12007730 Ilse Speelman 12024767 -...
Transcript of 12007730 Ilse Speelman 12024767 -...
Klimkatrol 5 juni 2013
5-6-2013
Ontwerpproces klimkatrol
HHS KLIMKATROL
Tirza Lagrand – 12007730
Ilse Speelman – 12024767
Klimkatrol 5 juni 2013
1
Inhoudsopgave Inleiding ................................................................................................................................................... 2
Analysefase .............................................................................................................................................. 3
Katrollen en takelsystemen ................................................................................................................. 3
Keuze ontwerpen katrol ...................................................................................................................... 3
Principetekening van het totale systeem ............................................................................................ 4
Pakket van Eisen & Wensen .................................................................................................................... 5
Ontwerpfase ............................................................................................................................................ 6
Ontwerpschetsen van de krachtvergroter .......................................................................................... 6
Materiaalkeuze .................................................................................................................................... 6
Eindontwerp ........................................................................................................................................ 1
Berekeningen .......................................................................................................................................... 2
Krachtenspel ........................................................................................................................................ 2
Spanningsberekeningen ...................................................................................................................... 3
Discussie .................................................................................................................................................. 6
Vloeigrens ............................................................................................................................................ 6
Simulatie .............................................................................................................................................. 6
Literatuurlijst ........................................................................................................................................... 7
Bijlagen .................................................................................................................................................... 8
- Tekenpakket Solid Works ................................................................................................................ 8
- Rapport krachtensimulatie .............................................................................................................. 8
- Formuleblad .................................................................................................................................... 8
Klimkatrol 5 juni 2013
2
Inleiding
Voor het ontwerpen van de katrol, is er gekozen om een katrol te ontwerpen voor de klimsport. Deze
keuze is gemaakt, omdat hier veel kennis over is bij de ontwerpers. Om een goed en duidelijk
ontwerp te kunnen maken, moet er eerst een specifieke doelgroep vastgesteld worden. Door eigen
ervaringen en interesses is er gekozen voor de doelgroep klimmers.
In de klimsport worden katrollen voornamelijk gebruikt voor het hijsen van personen bij een redding.
Dit omdat de klimmer vast zit door middel van een zekering. Bij een val komen de kabels van deze
zekering op spanning te staan. Om de zekering van de persoon er af te kunnen halen zal eerst de
spanning van het zekersysteem af moeten.
In het geval van zo’n redding wordt meestal gebruik gemaakt van een dubbel katrol met daaronder
een micro-traxion. Het micro-traxion werkt als rem en zorgt er voor dat na het hijsen van de persoon
het touw niet weer terug rolt door het katrol.
In de vorm van een filmpje leggen wij u precies uit hoe het systeem werkt. Hiervoor kunt u kijken op:
http://www.youtube.com/watch?v=F5KMfJ3c_fI&feature=youtu.be
Klimkatrol 5 juni 2013
3
Analysefase
Katrollen en takelsystemen Dubbel katrol
Het dubbele katrol (zie Fig 1) wordt in de klimsport meestal
gebruikt voor het hijsen van een persoon bij bijvoorbeeld een
redding.
Figuur 1 Dubbel katrol
Enkel katrol
Een enkel katrol (Fig. 2) wordt in de klimsport meestal alleen
gebruikt om een touw te leiden of om iets te verplaatsen over
het touw.
Figuur 2 Enkel katrol
Micro-traxion
Zoals al eerder genoemd, wordt het micro-traxion (Fig. 3) vaak
gebruikt bij het takelen van een last. Deze micro-traxion bevat een
teruglooprem die er voor zorgt dat het touw niet terug loopt door
het katrol.
Figuur 3 Micro-traxion
Keuze ontwerpen katrol De keuze naar het ontwerpen van een katrol is uitgegaan naar het takelsysteem, dat bestaat uit
dubbel katrol en micro-traxion. Dit systeem is gekozen omdat hierbij sprake is van krachtvergroting.
