BOLTED

Foorumi ruuvilukituksen optimoinnista

Washers reduce costs in propeller assembly

During the worst shipping crisis in history, Mecklenburger Metallguss reinvented the ship propeller to help the world’s largest container ships sail through the storm.

It’s late in the evening and heavily loaded lorries escorted by police cars, blue lights flashing, move through the sleepy town of Waren, north-eastern Germany. Yet the residents of the quaint little houses aren’t worried; they know it’s just another ship propeller about to leave town. Waren, with some 20,000 inhabitants, is home to Mecklenburger Metallguss GmbH (MMG) – a world leader in the design and production of propellers for large container ships. One of its crea-tions, a 131-ton, huge six-blade propeller for Maersk, holds the world record for the largest ship propeller.

It’s a tricky transport challenge. Hamburg, Germany’s largest sea-port, is more than 200 kilometres away and stopping on the autobahn is time-consuming for the convoy of long and heavy vehicles. Some years ago, a whole A-road, along with two railway tracks, had to be moved as the company grew and propeller transports kept jamming the traffic. So, what is an XXL ship supplier like MMG doing this far from the sea?

“We started manufacturing propellers 70 years ago, as the area was a Soviet occupation zone and the East German ship building industry had to be rebuilt after the war,” explains Jörn Klüss, Head of Design and Construction at MMG and a Waren native. “Back then, ship propellers were a lot smaller. Today, the know-how in the region is what makes us stay.”

CARGO CAPACITY has grown 1,200 percent over the past 40 years. Fifteen years ago, ships moved 5,000 TEU (twenty foot equivalent unit, a standard 6.1-metre shipping container). Today, ultra-large container ships load 22,000 TEU.

However, container demand collapsed during the financial crisis in 2009, and orders for new propellers stopped. “What saved us was our  ‘Retrofit’ programme,” says Klüss, “a new generation of propellers that optimises efficiency in old ships.”

UNTIL THEN, propellers were built for ships operating at the highest possible speed. After the crisis, ships started slow steaming with engines running below capacity to cut fuel consumption. Ships that used to cross the oceans at 25 knots (46.3 km/h) slowed down to 18 knots (33.3 km/h) or less.  “The slower an engine runs, the larger you can go on the propeller,” explains Klüss. “By analysing individual operating profiles, we adapt the number of blades and the diameter to determine the most efficient individual propeller.”

The company also analysed the propeller cap – the part of the propeller behind the blades that protects the steel components of the propeller shaft from seawater corrosion. It created a new energy saving cap (MMG-escap) with a new fin design that straightens the hub vortex, reducing the required torque and preventing wear on the rudder. These innovations made it possible to increase efficiency by up to 10 percent, sav-ing roughly EUR 200,000 for an Asia-Europe voyage.

MANY SHIPPING COMPANIES showed interest in upgrading old propellers with the MMG-escap, which alone increases propulsion system efficiency by up to 3 percent. Conventionally, propeller caps are fitted to the propeller with bolts secured by a chemical locking adhesive. But this requires the ship to dock for at least three days, incurring docking fees of about USD 15,000 per day, plus the cost of removing the ship from its sailing schedule. “We started thinking about attaching the new cap underwater, using divers,” says Klüss. “But that excludes the use of adhesives, which need oxygen to harden. That is how we found out about wedge-locking washers and the inventor of this technology – Nord-Lock.”

HOWEVER, the strictly regulated shipping industry relies on classification societies to ensure safety at sea and define technical standards for ship construction and operation. A ship cannot operate without classification, as it won’t get insurance or freight orders. The Nord-Lock washers hadn’t been tested and approved for use with the special copper alloy used in the propeller cap, so a certification that the washers efficiently secured the propeller cap was urgently needed. Every ship building country has its own classification organisation, and MMG works with all of them. In this case, they contacted DNV GL, one of the largest.

