UIT Norges arktiske universitet, Narvik
Automatisk fortøyningssystem
Oppdragsgiver – Statens vegvesen Bjørn Eirik A. Nilssen
Fredrik Moe
Bacheloroppgave i ingeniørfag - Juni 2016 IHP 1601
Gradert 2 år
OPPGAVETEKST
Tittel: Automatisk fortøyningssystem Dato: 02.06.2016 Gradering: 2 år Forfattere:
Bjørn Eirik A. Nilssen Fredrik Moe
Antall sider inkludert f forside: 65
Vedlegg: 12 Enhet:
Avdeling for teknologi Programområde:
Industriell teknologi Studieretning:
Maskin
Veileder: Øyvind Søraas, Avdeling for teknologi UIT avd. Narvik Oppdragsgiver: Statens vegvesen, Region nord
Oppdragsgiver kontaktperson: Kenneth Alsos, Ressursavdelingen
Stikkord:
Prosjektstyring
Automatisk fortøyningssystem Vakuum
Hydraulikk Automasjon/PLS
Styrkeberegninger konstruksjon 3-dimensjonal design
Beregning av skipsdeplasement Miljø
Reduksjon drivstoff-kostnader Statens vegvesen
FORORD
På siste semester på bachelorutdanningen ved UIT Norges Arktiske Universitetet i Narvik skal studentene gjennomføre et prosjekt og skrive en bacheloroppgave. Prosjektgruppene defineres av studentene selv, og det er forventet om lag 600 timer med arbeid for hver student.
Studentene står fritt til å velge og definere oppgavene, men det anbefales at studentene tar kontakt med bedrifter og selskaper for tildeling av oppgave. Bacheloroppgaven skal løses som prosjekt-arbeid, inkludert forprosjekt-rapport, og to statusrapporter med fremlegg. Prosjektet avsluttes med innlevering og fremlegg av prosjektrapport.
Etter et møte med Statens vegvesen fikk vi bestilling på en oppgave som omhandlet et automatisk fortøyningssystem til et spesifikt riksvegsamband i Nordland fylke, Bognes - Skarberget.
I hovedsak har prosjektarbeidet gått ut på datainnsamling og analyse av liknende systemer som eksisterer i dag. Funnene våre viser at det finnes flere forskjellige konsepter for automatiske fortøyningssystemer. Vi har på bakgrunn av våre funn tatt en beslutning for hvilket konsept vi mener er mest hensiktsmessig til oppdragsgivers formål. Det valgte konseptet er i dette prosjektet videreutviklet og presentert i denne prosjektrapporten.
Prosjektgruppen vil gjerne takke:
Kenneth Alsos ved Bru- og ferjekaiseksjonen, Statens vegvesen - Region nord. (Fagkontakt) Øyvind Søraas ved Institutt for teknologi, UiT avd. Narvik. (Veileder)
Erlend Bjørk, Høgskolelærer, UIT avd. Narvik. (Instruktør Autodesk Inventor) Narvik 02.06.2016
__________________________ __________________________
Fredrik Moe Bjørn Eirik Angell Nilssen
SAMMENDRAG
Arbeidet beskrevet i denne rapporten har foregått siden januar 2016, og er et samarbeid mellom Statens vegvesen og studenter ved UIT Norges Arktiske Universitet i Narvik.
Rapporten beskriver hvordan prosjektgruppen har kommet frem til et konsept til et automatisk fortøyningsanlegg som baserer seg på vakuum. Det er også fremmet et forslag til hvordan dette kan monteres, og tas i bruk, på Bognes ferjekai.
Bakgrunnen for oppgaven er at det vurderes implementert null- og lavutslippsteknologi i ferjedriften i Nordland. Dette er et politisk fokusområde for myndighetene. For at innføring av ny teknologi skal la seg gjøre, må man komme bort fra gjeldende praksis med at ferjen ligger trykkende mot kaia ved hjelp av egen maskinkraft. Dette kan løses ved montasje av et fortøyningssystem.
Konsept-systemet som prosjektgruppen har kommet frem til tillater ferjen å kople seg til systemet omlag 80 cm fra støtte-kai/fendervegg, og 65 cm fra kjørebruen der biler kjører av.
Dette representerer en mulig reduksjon av risiko for kollisjon mellom ferjen og støtte-kai. I tillegg forventes det at fortøyningssystemet kan bidra til mindre utvasking av fyllmasse under bru-kar. Dette skyldes at det blir mindre propellstrøm mot kaia ved ferjeanløp.
Oppgaven tar for seg beregning av nødvendige kapasiteter på hydraulikk- og vakuumsystem, samt en 3-dimensjonal simulering av fortøyningssystemets konstruksjon med en gitt last. Det er også beregnet hvilket moment som kan forventes at ferjen påfører fortøyningssystemet.
ABSTRACT
This report describes work that has durated since January 2016, as a collaboration between The Norwegian Public Roads Administration - Region north, and students at UIT Norway's Arctic University in Narvik. The goal of the work has been to find a good concept of an automated mooring system for use at ferry terminals.
This report describes how the project participants has come up with a concept to an automatic mooring system, by the use of vacuum-principles. A suggestion on mounting method at Bognes ferry terminal has also been presented.
Background for this thesis is that norwegian officials is considering implementation of green- and more environmental technology in the public transportation sector, ferries beeing one of them. By mounting an automatic mooring system, it is possible to reduce the use of propellors when unloading cars and trucks from the ferry-deck.
The presented mooring concept in this thesis allows the ferry to hook on to the system about 80 cm from the support-key, and 65 cm from the unloading ramp. This is expected to reduce collision-risk, and at the same time reduce that structural support washes away because of propellor thrust.
This thesis include calculations of necessary capacity in both hydraulic- and vacuum systems, in addition to a structural simulation in regards to constructural behavior when specific forces are applied. Forces applied in this case means external momentum from the ferries, in various weather conditions.
INNHOLDSFORTEGNELSE
OPPGAVETEKST ... I FORORD ... II SAMMENDRAG ... III ABSTRACT ... IV VEDLEGG ... VII FIGURLISTE ... VII TABELLOVERSIKT ... VIII ORDLISTE ... IX
1. INNLEDNING ... 1
1.1 Bakgrunn ... 1
1.2 Problemstilling ... 2
1.3 Effektmål og resultatmål ... 2
1.3.1 Effektmål ... 2
1.3.2 Resultatmål ... 2
1.4 Begrensninger ... 3
1.5 Organisering ... 4
1.6 Om oppdragsgiver ... 4
2. METODE ... 5
2.1 Datainnsamling ... 5
2.2 Eksisterende løsninger ... 6
2.3 Valg av konsept for videreutvikling ... 10
2.4 Befaring på fergekai ... 11
3. TEORI ... 13
3.1 Reduksjon av drivstoffkostnader ... 13
3.2 Design ... 14
3.3 Konstruksjonen ... 14
3.4 Materialer ... 15
3.5 Korrosjon ... 17
3.5.1 Korrosjonsvern ... 18
3.6 Teorigrunnlag for beregninger ... 19
3.6.1 Trafikklaster som virker på fortøyningssystemet ... 19
3.6.2 Dimensjonerende støtlast ... 22
3.7 Styringssystemer ... 22
3.7.1 Hydraulikk ... 22
3.7.2 Vakuum ... 23
3.7.3 Elektrisk system og automatisering ... 24
4. RESULTATMODELL ... 25
4.1 Design ... 25
4.1.1 Funksjonsbeskrivelse ... 26
4.1.2 Hentemekanismen ... 27
4.1.3 Sugekoppen ... 27
4.1.4 Rammeverk ... 28
4.2 Konstruksjonen ... 29
4.2.1 Valg av ståltype ... 29
4.2.2 Styrkeberegning konstruksjon ... 30
4.2.3 Styrkeberegninger sugekopp ... 32
4.3 Hydraulikksystemets oppbygning ... 33
4.3.1 Nøkkeldata for komponentkapasitet i hydraulikksystemet ... 35
4.4 Vakuumsystemets oppbygning ... 38
4.4.1 Nøkkeldata for komponentkapasitet i vakuumsystemet ... 39
4.5 Automatisering og elektronikk ... 44
4.5.1 Bruk av Human Machine Interface mellom ferje og ferjekai - oppsett ... 45
4.5.2 Forriglingssensor på holdekraft ... 47
5. PROSJEKTADMINISTRASJON ... 48
5.1 Fremdriftsplan ... 48
5.2 Milepæler ... 49
5.3 Fremdrift etter plan ... 50
5.3.1 Grafisk fremstilling av prosjektets totale fremgang i prosjektperioden ... 50
6. DISKUSJON ... 51
7. KONKLUSJON ... 53