Klimkatrol 5 juni 2013
4
Touwen
Er zijn heel veel verschillende soorten touwen. De touwen verschillen in diameters, maar ook in
kwaliteit. Voor outdoor klimmen moeten de touwen van een veel beter kwaliteit zijn, omdat deze dat
continu over de rots heen schuren. Touwen die bij indoor klimmen gebruikt worden, ondervinden
eigenlijk alleen weerstand door de ringen die bovenaan hangen.
Voor het ontwerpen voor het katrol wordt gekozen voor een veelvoorkomend touw. Er is gekozen
voor onderstaand touw.
Eclipse python Edelrid
Diameter: 10 mm
Lengte: 50 meter
Statische touw rekbaarheid: 9.1%
Dynamische touw rekbaarheid: 33%
Impact : 8,9 kN
Principetekening van het totale systeem In onderstaande figuur wordt een overzichtstekening gegeven van het totale systeem.
Figuur 1 Principetekening van het totale systeem
Klimkatrol 5 juni 2013
5
Pakket van Eisen & Wensen
Tabel 1 Pakket van Eisen
Eis nummer Beschrijving van de eis
1. Maximale belasting (Flast) is 1200 N. 2. Maximale trekkracht (Fhand) is 400 N.
3. De RVS 316 bout moet een diameter van 6 mm hebben. 4. Het RVS 316 wieltje moet een buitendiameter van 50 mm en een dikte van 12 mm
hebben. 5. De aluminium plaatjes moeten een dikte van 3 mm hebben.
6. De karabiner moet een trekspanning van 5,09 N/mm2 aan kunnen. 7. Het middelste plaatje moet een stuikspanning van 44,44 N/mm2 aan kunnen. 8. De buitenste plaatjes moeten een stuikspanning van 22 N/mm2 aan kunnen. 9. De bout moet een afschuiving van 14,15 N/mm2 aan kunnen.
10. De bout moet een stuikspanning van 11,11 N/mm2 aan kunnen.
Tabel 2 Pakket van Wensen
Wens nummer
Beschrijving van de wens
1. Het takelsysteem mag geen scherpe delen bevatten 2. De wieltjes van het katrol moeten soepel draaien
Klimkatrol 5 juni 2013
6
Ontwerpfase
Ontwerpschetsen van de krachtvergroter In figuur .. wordt een overzichtstekening gegeven van het totale systeem.
Materiaalkeuze Bout
Materiaal: RVS 316
Vloeigrens = 0,2 = 275 N/mm2
afmetingen: lengte = 33 mm
diameter = 6 mm
Touw
Materiaal: nylon
Afmetingen: diameter = 10 mm
Lengte = 50 m
Impact : 8,9 kN
Plaatjes
Materiaal: Aluminium
Vloeigrens = 200 tot 600 N/mm2
Afmetingen: dikte plaatje = 3 mm
Wieltjes
Materiaal: RVS 316
Afmetingen: dikte = 12 mm (gleuf = 10 mm)
buitendiameter = 50 mm
Klimkatrol 5 juni 2013
1
Eindontwerp In fig. .. is het eindontwerp te zien dat in SolidWorks getekend is. In de bijlage staan de
bouwtekeningen van dit ontwerp. Daarnaast vindt u in de bijlage ook een rapport over
krachtensimulatie.
Klimkatrol 5 juni 2013
2
Berekeningen
Krachtenspel Foto invoegen van onze tekeningen op papier.
Het maximale gewicht dat een katrol tijdens een redding moet kunnen dragen is 120 Kg (1200N).
De kracht waarmee er getrokken moet worden moet vergroot worden, zodat de rescuer de persoon
om hoog kan takelen.
In figuur.. is te zien dat de last verdeeld wordt over 2 katrollen en 3 delen touw. De kracht in de drie
delen is dan 1/3 Flast.
