FI125917B - Sovitelma puomistossa - Google Patents

Description

SOVITELMA PUOMISTOSSA Keksinnön tausta

Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 mukaista sovitel-maa, erityisesti metsäkoneessa käytettävässä puomistossa. Tällainen puomisto käsittää ainakin kaksi toisiinsa nivelletysti sovitettua puominosaa sekä puomi-nosiin yhdistetyn ainakin yhden voimansiirtovälineen näiden puominosien liikuttamiseksi suhteessa toisiinsa ja suhteessa ympäristöönsä.

Metsäkoneessa käytetään puomistoa erilaisten työlaitteiden kuten harvesterin hakkuupään tai kuormatraktorin puutavarakahmarin ohjaamiseen. Puomisto käsittää tällöin kaksi tai useamman toisiinsa nivelletysti liitettyä puominosaa, joiden liikkeitä ohjataan toimilaitteilla, jotka ovat yhdistettyjä puomi-nosiin tätä tarkoitusta varten liitettyihin korvakkeisiin tai vastaavanlaisiin kiinni-tyselimiin. Tällaiset kiinnityselimet on järjestetty välittämään haluttu voimavaikutus tai tukireaktio puominosan rakenteeseen. Tyypillisesti nämä voimansiirto-välineen muodostavat toimilaitteet ovat metsäkoneen tapauksessa paineväliai-netoimisia, lineaarisen työntö- tai vetoliikkeen tuottavia toimilaitteita. Edullisesti toimilaitteet käsittävät yhden tai useamman hydraulisylinterin tai tällaisen liikkeitä välittäviä rakenteita, kuten veto- tai työntötankoja. Toimilaitteet voivat myös muodostua sanottujen hydraulisylintereiden ja veto- tai työntö tankojen yhdistelmästä.

Puominosat on tavanomaisesti valmistettu teräslevyistä tai -putkesta hitsaamalla kootuista kotelorakenteista, joihin liitetään tarvittavat kiinnityselimet pääosin hitsaamalla. Jokainen puominosassa oleva tai siihen tehty hitsiliitos heikentää kuitenkin sen väsymislujuutta ja lyhentää näin puomiston käyttöikää ja toiminnan luotettavuutta. Tämä ongelma onkin pyritty ratkaisemaan lähinnä valitsemalla puominosaa valmistettaessa suuremman ainevahvuuden omaavia ja lujempia materiaaleja. Näin puominosa on kyennyt paremmin kestämään siihen kohdistuvat rasitukset. Tällaisten ratkaisujen kääntöpuolena on kuitenkin, että ne lisäävät puomiston painoa, joka vuorostaan on omiaan heikentämään puomiston suorituskykyä.

Hitsattujen rakenteiden valmistaminen on myös aikaa vievää ja työlästä valmistusmenetelmään liittyvien hankalien piirteiden vuoksi. Esimerkiksi toimilaitteen kiinnittämiseksi tarvittaviin korvakkeisiin kohdistuu hitsauksen aikana deformaatiovoimia, joiden seurauksena korvakkeet on koneistettava hitsauksen jälkeen mittatarkan lopputuloksen saavuttamiseksi. Tätä ongelmaa on joissa- kin tapauksissa pyritty ratkaisemaan valmistamalla korvakkeet puominosaan pulttiliitoksella kiinnitettävistä valuosista. Näiden ongelmaksi muodostuvat esimerkiksi kuitenkin käytönaikainen pulttien löystyminen ja rakenteen huollon tarve.

On myös tunnettua valmistaa erityisesti kaivinkoneiden puomin osia valamalla. Näillä puomin osilla on haluttu vahvistaa muutoin tavanomaisin menetelmin valmistettua puomia, jolloin ratkaisuissa on etenkin haettu ratkaisuja ulkoisten rakenteiden liittämiseksi sanottuun puomin osaan. Tällaisia ratkaisuja on esitetty esimerkiksi julkaisuissa JP2011184944 ja JP2011184920.