LITTERATURLISTE ... 54
VEDLEGG
V.1 ... Besparelse ved montasje V.2 ... Møteprotokoll V.3 ... Beregninger hydraulikk V.4 ... Beregninger vakuum V.5 ... Von Mises Stress-rapport Autodesk Inventor - Hentemekanismen V.6 ... Von Mises Stress-rapport Autodesk Inventor - Sugekoppen V.7 ... Måltegning sugekopp V.8 ... Måltegning hentemekanisme V.9 ... Måltegning kairamme V.10 ... Refleksjonsnotat Bjørn Eirik A. Nilssen V.11 ... Refleksjonsnotat Fredrik Moe V.12 ...Timebudsjett og timeregnskap
FIGURLISTE
Figur 1 - Mekanisk gripearm ... 7
Figur 2 - Vakuumfortøyning ... 8
Figur 3 - Magnetisk fortøyning ... 9
Figur 4 – Fra befaring Bognes ferjekai ... 11
Figur 5 - Grovskisse 1 etter befaring – Montasjeforslag av skinnesystem ... 12
Figur 6 - Grovskisse 2 etter befaring – Montasjeforslag for skinnesystem ... 12
Figur 7 - Design ... 25
Figur 8 – Syklusbeskrivelse ... 26
Figur 9 - Hentemekanismen m/sugekopp ... 27
Figur 10 - Sugekopp ... 27
Figur 11 - Rammeverk og komponenthus ... 28
Figur 12 - Rammeverk på kai ... 28
Figur 13 - Nedbøyning konstruksjon og Von Mises Stress ... 31
Figur 14 - Nedbøyning og Von Mises Stress ... 33
Figur 15 - Teknisk tegning hydraulikkanlegget ... 34
Figur 16 - Teknisk tegning vakuumsystem ... 38
Figur 17 - Atmosfærisk trykk på sugekopp ... 39
Figur 18 - Rotary Vane Vakuumpumpe ... 41
Figur 19 – Væskeringspumpe ... 42
Figur 20 - Dry Claw vakuumpumpe ... 43
Figur 21 - Konseptskisse PLS ... 46
Figur 22 S-Kurve ... 50
Figur 23 - Forslag til montasje på Bognes ferjekai ... 53
TABELLOVERSIKT
Tabell 1 - Valg av konsept ... 10
Tabell 2 - Valg av materiale ... 17
Tabell 3 - Valg av korrosjonsvern ... 18
Tabell 4 - Fysiske egenskaper designferje ... 19
Tabell 5 - Anløpshastighet til kai ... 20
Tabell 6 - Dimensjonerende laster etter ferjestørrelse ... 22
Tabell 7 - Mekaniske egenskaper S355J2 ... 29
Tabell 8 - Materialsammensetning S355J2 ... 29
Tabell 9 - Last på konstruksjonen ... 30
Tabell 10 - Oppsummering resultat konstruksjon ... 31
Tabell 11 - Last sugekopp ... 32
Tabell 12 - Oppsummering resultat sugekopp ... 32
Tabell 13 - Komponentoversik hydraulikkanlegget ... 35
Tabell 14 - Sylinder 1 (høydejustering) ... 36
Tabell 15 - Sylinder 2 og 3 (hentemekanismen) ... 36
Tabell 16 - Hydraulikkpumpe ... 37
Tabell 17 - Akkumulator ... 37
Tabell 18 - Komponentbeskrivelse vakuumsystem ... 39
Tabell 19 - Nøkkeldata for sugekoppen ... 40
Tabell 20 - Valg av vakuumpumpe ... 44
ORDLISTE
Ord Forklaring
Akter Betegner den bakre delen på et skip Back-up Er en tilleggssikkerhet
Baug Betegner den fremre delen på et skip Brukergrensesnitt
Et grensesnittet som gjør at en bruker kan kommunisere med maskiner
Dataassistert Bruken av datamaskiner for å styre maskiner Dynamisk Krefter i bevegelse
E-modul Materiales motstandsevne mot elastisk deformasjon Fenderlister En list på utsiden av ferjen
Ferjeleie En plass ferjen legger til for av- og påkjøring av kjøretøy Flottør-sensor Indikerer nivået til havet
Forrigling En metode å forebygge uønskede tilstander i en maskin
HMI Et dataprogram som sender informasjon til bruker om status til en prosess
Hybrider Et fartøy som benytter seg av batteri og drivstoff Implementering Iverksette, realisere
ISO - 12944 Dokumentasjon på korrosjonsvern Kavitasjon
Kjennetegnes med dannelsen av gassbobler. Her: danner bobler som reduserer tettheten i vann
kNm Måling av moment – Kilo Newton Meter
Korrosjon Det generelle navnet på fenomenet oksidasjon av metaller Kraftkomponent Kraft som virker vinkelrett på et legemes bevegelsesretning
Kurvaturer Krumning
Materialtretthet En tilstand der et material har fått endrede egenskaper
Midtskips Midt på skipet
NORSOK 501 S1 og S7 Norsk standard for korrosjonsbeskyttelse
Personbilenheter (PBE) Fast definisjon om hvor mye areal 1 bil opptar på dekk Respondenter En som besvarer et spørsmål
Ro/Ro Ride on/Ride off
Standby Ventemodus
Statisk Stillestpende
Stresstest En test for å evalurere styrken i et materiale
Styringssystemer Systemer som samhandler og styrer konstruksjonen Vickers Brinell´s metode En testmetode for å måle hardheten på ulike stållegeringer Von Mises stress Hensyntar 6 forskjellige deformasjonsretninger ved analyse
1. INNLEDNING
1.1 Bakgrunn
Statens vegvesen, Region nord vurderer implementering av ny teknologi ved enkelte ferjestrekninger i Nordland. Teknologien inkluderer overgang til lav- og nullutslipp i ferjedriften i Nordland. I stor grad handler dette om elektrisk fremdrift, som ladbare hybrider, eller ren batteridrift. Før teknologien kan tas i bruk må det tilrettelegges på
ferjekaiene. Dette innebærer blant annet at det skal etableres et fortøyningssystem som sikrer en hurtig prosess for snuoperasjon på ferjeleiene, samtidig som en eventuell ladeprosess skal ivaretas. Dette krever at ferjen treffer fendervegg og kjørebru på kaien ved samme punktet hver gang den legger til. En tradisjonell snuoperasjon for en ferje innebærer at ferja legger til i ferjeleiet og ligger trykkende mot kaia ved hjelp av propelldrift. Dette krever mye drivstoff, og skaper en del virvelstrøm og moment som sliter på infrastrukturen. Den største
utfordringen er likevel at det ved innføring av batteridrift ikke vil være kapasitet nok i batteribanken ombord i ferja til at den kan brukes som holdekraft mot kaia. Det er da behov for et uavhengig system som ikke forbruker denne kapasiteten. I den forbindelse har
Ressursavdelingen ved Statens vegvesen, Region nord bestilt en utredning av hvilke muligheter som eksisterer, eller kan la seg gjennomføre på en standard fendervegg/ferjekai når det kommer til automatiske fortøyningssystemer.
For å redusere risiko er det ønskelig at fortøyningssystemet henter ferja et stykke fra kai, og drar inn til ønsket posisjon. På den måten reduseres sjansen for skader på kai, samt at man ved ankomst i stor grad hindrer utvasking av masser under kai-fundamentet.
På grunn av sterk konkurranse i anbudssammenheng i samferdselssektoren i Norge gjøres oppmerksom på at innholdet i denne prosjektrapporten er gradert etter oppdragsgivers ønske.
1.2 Problemstilling
Prosjektets problemstilling er å finne en god løsning for automatisk fortøyning av ferjemateriell på Bognes ferjekai. Fortøyningssystemet skal legge til rette for hurtig snuoperasjon, drivstoffbesparelse, og tilrettelegge for innføring av null- og
lavutslippsteknologi i sambandet Bognes-Skarberget.
1.3 Effektmål og resultatmål
1.3.1 Effektmål
Prosjektets hovedmål er å finne en god løsning for automatisk fortøyning av
ferjemateriell i ved Bognes ferjekai i Nordland fylke. Fortøyningssystemet skal bidra til redusert risiko for skader på kai og ferjemateriell. Reduksjon i drivstoffkostnader for dagens ruteproduksjon skal belyses.
1.3.2 Resultatmål
Dette prosjektets resultatmål er på bakgrunn av tilegnet kunnskap, via teknologiske studier ved UIT avd. Narvik, å finne den optimale løsningen for vår oppdragsgiver i henhold til bestillingen.
Prosjektet er gjennomført med et tidsforbruk på omlag 1000 timer fordelt på begge prosjektdeltakerne. Budsjettert tid var ved prosjektstart 1200 timer fordelt på begge prosjektdeltakerne.
1.4 Begrensninger
Prosjektet begrenser seg til å utarbeide et konsept som kan brukes til automatisk fortøyning av ferjemateriell på Bognes ferjekai. Kai-konstruksjonen består av fendervegg som hviler på stålsøyler som er perlet ned i havbunnen, og således godt egnet til ettermontering av et fortøyningssystem.