Fhand is gelijk aan het linker touw deel en als volgt te berekenen:
Flast = 1200 N
Fhand = 1/3 * Flast
Fhand = 1/3 * 1200 = 400 N
Er zal bij een gewicht van 120 kg dus getrokken moeten worden met een kracht van 400N.
Klimkatrol 5 juni 2013
3
In figuur .. is een vooraanzicht van het katrol getekend. Pijl 1 geeft de kracht van het touw op het wieltje weer. Door deze kracht ontstaat er een kracht van het boutje op het wieltje (pijl 2) en dus een stuikspanning. Door de kracht op het boutje ontstaat er op elk plaatje een kracht (pijl3) en ook weer een stuikspanning. Door de tegengestelde krachten op het wieltje en de plaatjes ontstaat er op vier plekken in de bout een afschuiving (scheurteken). Door de totale last plus trekkracht ontstaat er een trekspanning in de karabinier.
Spanningsberekeningen Trekspanning karabiner
σ t = F/A
F = 4/3 * Flast = 4 * 400 = 1600 N
A = opp. Doorsnede karabiner = πr2
r = diameter karabiner = 10 mm
A = π*102 = 314,16 mm2
σ t = 1600/314,16 = 5,09 N/mm2
Klimkatrol 5 juni 2013
4
In fig. … is het vooraanzicht van het katrol getekend. De buitenste plaatjes dragen beide de helft van
de kracht op 1 wieltje. Het middelste plaatje draagt twee keer zoveel omdat deze tussen twee
wieltjes in zit.
Berekenen van stuikspanning op platen
Stuik op buitenste plaatjes
σ s = F/d*t
F = 400 N
d = diameter boutje = 6 mm
t = dikte plaatje = 3 mm
σ s = 400/3*6 = 22 N/mm2
Stuik op middelste plaatje
σ s = F/d*t
F = 800 N
d = diameter boutje = 6 mm
t = dikte plaatje = 3 mm
σ s = 800/3*6 = 44,44 N/mm2
Klimkatrol 5 juni 2013
5
Berekenen van afschuiving op bout (op 4 plaatsen)
De afschuiving op de bout is op alle vier de plaatsen gelijk.
τ = F/A
F = 400N
A= opp. Boutje = π32 =28,27 mm2 τ = 400/28,27= 14,15 N/mm2
Berekenen van stuik op wieltjes
σ s = F/d*t
F = 800 N
d = diameter boutje = 6 mm
t = dikte wieltje = 12 mm
σ s = 400/12*6 = 11,11 N/mm2
Klimkatrol 5 juni 2013
6
Discussie
Vloeigrens Vloeigrens voor RVS 316 = 275 N/mm2
Vloeigrens voor aluminium = 400 N/mm2 Maximale trekspanning op karabiner = 5,09 N/mm2 Maximale afschuiving op RVS bout = 14,15N/mm2
Maximale stuik op Aluminium plaatjes = 44,44 N/mm2 Maximale stuik op RVS = 11,11 N/mm2 De vloeigrens van het materiaal ligt ver boven de maximale spanningen die optreden binnen het katrol. Het materiaal is dus sterk genoeg en zal niet plastisch vervormen.
Simulatie In de bijlage vindt u een rapport van de krachtensimulatie in SolidWorks. De berekeningen door SolidWorks komen overeen met de handmatige berkeningen.
