Klimkatrol
5 juni 2013
5-6-2013
HHS
KLIMKATROL
Tirza Lagrand – 12007730 Ilse Speelman – 12024767
Ontwerpproces klimkatrol
Klimkatrol
5 juni 2013
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
1
Klimkatrol
5 juni 2013
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
2
Klimkatrol
5 juni 2013
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. 3
Klimkatrol
5 juni 2013
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
4
Klimkatrol
5 juni 2013
Pakket van Eisen & Wensen Tabel 1 Pakket van Eisen
Eis nummer 1. 2. 3. 4.
Beschrijving van de eis Maximale belasting (Flast) is 1200 N. Maximale trekkracht (Fhand) is 400 N.
5.
De RVS 316 bout moet een diameter van 6 mm hebben. Het RVS 316 wieltje moet een buitendiameter van 50 mm en een dikte van 12 mm hebben. De aluminium plaatjes moeten een dikte van 3 mm hebben.
6. 7. 8. 9. 10.
De karabiner moet een trekspanning van 5,09 N/mm2 aan kunnen. Het middelste plaatje moet een stuikspanning van 44,44 N/mm2 aan kunnen. De buitenste plaatjes moeten een stuikspanning van 22 N/mm2 aan kunnen. De bout moet een afschuiving van 14,15 N/mm2 aan kunnen. De bout moet een stuikspanning van 11,11 N/mm2 aan kunnen.
Tabel 2 Pakket van Wensen
Wens nummer 1. 2.
Beschrijving van de wens Het takelsysteem mag geen scherpe delen bevatten De wieltjes van het katrol moeten soepel draaien
5
Klimkatrol
5 juni 2013
Ontwerpfase Ontwerpschetsen van de krachtvergroter In figuur .. wordt een overzichtstekening gegeven van het totale systeem.
Materiaalkeuze Bout
Plaatjes
Materiaal: RVS 316
Materiaal: Aluminium
Vloeigrens = 0,2 = 275 N/mm2
Vloeigrens = 200 tot 600 N/mm2
afmetingen: lengte = 33 mm
Afmetingen: dikte plaatje = 3 mm
diameter = 6 mm Touw
Wieltjes
Materiaal: nylon
Materiaal: RVS 316
Afmetingen: diameter = 10 mm
Afmetingen: dikte = 12 mm (gleuf = 10 mm)
Lengte = 50 m
buitendiameter = 50 mm
Impact : 8,9 kN
6
Klimkatrol
5 juni 2013
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.
1
Klimkatrol
5 juni 2013
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.
2
Klimkatrol
5 juni 2013
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
3
Klimkatrol
5 juni 2013
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
4
Klimkatrol
5 juni 2013
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
5
Klimkatrol
5 juni 2013
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.
6
Klimkatrol
5 juni 2013
Literatuurlijst http://klimwinkel.nl/catalog/pulley-compact-p-154.html http://www.bever.nl/petzl-katrol-fixe-3i52xx0001?id_colour=5806
7
Klimkatrol
5 juni 2013
Bijlagen - Tekenpakket Solid Works - Rapport krachtensimulatie - Formuleblad
8
Klimkatrol
5 juni 2013
9
Klimkatrol
5 juni 2013
10
Klimkatrol
5 juni 2013
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
Description
Material Properties
15
No Data
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
11
Klimkatrol
5 juni 2013
Assumptions
Model Information
Model name: Katrol Current Configuration: Default
Solid Bodies Document Name and Reference Imported1
Treated As
Solid Body
Volumetric Properties
Document Path/Date Modified
Mass:0.00727781 kg Volume:9.33053e-007 m^3 Density:7800 kg/m^3 Weight:0.0713226 N
C:\Users\Tirza\Documents Studie\BT1\SolidWorks\Katrol\as.sl prt Jun 20 20:36:00 2013
Mass:0.0788891 kg Volume:2.92182e-005 m^3 Density:2700 kg/m^3 Weight:0.773113 N