Oppgaven tar ikke for seg styrkeberegning og eventuell forsterkning av eksisterende konstruksjon ved Bognes ferjekai i forbindelse med montasje av fortøyningssystemet. Fra oppdragsgivers side har det blitt påpekt at systemet skal være tilrettelagt for rullering av ferjemateriell, og dermed sikre en forutsigbar trafikkavvikling ved for eksempel driftsstans på hovedfartøy for ruteproduksjon i sambandet. Det er på den bakgrunn bestemt at kjente
faktorer angående holdekraft og forskyvningskraft skal benyttes. Nevnte krefter oppgis til veiledende å være henholdsvis 200kN vinkelrett holdekraft, og 100kN sideveis holdekraft.
Dette samsvarer med liknende automatiske fortøyningssystemer som benytter seg av vakuum for holdekraft.
Det skal heller ikke tas hensyn til konstruksjon av ladestasjon, dette på grunn av oppgavens størrelse og kompleksitet. Oppgaven søker ikke å finne kostnader for fortøyningssystemet, dets komponenter, eller montering.
Prosjektgruppen skal utvikle konseptet tilknyttet arm- og holdemekanisme, herunder tilhørende hydraulikk- og vakuum-systemer. For å begrense omfanget av oppgaven, er
beregninger vedrørende hydraulikk- og vakuum begrenset til å gjelde hovedkomponentene for respektive systemer. Forslag til samspill mellom styringssystemer og brukergrensesnitt er overflatisk beskrevet i rapporten.
1.5 Organisering
1.6 Om oppdragsgiver
Statens vegvesen er en offentlig etat som planlegger, bygger, drifter og vedlikeholder riks- og fylkesveger i Norge. Dette inkluderer styring av den maritime delen av veien,
ferjesambandene. I tillegg har Statens vegvesen ansvaret for førerprøver, og tilsyn av kjøretøy og trafikanter. Dette inkluderer arbeid med Trygg trafikk. Det er omlag 7000 ansatte i Statens vegvesen. Etaten består av Vegdirektoratet og fem regioner. Dette er Region øst, Region Sør, Region vest, Region midt og vår oppdragsgiver Region nord. Statens vegvesen er en statlig etat, og er underlagt Samferdselsdepartementet. I spørsmål som omhandler fylkesveger er Regionvegkontorene underlagt fylkeskommunene. (Statens vegvesen, 2016)
Statens vegvesen (Oppdragsgiver)
Fredrik Moe (Prosjektleder)
Bjørn Eirik A.
Nilssen
(Prosjektdeltaker) Kenneth Alsos
Statens vegvesen (Veileder)
Øyvind Søraas UIT avd. Narvik
(Veileder)
2. METODE
I dette kapittelet beskrives hvordan prosjektgruppen har løst problemstillingen med hensyn til metode.
”Metode defineres som veien til målet”
(Kvale & Brinkmann, 2009, s. 99)
Undersøkelser kan være enten kvalitative eller kvantitative. Kvalitativ tilnærming benyttes når det ønskes en dypere forståelse for et emne. Dette kan for eksempel være gjennom dybdeintervjuer, eller en dypere teoretisk gjennomgang av et emne. Kvantitativ metode benyttes når målet er at en skal nå flest mulig respondenter, for eksempel gjennom spørreundersøkelser.
Problemstillingen vår er å finne en god løsning for automatisk fortøyning av ferjemateriell ved Bognes ferjekai. Vår tilnærming til problemstillingen har vært gjennom kvalitativ metode. Vi har foretatt et teoretisk studium som i stor grad baserer seg på kjent teori og praksis. Vi har studert ulike eksisterende løsninger for å tilegne oss nødvendig kunnskap om hvordan et automatisk fortøyningssystem fungerer. Prosjektgruppen har også utført befaring ved Bognes ferjekai. Befaringen har vært nødvendig for å vurdere ulike metoder for
innfesting av det automatiske fortøyningssystemet på eksisterende ferjekai.
2.1 Datainnsamling
Når prosjektgruppen diskuterte hvordan man skulle tilegne seg den nødvendige kunnskapen for å løse oppgaven, ble det bestemt at en skulle ta lærdom av andre produsenters løsninger for automatiske fortøyningssystemer. Datainnsamlingsfasen har derfor i store trekk gått ut på å finne ulike automatiske fortøyningssystemer. Dette har vært gjennomført ved hjelp av internett-søk, og direkte kontakt med produsenter som vi vet produserer og tilbyr liknende systemer.
2.2 Eksisterende løsninger
I datainnsamlingsfasen begynte prosjektgruppen å lete etter eksisterende fortøyninger i overenstemmelse med kriteriene fra oppdragsgiver. Gruppen hadde hørt om forskjellige systemer på markedet, men satt ikke med dyptgående kunnskap vedrørende disse løsningene.
Derfor måtte gruppen lete opp systemer, og sette seg inn i deres funksjonalitet og bruksområder. Under denne søkeprosessen er det i hovedsak benyttet internett som informasjonskilde. Dette er en enkel og effektiv måte å innhente informasjon på. I
søkeprosessen har vi hovedsakelig benyttet oss av norsk og engelsk språk, det er derfor mulig at noen konsepter har blitt oversett. Prosjektgruppen er likevel overbevist om at alternativene som er presentert i denne rapporten er gode, solide og godt utprøvde systemer.
Datainnsamlingen vår viser at det finnes tre typer med funksjonelle automatiske fortøyningssystemer på markedet, mest utbredt er:
• Sugekopp
• Magnet
• Gripearm
Analyse av de forskjellige systemene viser at ikke alle er egnet til den bruken som oppdragsgiver har spesifisert.
2.2.1 Gripearm-fortøyning
Grip-based automooring, eller gripearmsfortøyning er en enkel men solid konstruksjon. Ved første øyekast ligner den veldig på koblingen mellom en bil og tilhenger. Prinsippet er det samme, men utformingen av løsningen er noe forskjellig. Fortøyningen er en mekanisk stål- arm med en tykk ring med et hull montert på enden. På skutesiden er det laget et feste.
Figur 1 - Mekanisk gripearm (TTS Group, 2015)
Når ferjen legger til kai vil den mekaniske armen gå ut fra kaien og hekte seg festet som er montert på båten. Båten vil så bli trukket mot kaikanten, og vil være ferdig fortøyd når båten treffer fenderveggen. Dette er en fortøyning som, etter vår oppfatning, ikke egner seg veldig godt i Nord-Norge, dette skyldes store variasjoner med hensyn til tidevann. Gruppen valgte derfor å se bort fra denne typen fortøyning.
2.2.2 Vakuum-fortøyning
Sugekopper brukes mye i industrien i dag til løft- og holdefunksjoner. Blant annet brukes det ved konstruksjon av skyskrapere til løft av for eksempel vindu og plater som ikke har noen kroker eller naturlige løftepunkt. Sugekopper brukes også flittig i produksjonslinjer verden rundt, blant annet i bilindustrien.
En skuteside på en ferje er som ofte meget rett og fin, med unntak av fenderlister, eller andre
Slike systemer har en eller annen form for mekanisk arm, med sugekopp montert på enden.
Armen strekker seg ut mot båtens skuteside, og sugekoppen suger seg fast.
Inne i sugekoppen skapes et undertrykk, og sugekoppen vil sitte fast mot skutesiden. En stor fordel med et slikt system er at så lenge undertrykket i sugekoppen eksisterer vil holdekraften opprettholdes. Systemet kan dermed tilpasses slik at det ikke brukes energi under hele
”driftsperioden”.
Figur 2 - Vakuumfortøyning (TTS Group, 2015)
2.2.3 Magnetisk fortøyning
Rent prinsipielt fungerer magnet på lik linje som vakuum ved at den plasseres mot skuteside for å holde fast. Den fungerer slik at det skapes et magnetfelt rundt seg og dermed griper fast i skutesiden. Magneten vil være avhengige av et skrog som består av et magnetisk metall for å kunne etablere holdekraft.
Det er usikkerhet knyttet til hvordan magnetfeltet påvirker ferjemateriellet, og dermed det som befinner seg ombord.
En magnet vil også forbruke mye energi under hele driftsperioden, spesielt startstrøm, og vil være mer kostbart fra et driftsperspektiv. Magneten vil i tillegg kreve en likespenningskilde.
Figur 3 - Magnetisk fortøyning (Mampaey Corp, 2014)
2.3 Valg av konsept for videreutvikling
Etter informasjonsinnhentingen avholdt gruppen flere møter, hvor de forskjellige systemene ble diskutert og analysert. Prosjektgruppen har løst oppgaven med å velge konsept for videreutvikling ved å identifisere 6 systemkrav, og deretter rangert hvert konsept opp mot de ulike kravene. Systemkravene har sitt opphav i oppdragsgivers bestilling. Hvert systemkrav er rangert fra 1-5, der 5 representerer høyeste verdi. Resultatet er presentert i tabell 1.
Tabell 1 - Valg av konsept
Kundekrav Gripearm Vakuum Magnet
Rekkevidde 5 4 4
Tidevann og
lastkondisjon 2 5 3
Sideforskyvning 1 3 2
Energiforbruk 5 3 1
Tidsbesparende 5 5 5
Egnethet
montasje 2 4 4
SUM 20 24 19
Basert på overnevnte ble det i fellesskap bestemt at det skulle arbeides videre for et konseptsystem med vakuum.
