Utmanande kopplingar & evolution

Kopplingar har funnits sedan industrialismens intåg i enkla maskiner som bomullskvarnar och väder­kvarnar, då man behövde ett sätt att sätta ihop axlarna. Sedan ångturbinen uppfanns 1884 har axelkopplingar också varit mycket viktiga för kraftalstring och sjöfartsindustrin. Eftersom både turbiner och fartyg har ökat i storlek har även den kraft och det vridmoment som måste överföras ökat. Detta har i sin tur ökat kraven på axlar och kopplingar, och när det gäller skruvkopplingar, på själva skruvarna.

– Inom elkraftsframställning och sjöfarts­industrin har det alltid funnits kopplingar och de har faktiskt inte utvecklats särskilt mycket. Om man tittar på en 60–70 år gammal koppling ser konstruktion och koncept i stort sett ut som idag. Tekniken bakom har dock utvecklats en hel del. Skruvar i synnerhet är ett område som har gjort kopplingar mycket mer avancerade och lett till att mindre kopplingar kan överföra ett större vridmoment, säger Martin Walsh, en tekniker med mer än 30 års erfarenhet av att jobba med stora skruvkopplingar.

En av skruvkopplingarnas viktigaste funktioner är att bibehålla axel­uppriktningen. I marina tillämpningar, där axlarna vanligen vrids i låg hastighet, kan minsta felinpassning orsaka vibrationer, vilka i sin tur belastar lagren onödigt mycket. I kraftalstringsapplikationer kan rotationen vara så hög som 3 600 varv per minut och minsta vibration eller ojämn belastning är helt oacceptabel då det allvarligt skulle begränsa turbinens förmåga att köras med full effekt. Av denna anledning investeras det mycket tid och resurser i att optimera axeluppriktningen.

– När rätt uppriktning har uppnåtts måste skruvarna hålla inställningarna och bibehålla uppriktningen i drift. Någon gång i framtiden kommer skruvarna att demonteras och axeln kopplas från. När den sätts tillbaka igen måste den hamna exakt där den var tidigare, eftersom stora investeringar redan har satsas på att få till rätt uppriktning, säger Walsh.

Under många år var den mest förekommande skruvsäkringslösningen vanliga genomgående skruvar, vilka är relativt billiga och enkla att få tag på. En skruv förs bara genom borrhålet och dras åt med muttrar i varje ände för att skapa en friktionskoppling. Mängden moment som kan överföras via friktion är dock starkt begränsad och för stort moment kan leda till slirning och feluppriktning. Resulterande mikrorörelser och ojämn belastning kan därmed leda till skadade skruvar och borrhål. Kopplingen måste då göras om och axeluppriktningen ställas in på nytt.

I teorin kan passkruvar i borrhålen öka kapaciteten på momentet i och med att momentet då drivs genom direkt skjuvning över skruvens tvärsnitt. I praktiken är det svårt att få till en perfekt passform eftersom skruvens diameter minskar när den dras åt. Då skapas ett glapp mellan skruv och borrhål, vilket leder till samma problem med slirning och skruvbrott som för en vanlig skruv.

Behovet att etablera och upprätthålla axeluppriktning även när en koppling har demonterats och monterats igen har lett till en ökad användning av expansionsskruvar med hylsa. Eftersom expansionsskruvar med hylsa expanderar i borrhålet får de en perfekt passform och säkerställer att belastningen blir mycket jämnare. Därmed elimineras risken för rörelse och slirning, och axeluppriktningen kommer automatiskt återupprättas när
expansionsskruvarna med hylsa monteras igen.

– Expansionsskruv med hylsa är antagligen den största enskilda uppfinningen när det gäller precision de senaste 30 åren. De har många fördelar, men inte så många nackdelar – enkla att montera, bra passform, enkla att demontera, bibehåller uppriktningen och, om hålen är korrekt förberedda, bibehåller koncentriciteten och kan återanvändas, säger Steve Brown, Global Product Manager på Expansion Bolts, Nord-Lock.

