
Solid Mechanics
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
62 + 6
Series
Abstract
Reliable operation of the paper roll storage is a significant part of the process of the whole paper factory. If the storage suddenly stops operating and paper rolls do not move, the whole process may stop in several hours. This kind of stoppage is usually caused by an unexpected failure of paper roll handling equipment. Unexpected failures are often caused by metal fatigue which may be hard to observe before final failure occurs. This thesis focused on fatigue analysis of a mechanical paper roll gripper. Mechanical paper roll gripper is used to handle packaged and unpackaged paper rolls in vertical paper roll storage, where rolls are piled up on top of each other. The gripper is designed and manufactured by Raumaster Paper Oy for which the thesis was done. The fatigue analysis focused on the most critical components and details of the gripper including different welded joints, non-welded structural parts, and powertrain components such as ball screw. Fatigue analyses were done utilizing the results obtained from Finite Element Analysis and using different FAT-classes proposed in Eurocode 3. Finite Element Analysis were done using ANSYS Workbench software. In the analyses, two different designs of the gripper were considered: one for hard paper rolls and one for soft paper rolls. Lifetimes of critical components and details were calculated using loads from two specific projects. In addition, the lifetimes were calculated as a function of output torque to provide efficient tool for upcoming projects as the loads may vary in each project. The fatigue strengths were found sufficient for majority of the analyzed details. Only one detail for both designs did not reach the required lifetime with project specific loads. Improvements to these designs were proposed which would guarantee higher fatigue strength thereby increasing the fatigue lifetime. In addition, maintenance and inspection intervals were updated based on the results obtained from fatigue analysis to ensure safe operation of the gripper during its whole lifetime.Paperirullavaraston luotettava toiminta on välttämätöntä koko paperitehtaan sujuvalle toiminnalle. Jos paperirullavaraston toiminta keskeytyy siihen varautumatta, koko paperitehtaan toiminta voi pysähtyä muutamissa tunneissa. Yllättävä toiminnan keskeytyminen johtuu usein paperirullien käsittelylaitteiston ennenaikaisesta vaurioitumisesta. Ennenaikaiset vauriot johtuvat yleensä metalliosien väsymisestä, jota on vaikea havaita ennen lopullista vaurioitumista. Tässä diplomityössä keskityttiin mekaanisen paperirullatarraimen väsymisanalyysiin. Mekaanista paperirullatarrainta käytetään paperirullien siirtelyyn pystyvarastoissa, joissa paperirullat pinotaan toistensa kanssa päällekkäin. Diplomityö tehtiin Raumaster Paper Oy:lle, joka myös suunnittelee ja valmistaa kyseistä tarrainta. Väsymisanalyysissä keskityttiin paperirullatarraimen kriittisiin detaljeihin, joihin kuuluu erilaisia hitsiliitoksia, hitsaamattomia rakenneosia sekä voimansiirtokomponentteja kuten kuularuuveja. Väsymisanalyysi tehtiin hyödyntäen staattisen laskennan tuloksia, jotka saatiin käyttäen elementtimenetelmää ANSYS Workbench -ohjelmistolla. Eliniät laskettiin käyttäen Eurokoodi 3 -standardissa annettuja väsymisluokkia. Väsymisanalyysissä käsiteltiin kahta erilaista tarttujan toteutusta, joista toinen oli koville paperirullille ja toinen pehmeille rullille. Kriittisten detaljien eliniät laskettiin käyttäen kuormitustietoja kahdesta erillisestä projektista. Koska tarraimen kuormitus vaihtelee lähes jokaisella asiakkaalla, detaljien eliniät laskettiin myös käyttömoottoreiden ulostulomomentin funktiona, jotta tuloksia voitaisiin hyödyntää tehokkaasti myös tulevissa projekteissa. Lähes kaikkien kriittisten detaljien väsymiskestävyys todettiin riittäväksi. Vain yksi detalji molempien tarttujien (kovat ja pehmeät rullat) osalta ei päässyt elinikätavoitteeseen projektikohtaisilla kuormilla. Näihin detaljeihin tehtiin parannusehdotukset, jotka nostaisivat väsymislujuutta huomattavasti ja näin ollen elinikäennuste kasvaisi. Lisäksi väsymisanalyysin tulosten perusteella tarttujan huolto-ohjetta päivitettiin, jotta tarttujan turvallinen toiminta voitaisiin taata koko sen suunnitellun eliniän ajaksi.Description
Supervisor
St-Pierre, LucThesis advisor
Valkonen, IlkkaKeywords
paper roll handling, mechanical paper roll gripper, metal fatigue, finite element analysis