“If the shipping company and classification society agree, you may implement an application and perform a subsequent verification,” explains Klüss. “The Nord-Lock washers already had multiple certifications and DNV GL was motivated to test for another one due to our innovative steel-copper alloy combination.”

THE FIRST UNDERWATER ASSEMBLY of a propeller cap with Nord-Lock washers was carried out in 2014 on a large European container ship. Three divers only needed 1.5 days to do it during regular port time and without docking fees – a success. MMG, DNV GL and Nord-Lock met in September 2016. Less than a year later, the washers had been tested and approved.
“The shipping industry is very conservative,” says Klüss. “But we’ve convinced them of the diver solution’s merits, and Nord-Lock is now our new standard for all bolted joint applications.”

FACTS:
CUSTOMER:  Mecklenburger Metallguss GmbH.
END CUSTOMERS: Shipping companies across the globe, ship yards mainly in Asia.
LOCATION: Waren (Müritz) in Mecklenburg-Vorpommern, Germany.
APPLICATION: Securing a ship propeller cap with Nord-Lock washers instead of adhesives.
NORD-LOCK GROUP SOLUTION: SMO washers for stainless steel bolts.

BENEFITS GAINED:
■ Excellent locking reliability.
■ Reduction of assembly errors thanks to ease of use.
■ Possibility to fix the propeller cap to an existing propeller under water.

“There’s no stock, no waste, and it can be done locally”

26 kesäkuu 2018
Kommentti

Teksti: Richard Orange

Kuva: Simon Van Boxtel

Since its launch in 2013, Dutch 3D printing start-up 3D Hubs has produced over a million parts, making it the world leader in distributed manufacturing. Chief Marketing Officer Filemon Schöffer explains the concept.

What is the thinking behind 3D Hubs?
“The current value chain in which goods are manufactured produces a lot of waste. Many products have been produced in very high amounts for economies of scale, but roughly one third never get sold. What distributed manufacturing can bring is ‘on-demand manufacturing’, so goods are only produced the moment they’re sold. There’s no stock, no waste, and it can be done locally.

“3D printing is a new manufacturing technology, and in that it’s doing really well. The scepticism is based on the consumer market, where few people see anything happening. So that would be my message: it’s in the manufacturing sector.”

So, what benefits does 3D printing bring to manufacturing?
“For injection moulding, the most common process used for manufacturing in China, you need to build a mould first, and that means that there are a lot of up-front costs. Without moulds, 3D printing is very price competitive for small-batch production. It’s also on-demand, so if you upload a file now, we can start producing instantly. And because it’s additive, you can do highly complex geometries.”

Are there any specific industries or applications that benefit?
“3D printing is completely conquering the prototyping market. Then industries that need small-batch production of highly complex geometries, such as prosthetics, hearing aids and dental implants. There are already a lot of commercial aircraft with 3D printed parts in them. Replacement parts are also a very large business, which really leverages the on-demand aspect of 3D printing.”

What are the benefits for the fastener industry?
That’s an interesting case actually. As fasteners, almost by definition, are standardised parts, they are typically not suitable for 3D printing – simply not price competitive. However, in a wider context, from a value chain perspective – 3D printing can offer a lot in terms of replacement parts and ‘ondemand’ turn-around. Especially in the technical service branch, we see 3D printing used
a lot for these benefits, even for standardised parts. This is where I would see fasteners of any kind benefit as well.

FACTS: FILEMON SCHÖFFER
TITLE: Chief Marketing Officer, 3D Hubs, Amsterdam, The Netherlands.
AGE: 32.
BACKGROUND: I’m an industrial design engineer and physicist, so I know a lot about manufacturing, but I’ve always worked in ads and creative campaigning.
LIVES: Near the 3D Hubs office among the start-ups, galleries and hip bars of Amsterdam’s trendy Westerpark district.
PASSION: AFC Ajax.
INTERESTING FACT: Filemon’s ancestor Peter worked with Gutenberg in the 15th century. “3D printing has a lot of potential to localise manufacturing of lots of things, it distributes both skill and know-how, and I think that’s comparable to what the printing press did.”