Keksinnön lyhyt selostus

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on siten kehittää laitteisto, jolla yllä mainituille tunnetun tekniikan epäkohdista johtuville ongelmille aikaansaataisiin aivan uudenlainen ratkaisu.

Tämä tavoite saavutetaan siten, että sovitelmalla puomistossa on tämän keksinnön mukaisesti patenttivaatimuksissa määritellyt tunnusmerkit. Täsmällisemmin sanottuna on tälle keksinnön mukaiselle sovitelmalle pääasiallisesti tunnusomaista, että puominosa käsittää pitkänomaisen ja rakenteeltaan onton rungon, jossa on ainakin yhdet kääntöakseleiden lävistämät nivelvälineet puomi-nosan liittämiseksi viereiseen rakenteeseen, ja ainakin yhdet liitosvälineet puo-mistoa ohjaavan toimilaitteen yhdistämiseksi runkoon. Ainakin yksi puominosa tällöin on muodostettu yhtenäiseksi ontoksi kappaleeksi juoksevasta materiaalista valmistamalla.

Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Esillä olevan keksinnön puitteissa tarkoitetaan termillä ”puomisto” sellaista puominosista rakentuvaa laitetta jollainen muodostaa esimerkiksi puun-käsittelykoneen kuormaimen, nosturin, manipulaattorin tai muun tämän kaltaisen nostolaitteen.

Termillä ”juokseva materiaali” tarkoitetaan tässä yhteydessä niin sulia materiaaleja kuin jauhemaisia materiaaleja.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Niinpä esillä olevalla keksinnöllä aikaansaadaan yksinkertaisin ratkaisuin aikaisempaa huomattavasti lujempi ja rakenteeltaan pelkistetympi puomiston rakenne. Esillä oleva sovitelma omaa suuren mittatarkkuuden, joka on omiaan nopeuttamaan puomiston ko koonpanoa, tehden siitä valmistettavuudeltaan aikaisempaa edullisemman, aikaansaadaan näin merkittäviä valmistusteknisiä hyötyjä.

Esillä olevalla ratkaisulla voidaan aikaansaada materiaalin optimaalinen sijoittaminen sovitelmassa sinne missä tarvitaan suurinta lujuutta. Teräslevystä tai putkesta puomistoa valmistettaessa ei ole mahdollista muuttaa puomi-nosan seinämänvahvuutta vain osassa rakennetta. Seinämänvahvuus määräytyy-kin tunnetuissa ratkaisuissa levy- tai putkirakenteen heikoimman kohdan, eli yleensä hitsisauman kohdan, perusteella. Juuri hitsisaumassa materiaalin ominaisuudet ovat hitsin lämmöntuonnin takia huonommat. Tällöin muuhun rakenteeseen on jätettävä tarpeettoman suuri seinämänvahvuus. Putkirakenteessa poikkileikkaus on myös mitoitettava rasitetuimman kohdan ja suunnan mukaisesti, jolloin muihin kohtiin jää tarpeettoman suuri poikkileikkaus. Juoksevasta materiaalista valmistettua rakennetta hyödynnettäessä on puominosan poikkileikkauksen muoto optimoitavissa muun muassa kuormituksen, rakenteen painon ja tilankäytön mukaan.

Näin saavutetaan myös kokonaisuudessaan aikaisempaa kevyempi puomiston rakenne. Näin voidaan parantaa sekä puomiston suorituskykyä, että sitä käyttävän koneen stabiliteettia ja energiataloutta painopisteen laskiessa ja kokonaispainon vähetessä.

Esillä olevan sovitelman kaltainen runko on myös muodostettavissa keskiosaltaan muuta runkoa hoikemmaksi. Tällainen puominosa peittääkin mahdollisimman vähäisessä määrin metsäkoneen kuljettajan näkyvyyttä työkohteeseensa.

Keksinnön muita mukanaan tuomia etuja on esitetty seuraavassa, kun keksinnön erityisiä suoritusmuotoja on kuvattu tarkemmin.