Klimkatrol 5 juni 2013
7
Literatuurlijst
http://klimwinkel.nl/catalog/pulley-compact-p-154.html
http://www.bever.nl/petzl-katrol-fixe-3i52xx0001?id_colour=5806
Klimkatrol 5 juni 2013
8
Bijlagen
- Tekenpakket Solid Works
- Rapport krachtensimulatie
- Formuleblad
Klimkatrol 5 juni 2013
11
Simulation of Katrol Date: donderdag 20 juni 2013 Designer: Solidworks Study name: Study 2 Analysis type: Static
Table of Contents Description 11
Assumptions 12
Model Information 12
Study Properties 14
Units 14
Material Properties 15
Loads and Fixtures 16
Connector Definitions 16
Contact Information 17
Mesh Information 18
Sensor Details 19
Resultant Forces 19
Beams 19
Study Results 20
Conclusion 22
Description No Data
Klimkatrol 5 juni 2013
12
Assumptions
Model Information
Model name: Katrol
Current Configuration: Default
Solid Bodies Document Name and
Reference Treated As Volumetric Properties
Document Path/Date Modified
Imported1
Solid Body
Mass:0.00727781 kg Volume:9.33053e-007 m^3
Density:7800 kg/m^3 Weight:0.0713226 N
C:\Users\Tirza\Documents\Studie\BT-
1\SolidWorks\Katrol\as.sldprt
Jun 20 20:36:00 2013
Imported1
Solid Body
Mass:0.0788891 kg Volume:2.92182e-005 m^3
Density:2700 kg/m^3 Weight:0.773113 N
C:\Users\Tirza\Documents\Studie\BT-
1\SolidWorks\Katrol\behuizing.sldprt
Jun 20 20:36:30 2013
Klimkatrol 5 juni 2013
13
Imported1
Solid Body
Mass:0.137105 kg Volume:1.75776e-005 m^3
Density:7800 kg/m^3 Weight:1.34363 N
C:\Users\Tirza\Documents\Studie\BT-
1\SolidWorks\Katrol\pulley.sldprt
Jun 20 20:37:21 2013
Imported1
Solid Body
Mass:0.137105 kg Volume:1.75776e-005 m^3
Density:7800 kg/m^3 Weight:1.34363 N
C:\Users\Tirza\Documents\Studie\BT-
1\SolidWorks\Katrol\pulley.sldprt
Jun 20 20:37:21 2013
Imported1
Solid Body
Mass:0.111431 kg Volume:1.4286e-005 m^3
Density:7800 kg/m^3 Weight:1.09202 N
C:\Users\Tirza\Documents\Studie\BT-
1\SolidWorks\Katrol\touw.sldprt
Jun 20 20:37:34 2013
Imported1
Solid Body
Mass:0.111431 kg Volume:1.4286e-005 m^3
Density:7800 kg/m^3 Weight:1.09202 N
C:\Users\Tirza\Documents\Studie\BT-
1\SolidWorks\Katrol\touw.sldprt
Jun 20 20:37:34 2013
Klimkatrol 5 juni 2013
14
Study Properties Study name Study 2
Analysis type Static
Mesh type Solid Mesh
Thermal Effect: On
Thermal option Include temperature loads
Zero strain temperature 298 Kelvin
Include fluid pressure effects from SolidWorks Flow Simulation
Off
Solver type FFEPlus
Inplane Effect: Off
Soft Spring: Off
Inertial Relief: Off
Incompatible bonding options Automatic
Large displacement Off
Compute free body forces On
Friction Off
Use Adaptive Method: Off
Result folder SolidWorks document (C:\Users\Tirza\Documents\Studie\BT-1\SolidWorks\Katrol)
Units Unit system: SI (MKS)
Length/Displacement mm
Temperature Kelvin
Angular velocity Rad/sec
Pressure/Stress N/m^2
Klimkatrol 5 juni 2013
15
Material Properties
Model Reference Properties Components
Name: Stainless Steel (ferritic) Model type: Linear Elastic Isotropic
Default failure criterion: Max von Mises Stress Yield strength: 1.72339e+008 N/m^2
Tensile strength: 5.13613e+008 N/m^2 Elastic modulus: 2e+011 N/m^2