► Video: Watch how Superbolt uses 3D printing in their research and development

Safe and effective wind turbine maintenance

NEARLY TWO YEARS AGO, US company All Energy Management (AEM) began developing retrofits and training com-panies that service a fleet of 1,000 wind turbines in the UK, the US, Canada and Italy.

When embarking on repair work, it was found that the pins attaching the turbine blades to the rotor were wearing prematurely, along with the rotor holes. Line boring and welding when up on the turbine tower was not possible due to weight and space constraints. The only solution was to replace the rotor and pins, which took roughly 10 working days and cost USD 15,000.

Subsequently, AEM began discussions with Expander about developing a solution that would increase speed, improve efficiency and maintenance safety, and ultimately reduce costs. AEM developed a system to bore the holes out before installing the pins to ensure a reliable connection. Sets of three pivot pins and three different oversized sleeve options were supplied by Expander, which fitted perfectly into the holes depending on the degree of wear.

Fewer parts meant faster and simpler installation, while the Expander System also provided a perfect fit into the borehole, eliminating further movement causing wear. AEM has now been using the solution for over a year and is delighted with the results. “Instead of taking three days with four workers onsite to repair a turbine, it now takes us less than a day with only two workers required,” says Ian Sleger, Operations Manager. “The guys at Expander are really accommodating and the solution has freed us up to concentrate on other matters.”

Uusi numero Bolted- lehdestä on nyt julkaistu!

Bolted- lehden kevät 2018 numero on nyt saatavilla! Kuten aina ennenkin, lehtemme sisältää mielenkiintoisia tapauksia ja katsauksia ruuviliitosten maailmasta.

Tässä Bolted- lehden numerossa käymme tarkemmin läpi, mitä perinteisten ruuviliitosten valmistusprosessissa tapahtuu- raakateräksestä räätälöityihin sovelluksiin.

Kysymme asiantuntija Filemon Schöfferiltä 3D-tulostuksen potentiaalista ja tapaamme Saksalaisen ”MMG” yrityksen, joka johtaa kansainvälisesti isojen rahtialusten propellien valmistusta.

Ja tietenkin paljon muuta.

Bolted- lehti on nyt saatavilla 9:llä eri kielellä- Lue heti:
Englanti
Saksa
Ranska
Ruotsi
Suomi
Japani
Kiina
Korea
Espanja

Haluatko saada maksuttoman Bolted-lehtesi? Tilaa tästä nyt!

Tärkeitä vinkkejä ruuviasiantuntijalta

14 maaliskuu 2018
Kommentti

Teksti: Keisuke Okada

Boltedilla oli ainutlaatuinen tilaisuus tavata Japanin johtava ruuviasiatuntija, tohtori Tomotsugu Sakai. Hänen kirjaansa Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications pidetään edelleen ruuvikiinnityksen pääteoksena.

Ensimmäinen julkaisu: Bolted #1 2017.


Miten määrität ihanteellisen kiinnityksen, jota käsittelit myös kirjassasi?

”Ihanteellinen kiinnitys pitäisi tehdä mieluummin hyvin saatavissa olevilla, standardisoiduilla kiinnittimillä kuin erikoismuotoilluilla osilla. Tärkeämpää on kuitenkin, että ihanteellinen kiinnitys varmistaa ruuviliitoksen niin, että se ei petä. Koko tuotesuunnittelu menettää merkityksensä, jos liitos pettää edes yhden ainoan kerran. Kaikki näkökulmat on otettava huomioon. Minun mielestäni tärkeintä on suunnittelu, jossa ei jätetä mitään huomioimatta.”

Onko voiteluaineiden käyttö ruuviliitoksissa eduksi?
”On, kitkakertoimen pienentäminen on suotuisaa kaikessa, mikäli kiinnitetyt kappaleet eivät liu’u toisiaan vasten. Jos kiinnitetyt kappaleet ovat ’löystyttävässä ympäristössä’, ne todennäköisesti löystyvät, jos kitkakerroin on pieni, mutta löystymistä ei välttämättä tapahdu.