En viktig faktor som driver utvecklingen av skruvkopplingar framåt är det som hänt inom teknisk analys.

– För 70–80 år sedan var kopplingar och skruvar överarbetade och större än vad de behövde vara, eftersom teknikerna var överdrivet försiktiga. Situationen var densamma inom många branscher på grund av man inte hade tillgång till avancerade uträkningar och simuleringar, säger Walsh.

Nu kan många originaltillverkare testa effekter av temperatur, olika material och driftmiljöer i datormodelleringar och -simuleringar. På grund av att roterande kopplingar är så komplexa blir det allt vanligare att använda den finita elementmetoden för att identifiera svaga punkter och momenttoleranser i specifika installationer. Skjuvprov har också kunnat påvisa fysiska begränsningar i olika skruvsäkringslösningar.

– Det finns fortfarande utrymme för ytterligare analyser och det skulle vara praktiskt att kunna se exakt hur de nyare skruvkonstruktionerna med expansionshylsor fungerar jämfört med äldre skruvar när det gäller överföring av högre moment. Tillgång till en fullständig finit elementanalys kan vara till stor hjälp eftersom vi då kan se om vi kan minska antalet skruvar och storleken på kopplingen, speciellt i branscher som vindkraft där man ofta undviker att använda skruvkopplingar på grund av utrymmesbegränsningar, tillägger Walsh.

Behovet av att konstruera smartare och mindre kopplingar kommer att vara fortsatt viktigt eftersom turbiner och fartyg fortsätter att bli större och öka sin kapacitet, och i och med detta behöver ännu större vridmoment.

C.A. PARSONS ”TURBINIA”

1884 uppfann den brittiske ingenjören Sir Charles Algernon Parsons den första ångturbinen.

Hans första modell genererade endast 7,5 kW i elektricitet, men uppvisade en enorm potential för att generera elektricitet och driva fartyg. 1893 etablerades Parsons Marine Steam Turbine Company. I syfte att demonstrera den nya teknikens möjligheter började experimentfartyget Turbinia att utvecklas.

Det nya fartyget var utrustat med tre axialturbiner monterade på tre axlar som var och en drev tre propellrar. När Turbinia stod färdigt 1894 var fartyget det snabbaste i världen och nådde hastigheter på upp till 34 knop (63 km/h), vilket kan jämföras med den brittiska kungliga flottans snabbaste fartyg som bara kunde köra i 27 knop.

1897 dök Turbinia upp oannonserat på flottrevyn för drottning Viktorias diamantjubileum, och kungligheter och högt uppsatta personer inom flottan kunde tydligt se hur överlägset fartyget var i hastighet och kraft. Inom två år började Parsons turbiner tas i bruk av kungliga flottan och kort därefter användes de för att driva transatlantiska passagerarfartyg.

Med Sir Charles Algernon Parsons konstruktion fick även ångturbiner snart ett stort uppsving, då de gjorde det möjligt att utan stora kostnader generera mängder av elektricitet. 1899 byggdes den första megawatturbinen på ett elkraftverk i Tyskland, och medan Parsons fortfarande levde fick han se sin uppfinning antas av alla stora elkraftstationer runtom i världen.

Låt oss hålla ihop

Behovet att montera komponenter i skruvförband har en lång historia. Länge var den genomgående skruven det gängade fästelement som användes som standard. Skruven förs genom borrhålet och dras åt med muttrar i varje ände för att skapa en friktionskoppling. Överflödigt vridmoment kan leda till slirning och fel­uppriktning, vilket i sin tur kan leda till skadade skruvar och borrhål.

Expansionsskruven med hylsa är en nyare uppfinning som eliminerar dessa problem. Skruven expanderar i borrhålet och får en perfekt passform som säkerställer att belastningen blir mycket jämnare. Dessutom blir både montering, demontering och retrofitting mycket enklare.

Expansionsskruvar med hylsa expanderar och får en perfekt passform.

Väljer man rätt skruvar för vattenkraftturbinernas drivaxlar kan det minska spänningskoncentrationen och mikrorörelserna avsevärt.