Kuvioiden lyhyt selostus

Seuraavassa keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja selostetaan lähemmin viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukainen sovitelma liukupuomillisen nosturin puomistossa, kuviossa 2 on esitetty kuvion 1 puomistosta irrotetun sovitelman ak-sonometrinen kuva selkäpuolelta, kuviossa 3 on esitetty kuvion 1 puomistosta irrotetun sovitelman ak-sonometrinen kuva rintapuolelta, kuviossa 4 on esitetty kuvion 1 puomistosta irrotetun sovitelman kuva rintapuolelta, kuviossa 5 on esitetty pystyleikkaus sanotusta sovitelmasta kuvion 4 kohdasta A-A, kuviossa 6 on esitetty sovitelman toinen pystyleikkaus otettuna 90 asteen kulmassa kuvion 5 mukaisesta leikkauksesta, kuviossa 7 on esitetty vaakaleikkaus kuvion 6 kohdasta B-B, kuviossa 8 on esitetty vaakaleikkaus kuvion 6 kohdasta C-C, kuviossa 9 on esitetty vaakaleikkaus kuvion 6 kohdasta D-D, kuviossa 10 on esitetty vaakaleikkaus kuvion 6 kohdasta E-E, ja kuviossa 11 on esitetty puominosan suunnittelunaikainen rasituskuva, eli ns. FEM-analyysin tuottama kuva.

Edullisten suoritusmuotojen yksityiskohtainen selostus

Esillä olevissa kuvioissa sovitelmaa puomistossa ei ole esitetty mittakaavassa, vaan kuviot ovat kaavamaisia, ilmentäen edullisten suoritusmuotojen periaatteellista rakennetta ja toimintaa. Tällöin oheisiin kuvioihin viitenumeroin osoitetut rakenneosat vastaavat tässä selityksessä viitenumeroin merkittyjä rakenneosia.

Kuviossa 1 on esimerkinomaisesti esitetty eräs liukupuomillinen nosturi, jossa on hyödynnetty esillä olevaa sovitelmaa. Tällainen nosturin muodostama puomisto 1 käsittää ainakin kaksi toisiinsa kääntyvästi sovitettua puomi-nosaa, joista ensimmäinen puominosa 2, eli pääpuomi, tavanomaisesti on yhdistetty metsäkoneeseen esimerkiksi kääntyvää alusrakennetta 3, kääntölaitetta tai nosturipöytää, käyttäen. Sanotun pääpuomin muodostaa tässä tapauksessa esillä oleva sovitelma. Kuvion mukainen toinen puominosa 4, eli taittopuomi tele-skooppimaisella jatkeellaan, on tavanomaisesti sovitettu suoraan tai välillisesti kannattamaan sinänsä tunnettua työlaitetta kuten harvesterin hakkuupäätä tai kuormatraktorin puutavarakahmaria. Näitä tavanomaisia työlaitteita ei tässä yhteydessä ole tarkemmin esitetty.

Puomiston 1 puominosat 2 ja 4 käsittävät pitkänomaiset välineet, joissa on esimerkiksi kuviossa 2 esitetyn kaltaiset nivelvälineet 5 ja 6 puominosien liittämiseksi sinänsä tunnetulla tavalla nivelletysti viereisiin rakenteisiin. Puomi-nosiin on kuvion 1 mukaisesti yhdistetty voimansiirtovälineet 7, 8 ja 9, joita hyväksikäyttäen puominosat ovat liikuteltavissa toistensa suhteen ja suhteessa ympäristöönsä puomiston kääntämiseksi ja ulottamiseksi vaaka- ja pystytasossa.

Tässä yhteydessä on esimerkinomaisesti esitetty puominosiin olevan yhdistetty hydraulisen toimilaitteen käsittävät voimansiirtovälineet. On kuitenkin muistettava, että puominosan siirtoliike on myös toteutettavissa muilla välineillä. Tällaisia voivat olla erilaiset vivustot, työntö- ja vetosauvat ja -tangot tai jopa vaijerit.