Ne ovat ’löystyttävässä ympäristössä’, jos ne jatkuvasti liukuvat toisiaan vasten voimalla, joka ylittää tietyn kynnysarvon.”

Miten leikkaussuuntaan, aksiaaliseen suuntaan ja kiertosuuntaan vaikuttavat ulkoiset voimat aiheuttavat liukumista?
”Jos ulkoinen voima vaikuttaa leikkaussuunnassa, se aiheuttaa liukumista. Jos se vaikuttaa aksiaalisessa suunnassa, kiinnitetyt kappaleet irtoavat toisistaan – erotus. Näissä olosuhteissa, kitkakerrointa pienennettäessä, löystyminen on todennäköistä.

Kirjassani Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications tarkastelin liukumista perinteisellä tavalla kuvaten kiinnitettyjen kappaleiden liukumista kontaktipinnalla – niin kutsuttua makro-liukumista. Voit tarkastella sitä omin silmin, sillä tämäntyyppisen liukumisen tarvitsee olla vain 0,1 mm, jotta sen voi havaita silmin. Noin 1988 todettiin, että ennen makro-liukumista tapahtuu näkymätöntä ’mikro-liukumista’ aiheuttaen kiertoliikettä, joka on niin pientä, että sitä ei voida havaita paljain silmin, tapahtui se löystymisen suuntaan tai ei. Tämä ilmiö, ’mikro-liukuminen’, pienentää vähitellen aksiaalista voimaa. Aiheesta kerrottiin Journal of the Japan Society for Precision Engineering -lehden artikkelissa.”

”Kun kiinnitetyt kappaleet ovat yhteydessä toisiinsa, perinteiset kokeet eivät voi mitata liukumisen määrää kontaktipinnan tietyillä alueilla tai muilla alueilla. Mutta nämä arvot voidaan laskea käyttäen elementtimenetelmää (FEM). Kiinnitinteollisuudessa sitä on käytetty noin vuodesta 2000 lähtien, ja nykyään sitä käytetään useimmissa kierteitettyjen kiinnittimien tutkimuksissa. Tohtori Satoshi Izumin ja muiden 2006 julkaisemassa artikkelissa kerrottiin, että vaiheittainen kiertoliikkeen aiheuttama löystyminen aiheutti enemmän mikro-liukumista (näkymätöntä vähäistä liukumista) kuin makro-liukumista (selvää, näkyvää liukumista). Olin kauhuissani, kun luin ensimmäistä kertaa artikkelin, jossa sanottiin, että mikro-liukumista tapahtuu useasti. Se aiheuttaa vähäistä löystymistä, joka on niin pientä kuin 1 aste per 1000 kertaa tai 1/1000 aste joka kerta. Silmä ei pysty havaitsemaan 1/1000-asteen kiertoliikettä.

Elementtimenetelmällä sitä voi tutkia hyvin, ja mikro-liukuminen aiheuttaa todistettavasti löystymistä. Minusta tuntui kuin olisin ahtaalla! [Naurua] Tulokset heilauttivat radikaalisti oppia liukumisen kriittisestä määrästä.

Olin ajatellut, että mikro-liukuminen aiheuttaisi luonnollisesti värähtelykulumista, mutta en ajatellun sen aiheuttavan rotaatiomaista löystymistä. Minulla ei ollut mahdollisuutta testata sitä silloin. Se oli silmiä avaava kokemus.”

TIEDOT: Mikro-liukuminen
Liukuminen, jota ei näe paljain silmin. Pienentää asteittain puristusvoimaa ja voi lopulta aiheuttaa näkyvän rotaatiomaisen löystymisen (makro-liukumisen). Materiaalin painumat ja relaksaatio voivat myös pienentää puristusvoimaa. Nord-Lock Group on kehittänyt X-sarjan aluslevyjä, jotka huomioivat molemmantyyppisen liukumisen. Ne estävät puristusvoiman häviämisen jousivaikutuksella, kun taas kiilavaikutus estää ruuvin spontaanisen löystymisen.