2.4 Befaring på fergekai
For å kunne vurdere hvilke montasjemuligheter av det automatiske fortøyningssystemet som eksisterer på Bognes ferjekai har prosjektgruppen gjennomført to befaringer. En
vinterbefaring som ble gjennomført i februar 2016, og en vårbefaring gjennomført i mai.
Figur 4 – Fra befaring Bognes ferjekai
Ut fra observasjoner gjort under befaringene ser vi det som hensiktsmessig å kunne montere et automatisk fortøyningssystem på Bognes ferjekai ved å gjennomføre relativt enkle
modifiseringer. Prosjektgruppen vil benytte seg av stålsøylene når det skal prosjekteres
”kairamme” til fortøyningssystemet. Fra oppdragsgivers side har det blitt påpekt at det ønskes at tilgjengelig areal på kaia ivaretas i størst mulig grad, slik at øvrige oppgaver slik som for eksempel snørydding kan gjennomføres uten konflikt med fortøyningssystemet. Etter
befaringene jobbet prosjektgruppen frem et eksempel, i grovskisse, på hvordan en innfestning av rammeverket til fortøyningssystemet kan implementeres på eksisterende kai-konstruksjon.
Figur 5 - Grovskisse 1 etter befaring – Montasjeforslag av skinnesystem
Figur 6 - Grovskisse 2 etter befaring – Montasjeforslag for skinnesystem
3. TEORI
3.1 Reduksjon av drivstoffkostnader
Normalt sett når en hvilken som helst ferje ankommer en ferjekai, og blir liggende inntil kjørebru- og fendervegg, er propellene i bevegelse. Dette skyldes at ferjen skal ha nødvendig holdekraft mot fenderveggen. Alt etter rute-oppsett betyr dette at en stor del av drivstoff- kostnadene et ferjerederi har, skyldes at ferjen ligger å trykker mot kai, for egen maskin, mens biler kjører av- og kjører på. Innføring av et automatisk fortøyningssystem kan av den grunn i stor grad redusere kostnader forbundet med kai-ligge.
Tar en for seg rute-oppsettet på Bognes-Skarberget vises følgende:
Total tid med ”kai-trykk” pr. døgn: 350 min – 21 min (manøvrering og ”undertrykk- generering”) = 329 min.
Forbruk/time ved ”kai-trykk”: 81,4 ltr/time.
Forbruk marine diesel v/kai = ((350-21)/60)*81,4ltr = 446,34 ltr/dag * 360 dager = 160 683,7 liter/årlig
Det er ikke avgifter på drivstoffet som staten selv forbruker, forutsetter kr. 4/ltr.
Teoretisk besparelse: 160 684ltr * kr. 4,00-/ltr = kr. 642 736,-.
Den teoretiske besparelsen vil utgjøre omlag kr. 650 000,- årlig for et fartøy som bruker 81,4 ltr/time i marine diesel ved ”kai-trykk”. Det gjøres oppmerksom på at dette gjelder kun ved installasjon på Bognes ferjeleie. Besparelsen vil bli vesentlig større om det også skulle vurderes samme oppsett for Skarberget ferjeleie.
Vi takker driftssjef Petter Sundbakk i Torghatten Nord AS for supplering av detaljopplysninger vedrørende forbruk.
Detaljert oppsett av ruteproduksjon og fartøydata finnes i vedlegg 1.
3.2 Design
Gruppens målsetning har vært å designe et system som skaper bevegelse inn mot både fendervegg- og kjørebru/rampe. Etter prosjektgruppens kunnskap eksisterer det ikke et slikt system i dagens marked. Basert på valg av vakuum-fortøyning som konsept jobbet
prosjektgruppen med å utvikle et system bestående av 3 hoveddeler; sugekopp, hentemekanisme, og skinnesystem.
Prosjektgruppen har benyttet seg av Autodesk Inventor til tegning av fortøyningssystemet.
Dette er et dataassistert konstruksjonsprogram (DAK) for 3-dimensjonal tegning og modellering. (Autodesk, 2016)
3.3 Konstruksjonen
En konstruksjon slik som denne er meget utsatt for skader. Først og fremst vil den være utsatt for store fysiske påkjenninger via kontakt med skuteside, særlig ved sugekopp og
leddpunkter, men også ved kontaktpunktet mellom hentemekanisme og skinnesystem.
Sistnevnte grunnet store momentpåkjenninger som følge av armen på hentemekanismen.
Autodesk Inventor tillater brukeren å stress- og styrkeanalysere komplekse konstruksjoner ved simulering av last-påføring. Her er det også mulighet for å spesifisere mekaniske egenskaper for materialer. Autodesk Inventor benytter Von Mises Stress til å kalkulere deformasjon og belastning på en 3-dimensjonal modell. Alt måles opp mot valgte materiales mekaniske egenskaper, og modellen illustrerer tydelig svake punkter og eventuelt passering av materialets elastiske kapasiteter. (Waguespack, 2009)
Denne funksjonen har prosjektgruppen benyttet seg av, og resultatet er beskrevet nærmere i pkt. 4.2.2 – beregninger i kap. 4 - Resultatmodell.
3.4 Materialer
Prosjektgruppen anser metaller som eneste brukbare alternativ til konstruksjonen. Dette begrunnes i at det ikke finnes alternativer til metaller når man kombinerer
konstruksjonsstyrke, økonomi og tilgjengelighet. I tillegg var materialtretthet noe gruppen måtte tenke på, siden konstruksjonen har mange bevegelige deler og stor forflytning av
tyngdepunkt og momentpunkt-belastning. Hovedkravet til materialet er dermed at det skal tåle disse belastningene med god margin.
Prosjektgruppen har valgt ut aluminium og stål som alternative materialer til konstruksjonen.
Følgende kriterier ble lagt til grunn når konstruksjonsmaterialene skulle bestemmes:
• Styrke
• Slagseighet
• Hardhet
• Utmattelse
• Motstandsdyktighet mot korrosjon
• Vekt
Styrke
Når et materials styrke skal vurderes mot et annet materiale, sammenliknes materialenes elastisitetsmodul (E-modul). E-modulen forteller hvor stivt materialet er, eller forholdet mellom fasthet og forlengelse. Benevnelsen måles i Pascal (N/mm^2).
For aluminium ligger E-modulen rundt 70 GPa.
For karbonstål/konstruksjonsstål ligger E-modulen rundt 210 GPa.
Slagseighet
Verken aluminium eller stål har veldig gode egenskaper med hensyn til slagseighet.
Hardhet
For å vurdere hvilke egenskaper materialene innehar i forhold til slitasje- og
formingsegenskaper må hardhet vurderes. Måles ved hjelp av Vickers- eller Brinell`s metode.
I hovedsak går dette ut på å måle arealavtrykk av et legeme inn i materialet etter et gitt trykk på legemet inn mot materialet. (Rosvold, 2015)
Stål har bedre egenskaper når det kommer til hardhet.
Utmattelse
Utmattelse i et materiale er når gjentatte belastninger skaper brudd, dette til tross for at materialet ikke utsettes for belastninger over flytgrensen.
Sammenliknet med aluminium har stål vesentlig bedre egenskaper mot utmattelsesbrudd.
Motstandsdyktighet mot korrosjon
Stål består for det meste av jern. Når jern utsettes for oksygen, dannes det over tid et porøst oksidsjikt, som etterhvert blir til rust. Det vil derfor være essensielt at stålet behandles for å motstå dannelse av dette oksidsjiktet. Aluminium skiller også ut et oksidsjikt, men dette legger seg på overflaten, og blir ikke porøst. Aluminium har derfor vesentlig bedre egenskaper enn stål med hensyn til korrosjon.
Vekt
Stål er omkring tre ganger tyngre enn aluminium, og selv om stål er sterkere enn aluminium ved samme materialvolum, er aluminium vesentlig sterkere fra et vekt/styrke-perspektiv.
Oppsummering av materialkriteriene for stål og aluminium er listet i tabell 2.
Tabell 2 - Valg av materiale
Kriterier Aluminium Stål
Styrke - X
Slagseighet - -
Hardhet - X
Utmattelse - X
Korrosjonsegenskaper X -
Vekt/styrkeperspektiv X -
SUM 2 3
Som tabellen viser falt materialvalget for konstruksjonen på stål.
Stål består i hovedsak av jern, som reagerer kjemisk veldig lett med oksygen. Denne kjemiske reaksjonen danner et oksidsjikt som senere omdannes til rust. I vann og fuktige miljøer går denne reaksjonen enda raskere. Rundt salt- og sjøvann regnes miljøet som spesielt korrosivt.
Dette skyldes at vannet i veldig stor grad leder elektroner- og ioner.
Det er derfor svært viktig at det etableres et godt korrosjonsvern.
3.5 Korrosjon
Korrosjon er en kjemisk reaksjon med utveksling av elektroner og ioner. Det som skjer er en anodisk reaksjon, der jernet(Fe) i stålet mister to elektroner, og dermed blir til et positivt ladet jern-ion som dermed løses opp i sjøvannet.