Esillä olevassa ensimmäisessä kuvioiden 2-10 mukaisessa suoritusmuodossaan sovitelman muodostava pääpuomi 2 käsittää pitkänomaisen ja rakenteeltaan onton rungon 11, vertaa kuvio 5. Tämän rungon ensimmäisessä päässä 12 on ensimmäiset nivelvälineet 5 ja tämän suoritusmuodon mukaisessa rungon toisessa päässä 13 on vastaavasti toiset nivelvälineet 6, joilla sovitelma on liitettävissä osaksi puomistoa 1. Rungossa on edelleen erityiset liitosvälineet 14, joilla puomistoa ohjaava yksi tai useampi toimilaite 7, 8 tai 9 on yhdistettävissä runkoon. Sovitelma on aikaansaatu raudasta, teräksestä tai muusta riittävän kestävyyden omaavasta juoksevasta materiaalista valmistamalla. Runko on siis painon minimoimiseksi muodostettu ontoksi yhtenäiseksi kappaleeksi, jossa rungossa 11 olevaa onteloa 15 ympäröi vaippapinta 16. Näin aikaansaadaan mittatarkka puominosa, jossa on koneistamista vaille valmiina siinä tarvittavat vastakkaisissa päissä olevat nivelvälineet sekä nivelvälineiden väliin sijoittuva ainakin yksi lii-tosväline toimilaitetta varten. Valmistuksen jälkeen puomiosalle suoritetaan vii-meistelyhionnat ja pintakäsittelyt sekä tarvittavien kohtien viimeistely koneistamalla.

Puominosa voidaan näin ollen valmistaa niin lasersintrauksella hyödyntäen niin sanottua kolmiulotteista tulostustekniikkaa. Näin tarkoitukseen sopivalla ohjelmistolla mallinnettu puominosa voidaan valmistaa mittatarkasti siten, että siinä on haluttu poikkileikkausprofiilit ja seinämäpaksuudet.

Valmistettaessa puominosa valamalla on valukappaleesta tehtävissä mahdollisimman kevyt valamalla se ontoksi, käyttämällä valussa muottiin järjestettyä hiekkasydäntä eli keerna. Tätä ei ole erikseen esitetty esillä olevissa kuvioissa. Keernaa tuetaan valun aikana puominosan muotin vastakkaisiin seinämiin, edullisesti ainakin kahdesta vastakkaisesta kohdasta. Tällä tuennalla estetään sisäpuolisen keernan taipuminen ja siirtyminen valun aikana, joka muutoin aiheutuisi sulan metallin aiheuttamasta nosteesta. Tätä tarkoitusta varten sovitelmaan on aikaansaatu erityiset valuaukot 17, 18, 19 ja 20, joitten kautta tuenta suoritetaan. Kuvioiden mukaisessa suoritusmuodossa on puominosaan muodostettu kaksi paria mainittuja valuaukkoja, jotka sijoittuvat puominosan halkaisevan leikkaustason 21 vastakkaisille puolille. Tällaisen kuvion 5 mukaisen rungon leik-kaustason määrittelevät siten rungon vastakkaisissa päissä olevia ja samassa va- lutapahtumassa aikaansaatuja nivelvälineitä lävistävät yhdensuuntaiset kääntö-akselit. Suoritusmuodoissa joissa kääntöakseleita on vain yksi, määrittää leik-kaustason tämä ainakin yksi kääntöakseli yhdessä sen leikkaavan rungon kes-kiakselin kanssa.

Toki sovitelma on mahdollista valaa myös siten, että keerna tuetaan rungon leikkaustason vastakkaisilla puolilla olevan yhden valuaukon kautta, joskin luotettavampaan tulokseen päästäneen käyttäen leikkaustason ensimmäisellä puolella yhtä ja leikkaustason toisella puolella kahta valuaukkoa.