TIEDOT: Tohtori Tomotsugu Sakai

  • 1941 – syntyi Okazakissa, Japanissa.
  • 1979 – työskenteli Toyota Motor Corporationissa, minkä jälkeen hän suoritti insinööritieteiden tohtorintutkinnon tarkastellen pääasiassa eri autonosien lujuus- ja kestävyystestejä, tutkimusta ja kehitystä.
  • 2001 – siirtyi Toyota Techno Service Corporationiin ja työskenteli kierteitettyjen kiinnittimien opetustyön ja teknisen neuvonnan parissa.
  • 2007 – jäi eläkkeelle ja perusti Sakai Consulting Office on Bolted Joint Engineering -yrityksen, jossa hän edelleen tarjoaa ruuviliitoksia koskevaa opetusta ja neuvontaa.

Aluslevyt varmistavat kolminkertaisesti radioaktiiviset kuljetukset

23 helmikuu 2018
Kommentti

Teksti: Ulrich Schamari

Kuva: KUVAT: Daher Nuclear Technologies

Ensimmäinen julkaisu: Bolted #2 2017.

HAASTE

Hanaussa Saksassa, lähellä Frankfurtia toimiva Daher Nuclear Technologies GmbH kehittää säiliöitä radioaktiivisten aineiden kuljetukseen. Näiden säiliöiden täytyy tietenkin olla äärimmäisen turvallisia.

Yritys on uuden uraaniheksafluoridin kuljetuksiin tarkoitetun säiliön suunnittelussa noudattanut erittäin tiukkoja kansainvälisiä ja kansallisia vaatimuksia sisältäen Kansainvälisen atomienergiajärjestön (IAEA) tie-, rautatie- ja merikuljetuksista antamat suositukset. Nämä vaatimukset täyttävän säiliön täytyy esimerkiksi kestää mekaanista ja lämpökuormitusta, jota voi esiintyä onnettomuustapauksissa.

Nämä mekaaniset onnettomuuskuormitukset määritetään testijaksossa, johon kuuluvat putoaminen 120 senttimetrin korkeudesta, 9 metrin korkeudesta sekä pudotus 1 metrin korkeudesta piikkiin. Säiliön täytyy pysyä tiiviinä, niin että seuraava lämpötesti, tulipalo, ei vaaranna säiliön turvallisuutta.

RATKAISU

Daher suunnitteli säiliön lukot niin, että lukkopultit eivät missään tapauksessa löysty tai irtoa säiliötä kuorma-autoon lastattaessa tai kuljetuksen aikana. Yritys haki optimaalista ratkaisua intensiivisesti, mikä johdatti sen Nord-Lockin aluslevyihin mallia NL16-254SMO. Nämä turvalliset aluslevyt ovat tärkeä komponentti Daherin kolminkertaisesti suojatussa lukitusjärjestelmässä: lukko varmistetaan pultilla, joka lukitaan paikoilleen toisella pultilla. Nord-Lockin lukitusaluslevyt ovat toisen pultin alapuolella. Jokaisessa säiliössä on kuusi lukkoa, ja jokaisessa lukossa on Nord-Lockin aluslevypari.

TULOS

Nord-Lockin lukitusaluslevyjen ansiosta Daherin atomiteollisuudelle tarkoitettujen kuljetussäiliöiden lukitusjärjestelmät eivät voi kulua tärinöiden tai kuormituksen vuoksi, vaan pysyvät kiinni tiukasti ja varmasti. Daher oli myös tyytyväinen tajuttuaan, kuinka kustannustehokkaita Nord-Lockin tuotteet ovat ja kuinka helposti huolto hoituu. Tarvittaessa lukitusaluslevyt voidaan vaihtaa milloin tahansa varmistamaan, että kuljetussäiliöt pysyvät erinomaisessa kunnossa. Säiliöiden elinikä on yli 30 vuotta – ja niin myös Nord-Lockin aluslevyjen.