Den kjemiske formelen for denne anodiske reaksjonen er:
�� → ��%% + 2�(
For at korrosjon skal unngås må den anodiske reaksjonen balanseres ut med en katodisk reaksjon. Slik unngås at konstruksjonen fungerer som anode. Den katodiske reaksjonen binder elektronene fra anoden, og korrosjonen stopper nærmest av seg selv.
Dette forutsetter imidlertid at det er tilstrekkelig tilgang til oksygen. I sjøvann er det som regel tilstrekkelig oksygen i vannet til at en slik reaksjon kan dominere.
Den kjemiske formelen for denne reaksjonen er:
�*+ 2�*� + 4�( → 4��( (Næss, 2009)
3.5.1 Korrosjonsvern
Prosjektgruppen har tatt for seg to aktuelle alternativer til korrosjonsvern. Disse er
varmgalvanisering/varmforsinking og maling med sinkholdig innhold/kaldgalvanisering.
Varmforsinking innebærer å dyppe stål i smeltet sink. Dette skaper et sterkt belegg av jernsinklegering, og man oppnår en veldig ren sink-overflate.
Kaldgalvanisering innebærer å påføre sinkholdig maling.
Siden stål er et edlere metall enn sink, og høyere opp på spenningsrekka, vil galvaniseringen fungere som anode. Stålet er dermed korrosjonsbestandig.
Prosjektgruppen har valgt kaldgalvanisering etter kriteriene opplistet i tabell 3.
Tabell 3 - Valg av korrosjonsvern
Kriterier Varmgalvanisering Kaldgalvanisering
Kostnad X
Påføringstid X
Etterbehandling X X
SUM 1 3
3.6 Teorigrunnlag for beregninger
Ytre krefter som virker på konstruksjonen vil variere etter hvilket fartøy som benytter
ferjekaien. I tillegg vil strøm- og vindforhold, samt bølgepåvirkning være spesielt viktig å ta i betraktning når ytre krefter skal beregnes. Prosjektgruppen har vurdert flere teorier, og diskutert mye rundt hvilken fremgangsmåte som vil gi den korrekte lastpåvirkningen.
Systemet strekke seg ut for å ta i mot skutesiden, som vil gjøre at systemet blir belastet med momentet som følger av blant annet fremdrift og andre ytre krefter som virker på ferjen. Disse kreftene vil trolig overstige den pre-definerte holdekraften i sugekoppen på 200kN vinkelrett, og 100 kN sideveis. Systemet må derfor inneha samme egenskaper som en bufferpute, eller kai-fender, med hensyn til belastning.
3.6.1 Trafikklaster som virker på fortøyningssystemet
For å beregne hvilke krefter som kan absorberes av en fender må det først defineres hvilken fysiske mål den tiltenkte ferjen som trafikkerer sambandet har. I vårt tilfelle er det ikke bestemt hvilken ferje dette blir, og av den grunn måtte prosjektgruppen forutsette fysiske størrelser på fartøyet tilsvarende en typisk fjordferje med kapasitet på 90-100
personbilenheter (PBE).
Tabell 4 - Fysiske egenskaper designferje Dødvekt/
Deplasement
Lengde(L) / Baug-Hekk
Bredde (B) Dyptgang (D) 1000 tonn/2200
tonn
100 meter/85 meter
14 meter 4 meter
Bevegelsesenergien til ferjen ved anløp kan kalkuleres ved hjelp av formelen:
Energi3456ø89:9; = 1
2∗ Masse ∗ Skipsfaktor ∗ Anløpshastighet*
Massen i likningen representerer deplasement, vekten av vannet som skipet fortrenger.
Skipsfaktorer i likningen består av:
• Massefaktoren; Ch
• Eksentrisitetsfaktoren; Ce
• Konfigurasjonsfaktoren; Cc
• Mykhetsfaktoren; Cs
Skipsfaktorer (C) = Ch*Ce*Cc*Cs (Thoresen, 2010)
Anløpshastighet skal settes etter følgende tabell, og etter følgende vær og strømforhold:
Tabell 5 - Anløpshastighet til kai
Anløpsforhold Anbefalt anløpshastighet (PIANC)
Dårlige 0,6-0,4 m/s
Middels 0,45-0,3 m/s
Gode 0,2-0,16 m/s
(Working Group 33 of the Maritime Navigation Commision (PIANC), 2002)
Beregner først skipsfaktorene:
Massefaktoren beregnes etter formelen: Ch = LM%LN∗ON5LM Md = Deplasement
Mh = Hydrodynamiske massen Chr = Reduksjonsvinkel
Etter anbefalinger fra PIANC settes massefaktoren til 1,5. Dette begrunnes i at dybde under kjøl er mer enn dyptgang (D) * 0,5 = 2 meter, samt at anløp skjer langs med kaien.
Eksentrisitetsfaktoren beregner energidissipasjon etter den roterende bevegelsen som oppstår når ferjen treffer den ene sugekoppen, og skutesiden vrir seg inn mot den andre sugekoppen.
Faktoren beregnes etter formelen:
Ce = :P%5P∗Q4RP∗S9;5TURV:WTX(3:)
:P∗5P = *[P%[\*[PP∗[\∗Q4RPP∗][ = 0,998 i = ferjens treghetsradius (0,25 * L)
r = avstand fra kontaktpunkt til ferjens massesenter (0,5 * L) Angrepsvinkel (fi) = Vinkelen mellom angrepsvektoren og r
Etter anbefalinger av PIANC settes eksentrisitetsfaktoren til 1,0 på Ro/Ro-skip og ferjer.
Konfigurasjonsfaktoren bestemmes etter om kaien er åpen, delvis åpen, eller lukket. Om vannmassene kan bevege seg fritt under kaien, som i vårt tilfelle, settes Cc = 1,0.
Mykhetsfaktoren forteller oss om elastisiteten mellom skroget og kaikonstruksjonen. For DWT under 7 000 tonn, skal denne settes til 1,0 etter PIANC.
C = Ch*Ce*Cc*Cs = 1,5 * 1,0 * 1,0 * 1,0 = 1,5.
Setter opp energi-likningen med ”dårligste” anløpshastighet(gir maksimalt moment fra skip) etter tabell 5:
Energi3456ø89:9; = ]*∗ 2200tonn ∗ 1,5 ∗ 0,6* = 594 kNm
Det gjøres oppmerksom på at formelen bygger på faktorer i PIANC-anbefalingen, og får derfor moment (kNm) som benevnelse.
Grov beregning av mengden energi som fortøyningssystemet må absorbere tilsvarer 594 kNm på angrepspunktet. Det vil si at hver sugekopp med sin konstruksjon må evne å absorbere 594
3.6.2 Dimensjonerende støtlast
I henhold til Statens vegvesen Håndbok N400 skal det ved prosjektering av ferjekai dimensjoneres etter det største fartøyet som skal trafikkere sambandet.
For tilleggs-kai/fendervegg skal det dimensjoneres for følgende laster ved gitte kapasiteter med hensyn til PBE på fartøy:
Tabell 6 - Dimensjonerende laster etter ferjestørrelse
Største ferjen som bruker kaien (PBE) Karakteristisk støtlast P (kN)
< 50 500
50 – 100 800
> 100 1 500
*PBE – personbilenhet.
(Statens vegvesen, 2015)
Vår designferje er 90-100 PBE, og derfor må det dimensjoneres etter en karakteristisk støtlast P = 800 kN.
Denne kraften danner grunnlag for vår konstruksjonsberegning i Autodesk Inventor.
3.7 Styringssystemer
Fortøyningssystemet benytter seg av hydraulikk, vakuum, og elektronikk som styringssystemer.
3.7.1 Hydraulikk
I mekaniske sammenhenger assosieres hydraulikk hvor mekanisk energi omformes til hydraulisk energi. Dette innebærer systemer der væskens hovedhensikt er å være energibærende. (Brautaset, 2002)
Hydraulikken har til oppgave å utgjøre kraftkomponenten i fortøyningssystemet.
Fordeler og ulemper med hydraulikk Fordeler:
• Store krefter og små arbeidselementer
• Fjernstyring er enkelt med elektrohydraulikk
• Enkelt å sikre mot overbelastning
• Selvsmørende ved bruk av olje som medium
• Trinnløs regulering av kraft og hastighet
• Lett og automatisere Ulemper:
• Oljesøl kan oppstå
• Tåler lite luft forurensinger og luft i medium
• Varierende viskositet (fra kald til varm olje)
• Støy
(NDLA - Industriskolen, 2014)
Nødvendige kapasiteter vedrørende hydraulikksystemet og dets komponenter er beskrevet i kapittel 4 – Resultatmodell.