Nämä valuaukot 17 - 20 ovat kompromissi kestävyyden ja keernojen riittävän tukevuuden aikaansaamiseksi. Ne on muotoiltu mahdollisimman jouheviksi, jotta niihin ja pääpuomiin 2 ei aiheudu haitallisia jännityksiä puomistoon 1 käytön aikana kohdistuvasta kuormituksesta. Niinpä valuaukko on edullisesti muodoltaan oleellisesti ovaalimainen. Se on myös edullisesti varustettu erityisellä reunavahvistuksella, jolla sovitelman vaipan lujuutta on parannettu ja sovitel-maan kohdistuvia jännityksiä vähennetty. Tällaiset reunavahvistukset ovat nähtävissä esimerkiksi kuvioissa 7 ja 10.

Edellä mainittu leikkaustaso määrittelee myös rungon vastakkaisilla puolilla olevan rintapuolen 22 ja selkäpuolen 23, jolloin runkoon muodostetut lii-tosvälineet 14 ovat sovitelman rintapuolella.

Valmistamalla puominosa juoksevasta materiaalista on rungon 11 jäyhyysmomenttia kasvatettavissa edullisesti muotoilemalla rungon poikkileikkaus sellaiseksi, että rungon pituusakselia kohtaan kohtisuorassa ja leikkausta-soon 21 yhdistyvässä suunnassa poikkileikkaus on pääosin suurempi kuin leikkaustaso kohtisuorassa olevassa suunnassa. Lisäksi tällaisessa puominosassa voidaan optimoida materiaalin sijoittuminen sovitelmassa kuormituksen, rakenteen painon ja tilankäytön mukaan siten, että aikaansaadaan kulloinkin parhaat lujuusominaisuudet. Tässä optimoinnissa voidaan hyödyntää sinänsä tunnettuja suunnitteluohjelmistoja, kuten kuvion 11 mukaisia rasituskuvioita tuottavaa FEM-analyysiä. Niinpä kuviossa 7-10 voidaan nähdä miten sekä puominosan rungon seinämäpaksuus että seinämämuoto vaihtelevat eri kohdissa runkoa. Seinämän paksuus voikin vaihdella 10 - 100 millimetriin, ollen esimerkiksi valamalla valmistettaessa edullisesti 18-25 mm paksu. Rungon poikkileikkaus on myös muodostettavissa rungon keskikohtaa kohti kuroutuvaksi, tai kääntäen ilmaistuna on rungon poikkileikkaus muodostettavissa kääntöakselin suunnassa ja rungon keskikohdasta päitä kohti laajenevaksi.

Puominosasta voidaan myös muotoilla toinen suoritusmuoto, jossa rungossa on kahden vastakkaisen nivelvälineen sijaan rungon toisessa päässä ni-velväline ja toisessa päässä tarvittavat koneistetut pinnat, joilla puominosa on asennettavissa suoraan kääntölaitteeseen. Näin puominosa on kierrettävissä käyttökohteessaan oleellisesti pystysuunnassa olevan pituusakselinsa ympäri. Tässä suoritusmuodossaan puominosa on edullisesti osa puutavarakuormainta, jolloin se muodostaa erityisesti kuormatraktorin puomiston kääntölaitteesta lukien ensimmäisen puominosan, eli kuormaimen pylvään tai pilarin. Kääntölait-teen kautta tällainen puomiosa on käännettävissä esimerkiksi hammasvälityksen avustuksella. Tässä tarvittava hammastus voidaan edullisesti valmistaa ja koneistaa suoraan osaksi edullisesti valamalla valmistettua puominosaa.

Kuten ensimmäisessä suoritusmuodossa tällainenkin sovitelma puo-mistossa käsittää ainakin kaksi toisiinsa nivelletysti sovitettua puominosaa sekä puominosiin yhdistetyn ainakin yhden voimansiirtovälineen näiden puominosien liikuttamiseksi suhteessa toisiinsa ja suhteessa ympäristöönsä. Puomistossa olevan tyven puoleinen puominosista käsittää tällöin pitkänomaisen ja rakenteeltaan onton juoksevasta materiaalista muodostetun rungon, jossa on kääntöakselin lä-vistämä nivelväline puominosan liittämiseksi viereiseen rakenteeseen. Vastakkaisessa päässään rungossa on erityiset koneistetut pinnat, joilla puominosa on asennettavissa esimerkiksi kääntölaitteeseen. Puominosassa on myös ainakin yhdet samassa valmistusprosessissa aikaansaadut liitosvälineet puomistoa ohjaavan toimilaitteen yhdistämiseksi runkoon.