C:\Users\Tirza\Documents Studie\BT1\SolidWorks\Katrol\behu zing.sldprt Jun 20 20:36:30 2013
Imported1
Solid Body
12
Klimkatrol
5 juni 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\BT1\SolidWorks\Katrol\pulle .sldprt Jun 20 20:37:21 2013
Mass:0.137105 kg Volume:1.75776e-005 m^3 Density:7800 kg/m^3 Weight:1.34363 N
C:\Users\Tirza\Documents Studie\BT1\SolidWorks\Katrol\pulle .sldprt Jun 20 20:37:21 2013
Mass:0.111431 kg Volume:1.4286e-005 m^3 Density:7800 kg/m^3 Weight:1.09202 N
C:\Users\Tirza\Documents Studie\BT1\SolidWorks\Katrol\touw sldprt Jun 20 20:37:34 2013
Mass:0.111431 kg Volume:1.4286e-005 m^3 Density:7800 kg/m^3 Weight:1.09202 N
C:\Users\Tirza\Documents Studie\BT1\SolidWorks\Katrol\touw sldprt Jun 20 20:37:34 2013
Imported1
Solid Body
Imported1
Solid Body
Imported1
Solid Body
13
Klimkatrol
5 juni 2013
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 Solver type
Off
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\BT1\SolidWorks\Katrol)
FFEPlus
Units Unit system:
SI (MKS)
Length/Displacement
mm
Temperature
Kelvin
Angular velocity
Rad/sec
Pressure/Stress
N/m^2
14
Klimkatrol
5 juni 2013
Material Properties Model Reference
Properties
Components
Name: Model type: Default failure criterion: Yield strength: Tensile strength: Elastic modulus: Poisson's ratio: Mass density: Shear modulus: Thermal expansion coefficient:
Stainless Steel (ferritic) Linear Elastic Isotropic Max von Mises Stress 1.72339e+008 N/m^2 5.13613e+008 N/m^2 2e+011 N/m^2 0.28 7800 kg/m^3 7.7e+010 N/m^2 1.1e-005 /Kelvin
SolidBody 1(Imported1)(as-1 SolidBody 1(Imported1)(pulle 1), SolidBody 1(Imported1)(pulle 2), SolidBody 1(Imported1)(touw 1), SolidBody 1(Imported1)(touw 2)
Name: Model type: Default failure criterion: Yield strength: Tensile strength: Elastic modulus: Poisson's ratio: Mass density: Shear modulus: Thermal expansion coefficient:
6061 Alloy Linear Elastic Isotropic Max von Mises Stress 5.51485e+007 N/m^2 1.24084e+008 N/m^2 6.9e+010 N/m^2 0.33 2700 kg/m^3 2.6e+010 N/m^2 2.4e-005 /Kelvin
SolidBody 1(Imported1)(behuizing-1)
Curve Data:N/A
Curve Data:N/A
15
Klimkatrol
5 juni 2013
Loads and Fixtures Fixture name
Fixture Image
Fixture Details Entities: Type:
1 face(s) Fixed Geometry
Fixed-1
Resultant Forces Components Reaction force(N) Reaction Moment(N-m)
Load name
X 0.0524048 0
Load Image
Y 1593.35 0
Z -0.0713956 0
Resultant 1593.35 0
Load Details Reference: Values: Units:
Top Plane 0 0 -9.81 SI
Gravity-1
Entities: Type: Value:
4 face(s) Apply normal force -400 N
Force-1
Connector Definitions No Data
16
Klimkatrol
5 juni 2013
Contact Information Contact
Contact Image
Component Contact-20
Contact Properties 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
Type: Bonded Components: 2 Solid Body (s) Options: Incompatible mesh Component Contact-23
Type: Bonded Components: 2 Solid Body (s) Options: Incompatible mesh Component Contact-24
17
Klimkatrol
5 juni 2013
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
18
Klimkatrol
5 juni 2013
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
19
Klimkatrol
5 juni 2013
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
20
Klimkatrol
5 juni 2013
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
21
Klimkatrol
5 juni 2013
Name
Type
Displacement1{1}
Deformed Shape
Katrol-Study 2-Displacement-Displacement1{1}
Conclusion
22