Asiantuntijat: Improving fatigue resistance

Ensimmäinen julkaisu: Bolted #2 2015.

K:  Miten väsymislujuutta parannetaan?
V: Ruuviliitoksen väsymiskapasiteetti on hyvin pieni verrattuna sen staattiseen kapasiteettiin. Väsymiskestävyyden parantamiseksi suunnittelijat voivat suurentaa kierteen kapasiteettia ja pienentää kierteisiin vaikuttavaa vaihtosuuntaista kuormitusta.

Kierteen kapasiteetin parantamiseksi on suositeltavaa käyttää valssattua kierrettä leikatun kierteen sijaan. Ruuviliitoksen kapasiteettia voidaan parantaa käyttämällä useampaa pientä kiinnitintä yhden ison kiinnittimen sijaan.

Kapasiteettia voidaan tehostaa myös käyttämällä parannettua liitintä, kuten Superbolt MJT:tä (monipulttista kiinnitintä) tai Flexnutia, joka jakaa kuorman paremmin kierteisiin ja antaa elastisuutta ruuviliitokseen.

Paras tapa parantaa väsymislujuutta on pienentää vaihtelevaa jännitystä kierteissä. Sen voi tehdä kolmella tavalla: liitoksen suunnittelu, liitoksen kiristys ja liitoksen turvallisuus.

Liitoksen muotoiluprosessi antaa mahdollisuuden parantaa kuorman jakautumista ruuviliitokseen ja pienentää ulkoisen kuormituksen tasoa jokaisessa liitoksessa. Se saadaan aikaan näin:

1. Käytä mahdollisimman suurta esijännitystä.
2. Pienennä ruuvin ja kuorman välistä epäkeskisyyttä.
3. Käytä mahdollisimman suuria kontaktipintoja.
4. Käytä mahdollisimman suurta kiinnityspituutta.
5. Käytä useimmissa tapauksissa esijännitystä, joka on suurempi kuin käyttökuormitus.

Muut muotoilumahdollisuudet käsittävät sovitepultit tai -ruuvit ja joustavat aluslevyt, jotka estävät relaksaatiota, virumista ja lämpökuorman aiheuttamaa venymää.

Liitoksen kiristyksessä täytyy saavuttaa tarvittava esijännitys vaihtelevan jännityksen pienentämiseksi. Tarkasti toimivien kalibroitujen työkalujen käyttö on suositeltavaa. On myös suositeltavaa käyttää kunnollista voiteluainetta hyvän esijännityksen saavuttamiseksi ja kiinnileikkautumisen estämiseksi. Sopivalla kiinnitysjärjestyksellä voidaan pienentää epätasaisesti kuormitettujen ruuvien riskiä ja varmistaa, että ruuviliitos on tiukka kaikkialla.

Liitoksen turvallisuuden kannalta on suositeltavaa varmistaa ruuviliitos esijännityksen häviämistä vastaan. Lisäksi liitos tulee varmistaa ympäristovaikutuksia vastaan, kuten korroosiota, joka voi aiheuttaa väsymismurtumaa. Sen voi tehdä valitsemalla osiiin ja kiinnittimiin sopivat materiaalit ja/tai pinnoitteet.

Kysy asiantuntijoilta
Onko sinulla ruuvilukitusta koskeva kysymys?
Testaa, mitä Nord-Lockin asiantuntijat osaavat.
Lähetä ruuvilukitusta koskevat kysymyksesi sähköpostitse osoitteeseen
experts@nord-lock.com

How do you choose the right size of Nord-Lock washer?

 

In this video we explain how you choose the right size of washer for your bolted joints.

► Read more: Introduction to Nord-Lock washers

► Video: Junker vibration test with Nord-Lock wedge-locking washers