3.7.2 Vakuum
For å skape holdekraften mellom skuteside og fortøyning må gruppen benytte seg av et vakuumsystem. Vakuumsystemet fungerer slik at en pumpe sørger for å skape en forskjell mellom atmosfærisk trykk på utsiden og trykket fordelt på arealet inne i sugekoppen. En tettemembran langs sugekoppens ytterkant sørger for at undertrykket kan holdes konstant mot skuteside. Atmosfærisk trykk kommer av luftens tyngde, og det tilsvarer normalt 101,3 kPa ved havoverflaten. (Harstveit, 2009)
For å oppnå holdekraft i en sugekopp må det skapes et undertrykk som er lavere enn atmosfærisk trykk, dette kalles for differensialtrykk.
Hvor stor holdekraften skal være avhenger av sugekoppens areal, og hvor stort differensialtrykket er. Økes differensialtrykket, øker også holdekraften.
Nødvendige kapasiteter vedrørende vakuumsystemet og dets komponenter er beskrevet i kapittel 4 – Resultatmodell.
3.7.3 Elektrisk system og automatisering
Det elektriske systemet består av hovedstrøm og signalstrøm/styrestrøm. Hovedstrømmen skal forsyne alle elektriske komponenter i fortøyningssystemet. Signalstrømmen brukes sammen med et PLS-oppsett til styring av ventiler, pumpe og liknende. I tillegg vil
signalstrømmen formidle signaler fra ulike følere og sensorer i systemet. Fortøyningssystemet skal styres trådløst fra ferjen ved hjelp av en Human Machine Interface (HMI), slik praksisen er i dag vedrørende heve/senk av ferjebru.
4. RESULTATMODELL
I dette kapittelet presenteres prosjektgruppens forslag til fortøyningssystem, med nødvendige beregninger vedrørende konstruksjonen og tilhørende styringssystemer.
4.1 Design
Under designutviklingen grovskisserte prosjektgruppen flere alternativer til system. Det var likevel enighet om at hydraulikk måtte være den kraftgivende komponenten, og at
konstruksjonen for øvrig måtte kunne tåle det momentet som blir påført. Dette førte til at gruppen støtte på utfordringer med hensyn til systemets rekkevidde, og det har derfor blitt gjennomført flere revisjoner med hensyn til design. Til slutt falt beslutningen på en sakse- konstruksjon, i kombinasjon med hydraulikk og vakuum som styringssystemer.
Figur 7 - Design
4.1.1 Funksjonsbeskrivelse
For å oppnå en retningsstabil og sikker forbindelse, består fortøyningssystemet av to
sugekopp-konstruksjoner, en konstruksjon som treffer ferjen mellom midtskips og baug, og en konstruksjon som treffer ferjen mellom midtskips og akter. Det er nødvendig med to separate konstruksjoner i fortøyningssystemet om det skal klare å dra hele ferjen inn mot kjørebru og fendervegg i en og samme bevegelse. Selv om hele fortøyningssystemet består av to konstruksjoner, må hver konstruksjon likevel tåle en teoretisk støtlast på P=800kN, da det antas at ferjen nødvendigvis ikke vil treffe begge punkter samtidig under ankomst. Designet tillater ferjen å feste seg til fortøyningssystemet om lag 80 cm fra fendervegg og 65 cm fra kjørebru.
En dokking/fortøyning illustreres i bildesammensetningen nedenfor. Til høyre er systemet i mottaksposisjon. Prosjektgruppen foreslår også montering av en automatisk mothake når systemet er i ”inne-posisjon” (ses på venstre side). Dette kan redusere spenning på ledd- og hydrauliske sylindre.
Figur 8 – Syklusbeskrivelse
Prosjektgruppens designmodell er tre-delt, og består av;
• Hentemekanismen
• Sugekoppen
• Rammeverk
4.1.2 Hentemekanismen
Figur 9 - Hentemekanismen m/sugekopp Hentemekanismen har en lengde tilsvarende 1644 mm i utstrakt posisjon, dette er inkludert sugekoppen. Tilsvarende i inn-posisjon er 890 mm. Konstruksjonen består av et rammeverk i stålkvaliteten S355J2. Kraften til å kjøre systemet inn- og ut mot skuteside gis av to kraftige hydrauliske sylindre. For å sikre en stabil holdeposisjon i fortøyd tilstand, er det designet to støtputer som støtte. Hele hentemekanismen er fastholdt til det kai-monterte
rammeverket/skinnesystemet med fire 100 mm gjennomgangsbolter.
4.1.3 Sugekoppen
Figur 10 - Sugekopp
Sugekoppen måler et hulrom tilsvarende 1400mm x 1620mm. Ytre mål utgjør 1700mm x 1920 mm. Den er forsterket i bakkant for å takle undertrykket, samt for å evne å ta imot støtlast fra skuteside.
4.1.4 Rammeverk
Figur 11 - Rammeverk og komponenthus
I tillegg til å støtte opp fastmontert skinnesystem på ferjekai, skal rammeverket fungere som hus til styringssystemene. Det foreslås at hele rammeverket kles i passende materiale.
Figur 12 - Rammeverk på kai
4.2 Konstruksjonen
4.2.1 Valg av ståltype
Det er i hovedsak tre typer konstruksjonsstål som her kan benyttes. Dette er NS (Normal strenght), HS (High Strenght), og EHS (Extra High Strenght).
(Alto University - School of Engineering, 2015)
Det som vil være avgjørende er krav til strekkfasthet, flytgrense, og tøyegrad.
For å begrense oppgavens størrelse har prosjektgruppen fulgt anbefalinger for
stålkonstruksjoner i Statens vegvesen sin håndbok N400. Stål med normalverdi skal ha
flytgrense på 355MPa eller bedre. Konstruksjonen er derfor styrkeberegnet med stålkvaliteten S355J2 etter NS-EN 10025-2, ulegert konstruksjonsstål. E-modulen tilsvarer ca. 210-220 GPa (kN/mm^2).
Tabell 7 - Mekaniske egenskaper S355J2
Stål Flytegrense Strekkfasthet Slagseighet
S355J2 ReH
(N/mm^2)
Rm (N/mm^2)
KV(J) T(°C)
355 470-630 27 -20
(Norsk Stål, 2014)
Den kjemiske sammensetningen vises i tabellen nedenfor. Angitt i prosentandel (%) Tabell 8 - Materialsammensetning S355J2
Ståltype Karbon Silicium Mangan Fosfor Svovel Nitrogen Kopper
S355J2 0,2 0,55 1,6 0,025 0,025 - 0,55
(MEAD Info, 2015)
Hovedstoffet, Jern, utgjør dermed ca. 97% av S355J2.
Som nevnt reagerer jern kjemisk veldig lett med oksygen, spesielt i et korrosivt miljø som i dette tilfellet. Prosjektgruppen anbefaler bruk av sinkholdig maling som
korrosjonsbeskyttelse, for eksempel et produkt fra Zingametall Corp - Zinga. Produktet er en substitutt til varmgalvanisering, med minst like gode egenskaper og holdbarhet. Det som fattet gruppens interesse med Zinga er at produktet regnes som både aktiv katodisk beskyttelse, i tillegg til passiv beskyttelse. Aktiv fordi produktet oppnår tilnærmet like god renhet og sinkinnhold som ved varmgalvanisering, og passivt fordi produktet skaper et oksidskikt slik som aluminium og rustfritt stål gjør. Zinga tilfredsstiller de strengeste krav til holdbarhet, og følger NORSOK 501, system 1 og 7. I tillegg tilfredsstiller produktet kravene i ISO12944.
(Zinga Norway AS, 2011)
4.2.2 Styrkeberegning konstruksjon
Konstruksjonen og sugekoppen er hver for seg stresstestet i Autodesk Inventor. Alle
materialer er satt til nedre verdier med hensyn til mekaniske egenskaper, dette som en ekstra sikkerhet. For å være sikre på at konstruksjon har egenskaper som takler dimensjonerende laster, er konstruksjonen testet som statisk med en punktlast på P = 800kN. Dette til tross for at det i virkeligheten vil være en dynamisk bevegelse når ferjen legger til. Utdrag fra generert rapport i Autodesk Inventor ses i tabell 9 og 10.
Tabell 9 - Last på konstruksjonen
Tabell 10 - Oppsummering resultat konstruksjon
Som kan leses av tabell 10 er maks nedbøyning om lag 1 mm. Nedbøyningen skjer i
festebraketten til sugekoppen. Forventet konstruksjonsmessig materialbelastning, Von Mises Stress (ekvivalent-stress), er 264,1MPa. 1st Principal Stress viser maks belastning i forhold til flyt, og tilsvarer her 313,4MPa. Konklusjon av simuleringen viser at konstruksjonen vil tåle en støtlast på P = 800kN med valgt materiale S355J2. Da utgjør sikkerhetsfaktoren mot flyt om lag 1,3. Hele test-rapporten vises i vedlegg 5.
Figur 13 - Nedbøyning konstruksjon og Von Mises Stress
4.2.3 Styrkeberegninger sugekopp
Sugekoppen er styrkeberegnet ut fra samme forutsetninger som konstruksjon, det vil si en støtlast på P = 800 kN. Det forutsettes at sugekoppen ikke har rukket å opparbeide holdekraft mot skuteside når støtet inntreffer. Utdrag fra generert rapport vises i tabell 11, og tabell 12.