Kuten edellä kuvatussa ensimmäisessä suoritusmuodossa myös tämä puominosa käsittää kääntöakselin ja sen leikkaavan rungon keskiakselin määrittelemän leikkaustason siten, että runkoon on leikkaustason vastakkaisille puolille se valamalla valmistettaessa muodostettu ainakin yksi paria valuaukkoja. Valuau-kot vastaavat edellä kuvattuja toiminnaltaan ja rakenteeltaan.

On ymmärrettävä, että edellä oleva selitys ja siihen liittyvät kuviot on ainoastaan tarkoitettu havainnollistamaan esillä olevaa ratkaisua. Ratkaisua ei siten ole rajattu pelkästään edellä esitettyyn tai patenttivaatimuksissa määriteltyyn suoritusmuotoon, vaan alan ammattilaiselle tulevat olemaan ilmeisiä sen monet erilaiset variaatiot ja muunnokset, jotka ovat mahdollisia oheisten patenttivaatimusten määrittelemän ajatuksen puitteissa.

Claims (11)

1. Sovitelma puomistossa [1], joka erityisesti metsäkoneessa oleva puomisto käsittää ainakin kaksi toisiinsa nivelletysti sovitettua puominosaa (2, 4) sekä puominosiin yhdistetyn ainakin yhden voimansiirtovälineen (7, 8, 9} näiden puominosien liikuttamiseksi suhteessa toisiinsa ja suhteessa ympäristöönsä, jollainen puominosa käsittää pitkänomaisen ja rakenteeltaan onton rungon (11), ainakin yhdet kääntöakseleiden lävistämät nivelvälineet (5, 6) puomi-nosan liittämiseksi viereiseen rakenteeseen, ja ainakin yhdet liitosvälineet (14) puomistoa ohjaavan voimansiirtovälineen (7, 8, 9) yhdistämiseksi runkoon, jolloin ainakin yksi puominosa (2, 4) on muodostettu yhtenäiseksi ontoksi kappaleeksi juoksevasta materiaalista valmistamalla, tunnettu siitä, että rungon (11) poikkileikkaus on muodostettu olemaan rungon keskikohtaa kohti kuroutuva.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että puominosa (2, 4) on muodostettu jauhemaisesta materiaalista sintraamalla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että puominosa (2, 4) on muodostettu sulasta materiaalista valamalla, jolloin ainakin yksi kääntöakseli ja sen leikkaava rungon (11) keskiakseli (21) määrittelevät leikkaustason siten, että runkoon on leikkaustason vastakkaisille puolille muodostettu ainakin yksi pari valuaukkoja (17,18,19, 20).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että rungon (11) leikkaustason ensimmäisellä puolella on yksi valuaukko ja leikkaustason toisella puolella on kaksi valuaukkoa.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että runkoon (11) on leikkaustason vastakkaisille puolille muodostettu ainakin kaksi paria valuaukkoja.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 3-5 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että sovitelma käsittää leikkaustason vastakkaisilla puolilla olevan rintapuolen (23) ja selkäpuolen (22), liitosvälineiden (14) ollessa sovitelman rintapuolella.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 3-6 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että runko (11) omaa poikkileikkauksen, joka rungon pituusakselia kohtaan kohtisuorassa ja leikkaustasoon yhdistyvässä suunnassa on suurempi kuin leikkaustaso kohtisuorassa olevassa suunnassa.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 3 - 7 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että yksi tai useampi valuaukko (17,18,19, 20) käsittää reunavahvistuksen.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 3 - 8 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että valuaukko (17,18,19, 20) on muodoltaan ovaalimainen.

10.

Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että rungon (11) poikkileikkaus on kääntöakselin suunnassa ja rungon keskikohdasta päitä kohti laajeneva.