Poisson's ratio: 0.28 Mass density: 7800 kg/m^3
Shear modulus: 7.7e+010 N/m^2 Thermal expansion
coefficient: 1.1e-005 /Kelvin
SolidBody 1(Imported1)(as-1), SolidBody 1(Imported1)(pulley-1), SolidBody 1(Imported1)(pulley-2), SolidBody 1(Imported1)(touw-1), SolidBody 1(Imported1)(touw-2)
Curve Data:N/A
Name: 6061 Alloy Model type: Linear Elastic Isotropic
Default failure criterion: Max von Mises Stress Yield strength: 5.51485e+007 N/m^2
Tensile strength: 1.24084e+008 N/m^2 Elastic modulus: 6.9e+010 N/m^2
Poisson's ratio: 0.33 Mass density: 2700 kg/m^3
Shear modulus: 2.6e+010 N/m^2 Thermal expansion
coefficient: 2.4e-005 /Kelvin
SolidBody 1(Imported1)(behuizing-1)
Curve Data:N/A
Klimkatrol 5 juni 2013
16
Loads and Fixtures
Fixture name Fixture Image Fixture Details
Fixed-1
Entities: 1 face(s) Type: Fixed Geometry
Resultant Forces Components X Y Z Resultant
Reaction force(N) 0.0524048 1593.35 -0.0713956 1593.35
Reaction Moment(N-m) 0 0 0 0
Load name Load Image Load Details
Gravity-1
Reference: Top Plane Values: 0 0 -9.81
Units: SI
Force-1
Entities: 4 face(s) Type: Apply normal force
Value: -400 N
Connector Definitions No Data
Klimkatrol 5 juni 2013
17
Contact Information
Contact Contact Image Contact Properties
Component Contact-20
Type: Bonded Components: 1 component(s),
1 Solid Body (s) Options: Incompatible
mesh
Component Contact-21
Type: Bonded Components: 1 component(s),
1 Solid Body (s) Options: Incompatible
mesh
Component Contact-22
Type: Bonded Components: 1 component(s),
1 Solid Body (s) Options: Incompatible
mesh
Component Contact-23
Type: Bonded Components: 2 Solid Body (s)
Options: Incompatible mesh
Component Contact-24
Type: Bonded Components: 2 Solid Body (s)
Options: Incompatible mesh
Klimkatrol 5 juni 2013
18
Mesh Information Mesh type Solid Mesh
Mesher Used: Curvature based mesh
Jacobian points 4 Points
Maximum element size 0 mm
Minimum element size 0 mm
Mesh Quality High
Remesh failed parts with incompatible mesh Off
Mesh Information - Details
Total Nodes 17859
Total Elements 9219
Maximum Aspect Ratio 15.485
% of elements with Aspect Ratio < 3 92.5
% of elements with Aspect Ratio > 10 0.0108
% of distorted elements(Jacobian) 0
Time to complete mesh(hh;mm;ss): 00:00:05
Computer name: TIRZZZIE
Klimkatrol 5 juni 2013
19
Sensor Details No Data
Resultant Forces
Reaction Forces Selection set Units Sum X Sum Y Sum Z Resultant
Entire Model N 0.0524048 1593.35 -0.0713956 1593.35
Reaction Moments Selection set Units Sum X Sum Y Sum Z Resultant
Entire Model N-m 0 0 0 0
Beams No Data
Klimkatrol 5 juni 2013
20
Study Results
Name Type Min Max
Stress1 VON: von Mises Stress 0.0353842 N/mm^2 (MPa) Node: 571
36.1053 N/mm^2 (MPa) Node: 7467
Katrol-Study 2-Stress-Stress1
Name Type Min Max
Displacement1 URES: Resultant Displacement 0 mm Node: 558
0.00604235 mm Node: 14546
Klimkatrol 5 juni 2013
21
Katrol-Study 2-Displacement-Displacement1
Name Type Min Max
Strain1 ESTRN: Equivalent Strain 6.79413e-007 Element: 6085
0.000221962 Element: 2223
Katrol-Study 2-Strain-Strain1