Tabell 11 - Last sugekopp
Tabell 12 - Oppsummering resultat sugekopp
Som kan leses av tabell 12 er maks nedbøyning 3,14 mm. Ekvivalent stress viser 338,3 MPa.
Som forventet er belastningen størst ved støttestrukturen på sugekoppens bakside, se figur 13.
Konstruksjonsmessig utfordring med sugekoppen er at den skal være designet slik at den tåler støtlasten på P = 800kN helt i ytterkant, samtidig som den skal være designet slik at den tåler undertrykket som skal holdes i hulrommet. Med valgt materiale S355J2 tåler sugekoppen støtlasten P = 800kN, men det eksisterer ikke noen sikkerhetsfaktor.
Figur 14 - Nedbøyning og Von Mises Stress
4.3 Hydraulikksystemets oppbygning
Det hydrauliske anlegget til dette systemet vil ha i oppgave å skyve sugekoppsystemet ut mot skuteside. Sugekoppen suger seg så fast i skroget ved hjelp av et vakuum. Til slutt drar de hydrauliske sylindrene ferjen inn mot fendervegg, og på plass mot lasterampen i en vinkelvektor. Systemet vil benytte seg av tre hydrauliske sylindere, to dobbeltvirkende sylindere på hentemekanismen (sylinder 2 og 3) som vil bevege seg simultant for å oppnå at sugekoppen holder seg parallelt med fenderveggen og båtskroget. I tillegg vil systemet ha en dobbeltvirkende teleskopsylinder (sylinder 1) som har til hensikt å justere hentemekanismens vertikale posisjon langs det kai-monterte skinnesystemet.
Figur 15 - Teknisk tegning hydraulikkanlegget
Beskrivelse av komponenter (tallsortert) benyttet i det hydrauliske anlegget
Tabell 13 - Komponentoversik hydraulikkanlegget
Nr Komponent Funksjon
1 Sylinder 1 - Teleskopsylinder
Justerer systemet opp- og ned i forhold til tidevann og lastkondisjon på ferjen
2 Sylinder 2 & 3 Justerer hentemekanismen
3 Hydraulikkpumpe Leverer hydraulisk olje til systemets komponenter 4 Akkumulator Lagrer nødvendig mengde olje for å kjøre hele
fortøyningssystemet inn ved uforutsette hendelser.
5 Hjelpemotor m/aksling Sikrer tilstrekkelig mengde volumstrøm til sylinder 1 &
2 for å oppnå en symmetrisk bevegelse
6 4/3 retningsventil Regulerer pluss-og minusretningen for alle sylindre.
Sørger også for stengefunksjon, slik at stempelplassering opprettholdes.
7 Sikkerhetsventil Forhindrer opparbeidelse av for høyt trykk i systemet 8 Retningsventil Åpner/lukker for akkumulatoren
9 Filter Filtrerer ut uønskede partikler i oljestrømmen 10 Tank Reservoar for tilstrekkelig med olje
11 Sjokkventil Regulerer trykk ved for å dempe ferjen under dokking 12 Hydraulikkslanger Fører hydraulikkolje mellom komponenter i systemet 13 Manometer Måler trykket i hydraulikksystemet
14 Motor Driver pumpen
4.3.1 Nøkkeldata for komponentkapasitet i hydraulikksystemet
Her presenteres nøkkeldata for foreslåtte komponenter i hydraulikkanlegget. Komponentene er beregnet til å ha kapasitet for lastene som påføres.
Hydraulikksylinder 1
Det forutsettes en virkningsgrad på 97 % for sylinderen.
Tabell 14 - Sylinder 1 (høydejustering) Sylinder 1 –
Teleskopsylinder for høydejustering av systemet
Benevning SUM
Arbeidstrykk stempel ut bar 200
Arbeidstrykk stempel inn bar 200
Skyvekraft kN 47,6
Trekkraft kN 41,2
Volumstrøm ut l/min 34
Volumstrøm inn l/min 16,7
Hastighet ut m/s 0,061
Hastighet inn m/s 0,061
Detaljerte utregninger tilhørende sylinder 1 vises i vedlegg 3.
Hydraulikksylinder 2 og 3
Det forutsettes en virkningsgrad på 97 % for sylindrene.
Tabell 15 - Sylinder 2 og 3 (hentemekanismen) Sylinder 2 og 3 –
Kraftkomponenter på hentemekanismen (pr.sylinder)
Benevning SUM
Arbeidstrykk støt bar 250
Arbeidstrykk stempel ut bar 200
Arbeidstrykk stempel inn bar 200
Skyvekraft kN 428
Trekkraft kN 202
Volumstrøm ut l/min 41,8
Volumstrøm inn l/min 19,8
Hastighet ut m/s 0,0316
Hastighet inn m/s 0,0316
Detaljerte utregninger tilhørende sylinder 2 og 3 vises i vedlegg 3.
Hydraulikkpumpe
Nødvendig fortregningsvolum for å drive hydraulikksystemet Tabell 16 - Hydraulikkpumpe
Benevning SUM
Fortregningsvolum ��d ���� 50
Omdreininger omdr/min 2000
Detaljerte utregninger tilhørende hydraulikkpumpen vises i vedlegg 3.
Akkumulator
Nødvendig nyttevolum og arbeidstrykk for å drive hydraulikksystemet Tabell 17 - Akkumulator
Benevning SUM
Nødvendig nyttevolum liter 100
Nødvendig arbeidstrykk bar 75,5
Detaljerte utregninger tilhørende akkumulatoren vises i vedlegg 3.
Hjelpemotor
Hydraulikksystemet er utstyrt med hjelpemotorer foran hentemekanismen, dette fordi at en simultan bevegelse av sylinder 2 og 3 skal sikres. Arbeidstrykket er beregnet til 200 bar. I tillegg er det behov for et midlertidig arbeidstrykk på 250 bar for å takle den teoretiske støtlasten på totalt 800kN når ferjen legger til.
4.4 Vakuumsystemets oppbygning
Vakuumsystemet vil ha i oppgave å skape nødvendig undertrykk i sugekoppen. Det er denne holdekraften som vil være avgjørende for hvor tung last systemet kan dra inn mot kai.
Figur 16 - Teknisk tegning vakuumsystem
Beskrivelse av komponenter, tallsortert etter teknisk tegning i figur 16.
Tabell 18 - Komponentbeskrivelse vakuumsystem
Nr Komponent Funksjon
1 Sugekopp Skaper en tett forbindelse mellom fortøyningen og
skutesiden. Sugekoppen fungerer i tillegg som fender ved anløp
3 Trykkammer Stenger/utjevner for atmosfærisk trykk 2 og
4
Kontrollventil Nødvendig ved trykkammer
5 Vakuumtank Holder undertrykket ”lagret” i tilfelle en lekkasje 6 Vakuumpumpe Skaper undertrykk i vakuumsystemet
7 Enveise-ventil ”Ut-luft”-enveisventil fra vakuumpumpe
4.4.1 Nøkkeldata for komponentkapasitet i vakuumsystemet
Sugekopp
Prinsippet om sugekoppen er at den virker ved at trykket fra omgivelsene presser selve koppen mot en overflate. Forutsetningen for dette er at det omkringliggende trykket overgår trykket mellom overflaten og sugekoppen.
Figur 17 - Atmosfærisk trykk på sugekopp
(Physics Stack Exchange, u.d.)
Jo større trykkforskjell som oppnås, jo høyere vil innfestningskraften være. Det som gjør at en sugekopp er en meget godt egnet innfestningsmekanisme er at den kan brukes både ved parallell og vinkelrett kraft. Forskjellen er at den vinkelrette kraften vil virke på overflaten ved hjelp av undertrykk direkte, mens parallell kraft, eller forskyvning, virker som følge av friksjon skapt av undertrykket.
Tabell 19 - Nøkkeldata for sugekoppen
Sugekopp Benevning Sum
Mål utvendig mm 1700 x 1920
Mål innvendig mm 1400 x 1620
Differensialtrykk Pa 81 800
Holdekraft vinkelrett (F) kN 185,5
Holdekraft sideveis (F2) kN 96,5
Detaljerte utregninger vedrørende sugekoppens egenskaper vises i vedlegg 4.
Vakuumtank
For å skape rask holdekraft i sugekoppen ser prosjektgruppen for seg å bruke en vakuumtank.
Fordelen med dette er at man slipper å vente til pumpa har bygget opp undertrykket, dette oppnås tilnærmet momentant om undertrykket er ”forhåndslagret” på tanken. Om det mot formodning skulle være lekkasje i sugekoppen eller i slangene mellom tank/pumpe/sugekopp, kan pumpen hele tiden supplere vakuumtanken. Det samme gjelder hvis membranen rundt skutesiden ikke klarer å holde helt tett mellom sugekopp og skuteside.
Holdekraften blir slik opprettholdt. Det gjøres oppmerksom på at på grunn av omfang har prosjektgruppen ikke gjennomført beregninger vedrørende installasjon av vakuumtank, men anser det som en naturlig komponent i et vakuumsystem som dette.
Vakuumpumpe
Vakuumpumpen må være minst like kraftig som det beregnede systembehovet. Etter
prosjektgruppens oppfatning er det tre forskjellige vakuumpumpe-teknologier som kan være aktuelle for et vakuumsystem som dette.
Rotary Vane-pumpe
Består av en eksentrisk roterende rotor i et større sirkulært pumpehus. Skaper vakuum ved at rotoren danner et tettesjikt med veggen i pumpa. Rotoren er som oftest fjærbelastet. Ulempen med denne typen pumpe er at det kreves mye smøreolje, samt at vann kan skape store
problemer dersom det kommer inn i pumpa. Vårt system legger opp til vakuumtank mellom sugekopp og pumpe, og det er mulig å etablere en vann/kondens-utskiller ved tanken, som gjør at en slik pumpe rent funksjonelt kan benyttes til vårt formål. Styrken til Rotary Vane- pumper er at dem kan produsere meget lavt trykk, helt ned til 0,05 mbar.
(Pumpschool.com, 2014)
Figur 18 - Rotary Vane Vakuumpumpe
Væskeringspumpe
Dette er i prinsippet en impeller-basert pumpe. I likhet med Rotary Vane skaper pumpen vakuum mot veggene i pumpe. Forseglingen og vakuumet skapes ved at impeller-stjerna roterer rundt med en væskering som forsegler mot veggene. Pumpa kan bare skape et stabilt undertrykk på 33 mbar, dette fordi at det lett skapes kavitasjon i forseglingsvæsken ved høyere omdreininger på impelleren. Denne typen pumpe er meget hardfør, og tåler ytre påvirkning godt, da spesielt vann. (Dansk Pumpeteknikk, u.d.)
1. Rotor 2. Væskering 3. Pumpehus
Figur 19 – Væskeringspumpe
Dry Claw-pumpe
En Dry Claw-pumpe fungerer i prinsippet meget likt en Rotary Vane-pumpe. Forskjellen er at i motsetning til en rotary-pumpe, er claw-pumpen tørr. Den skal ikke ha smøreolje, og bruker ikke vann for å skape vakuum. Vakuum skapes ved at to rotorer går i motsatt retning, og på grunn av formen på disse suges luften inn. Luften komprimeres, og blir deretter sluppet ut.
Rotorene kommer aldri i kontakt med hverandre, og det er derfor lite slitasje- og
vedlikeholdskostnader forbundet med denne typen vakuumpumper. Dry Claw vakuumpumper regnes å kunne holde et stabilt trykk helt ned til 15 mbar. (Vacuumfamily-Global, u.d.)
Figur 20 - Dry Claw vakuumpumpe
Tabell 20 - Valg av vakuumpumpe
Kriterier Rotary Vane Væskering Dry Claw
Undertrykk 3 X 2
Vedlikehold 1 2 3
Egnethet (vann) 1 3 3
Driftssikkerhet 1 3 3
SUM 6 Kan ikke levere
nok undertrykk
11
Prosjektgruppen anbefaler at det benyttes en Dry Claw vakuumpumpe i vakuumsystemet.
Pumpens stabile undertrykkskapasitet anbefales etter våre beregninger å være innenfor 15 mbar.
Prosjektgruppen har ikke beregnet tap i vakuumslanger for vakuumsystemet, men har beregnet differensialtrykket til 81 800 Pa, og har derfor god ”ledig” kapasitet på anbefalt vakuumpumpe til å ta tapet uten konsekvenser for holdekraften i sugekoppen.
4.5 Automatisering og elektronikk
Det elektriske systemet består av hovedstrøm og signalstrøm/styrestrøm. Hovedstrømmen skal forsyne alle elektriske komponenter i fortøyningssystemet. Signalstrømmen brukes sammen med et PLS-oppsett til styring av ventiler, pumpe og liknende. I tillegg vil
signalstrømmen formidle signaler fra ulike følere og sensorer i systemet. Fortøyningssystemet skal styres trådløst fra ferjen ved hjelp av en Human Machine Interface (HMI), slik praksisen er i dag vedrørende heve/senk av ferjebru. For å kunne benytte seg av de hydrauliske
komponentene under et strømbrudd, har prosjektgruppen sett for seg å benytte en ekstern batteripakke som er koblet til systemet. Dette tillater operatøren å kjøre fortøyningssystemet tilbake i standby-modus under et strømbrudd.
For å beskytte konstruksjonen mot sjøsprøyt, og å hindre at konstruksjonen havner under vann, er det designet en sikkerhetsmekanisme som har i oppgave å stanse nedsenkning av
selve hentemekanismen på skinnesystemet. Sikkerhetsmekanismen fungerer slik at det er en flottør-sensor som forteller PLS-styringen at hentemekanismen er ved sikkerhetsterskel mot havoverflaten, og stanser videre nedsenking.
I alle normale værtilstander vil skuteside beskytte for bølgegang inn mot selve systemet når det er i “mottakposisjon”, og dermed unngår en at funksjonaliteten i sikkerhetssystemet hindres av bølgetopper. I standby-modus, når systemet ikke er i bruk av fartøyet, kjøres hele hentemekanismen opp i topposisjon på skinnesystemet, og dermed beskyttes i større grad mot den verste sjøsprøyten som kan oppstå. Styringssentral sammen med hydraulikk- og
vakuumpumpe vil bli plassert inne i kaikonstruksjonen, slik at utstyret er beskyttet mot ytre påvirkninger. Ved å plassere sentralen slik, vil en kunne opprettholde øvrige arbeidsoppgaver som er nødvendig på fenderveggen. Sistnevnte var et absolutt krav fra oppdragsgiver.
For at fortøyningssystemet skal vite når undertrykk skal etableres, ser prosjektgruppen for seg at det skal benyttes en sensor som registrerer når ferjen er i posisjon. Dette er nødvendig for å sikre at ferjen treffer samme punkt mot ferjebru til ethvert anløp.
4.5.1 Bruk av Human Machine Interface mellom ferje og ferjekai - oppsett 1. Operatøren aktiverer systemet fra stand-by modus.
2. Systemet justerer seg ned mot havoverflaten til flottøren treffer overflaten. Havnivået blir da registrert og systemet justerer seg til en forhåndsinnstilt høyde i forholdt til overflaten.
3. Sylindrene trekker seg sammen slik at systemet strekker seg ut. Systemet er nå klar til å ta imot ferjen.
4. Ved anløp treffer ferjen flaten på sugekoppen, sylindrene absorberer noe av støtkraften og fungerer som demping. Sugekoppens pakning skaper en tett forbindelse mellom skutesiden og sugekopp, slik at vakuumsystemet kan danne et undertrykk.
5. Sylindrene trekker ferjen inn mot kai og ferjebru.
6. Hydraulikksystemet stenges av, slik at sylindrene låses ved å opprettholde trykket.
7. Ved endret lastkondisjon på ferjen vil sylinder 1 justere høyden på
fortøyningssystemet. Dette skjer som følge av en tilbakemelding til sentralen om at vekt-belastningen på sylinder 1 nærmer seg terskel.
8. Ved avgang skyver sylinder 2 og 3 ferjen ut fra kai. Halvveis i bevegelsen utliknes undertrykket i sugekoppen tilbake til atmosfærisk trykk, slik at holdekraften bortfaller.
Sylindrene ferdigstiller bevegelsen ut.
9. Sylinder 2 og 3 kjører systemet inn, samtidig trekkes sylinder 1 inn.
Fortøyningssystemet er nå tilbake i stand-by modus.
Figur 21 - Konseptskisse PLS
4.5.2 Forriglingssensor på holdekraft
For at systemet skal kunne operere uten at sugekoppen “mister” skutesiden er det viktig at de hydrauliske sylinderne ikke påfører sugekoppen høyere krefter enn holdekraften. For
sikkerhets skyld leses påført kraft ved hjelp av forriglingssensorer hele tiden inn i HMI på ferjebrua, slik at aktuell belastningskraft hele tiden kan overvåkes, og tiltak settes i gang.
Tiltak kan i dette tilfellet for eksempel være å automatisk justere ned skyvekraften fra sylindrene, slik at dem holder seg under terskler for holdekraft.
5. PROSJEKTADMINISTRASJON
I dette kapittelet beskrives prosjektadministrative momenter tilknyttet prosjektet.
5.1 Fremdriftsplan
For å sikre prosjektets fremgang startet prosjektgruppen med å identifisere hovedaktivitetene som listet nedenfor.
• Prosjektstart
• Prosjektstyring
• Datainnsamling
• Systemanalyse
• Beregning- og dimensjonering
• Implementering på ferjekai
• Rapportskriving
• Sluttrevisjon rapport
• Innlevering av sluttrapport
• Utarbeidelse av presentasjon
• Presentasjon
Prosjektets planmessige fremgang, som helhet og for hver aktivitet, er listet i eget punkt.
