Use of field measurements in fatigue analysis of forestry cranes

Tässä työssä on esitetty väsyttävän kuormituksen mittaamiseen ja mittausdatan jälkikäsittelyyn sekä väsymismitoitukseen liittyviä menetelmiä. Menetelmien sovelluskohteena oli metsäkoneen kuormain, joka on väsyttävästi kuormitettu hitsattu rakenne. Teoriaosassa on kuvattu väsymisilmiötä ja väsymismitoitusmenetelmiä sekä kuormitusten tunnistamiseen ja mittausten jälkikäsittelyyn liittyviä menetelmiä. Yleisimmin käytettyjen väsymismitoitusmenetelmien rinnalle on esitetty luotettavuuteen perustuvaa väsymismitoitusmenetelmää. Kuormainten suunnittelussa on keveys- j a kestoikävaatimusten takia erityisen suuri merkitys väsymisen huomioimisella. Rakenteille on ominaista tietyt toiminnan kannalta välttämättömät hitsatut yksityiskohdat, jotka usein määräävät koko rakenteen kestoiän. Koska nämä ongelmakohdat pystytään useimmiten tunnistamaan jo suunnitteluvaiheessa, voidaan yksityiskohtien muotoilulla usein parantaa huomattavasti koko rakenteen kestoikää. Näiden yksityiskohtien optimointi on osittain mahdollista toteuttaa ilman kuormituskertymätietoa, mutta useimmiten kuormitusten tunnistaminen on edellytys parhaan ratkaisun löytymiselle. Tällöin toistaiseksi paras keino todellisen väsyttävän kuormituksen tunnistamiseksi on pitkäaikaiset kenttämittaukset. Kenttämittauksilla selvitetään rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset venymäliuskojen avulla. Kuormitusten tunnistamisella on erityisen suuri merkitys kun halutaan määrittää rakenteen kestoikä. Väsyminen ja väsyttävä kuormitus ovat kuitenkin tilastollisia muuttujia j a yksittäiselle rakenteelle ei ole mahdollista määrittää tarkkaa k estoikää. Tilastollisia menetelmiä käyttäen on kuitenkin mahdollista määrittää rakenteen vaurioitumisriski. Laskettaessa vaurioitumisriskiä suurelle määrälle yksittäisiä rakenteita voidaan muodostaa tarkkojakin ennusteita mahdollisten vaurioiden lukumäärästä. Tällöin kuormituskertymätiedosta voi olla tavanomaisen suunnittelun lisäksi laajempaa hyötyä esimerkiksi takuukäsittelyssä. Tässä työssä on sovellettu esitettyjä teorioita käytännössä metsäkoneen harvesterin puomiston väsymistarkasteluun. Kyseisen rakenteen kuormituksia mitattiin kahden viikon aikana yhteensä 35 tuntia, jonka perusteella laskettiin väsyttävän kuormituksen tilastollinen jakauma esimerkkitapaukselle. Mittauksen perusteella ei voitu tehdä kuitenkaan johtopäätöksiä tuotteen koko elinkaaren kuormituksista eikä muiden samanlaisten tuotteiden kuormituksista, koska mitattu otos oli suhteellisen lyhyt ja rajoittui vain yhteen käyttäjään ja muutamaan käyttökohteeseen. Menetelmien testaamiseksi kyseinen otos oli kuitenkin riittävä. Kuormituskertymätietoa käytettiin hyväksi myös laatumääritysten muodostamisessaesimerkkitapaukselle. Murtumismekaniikkaan perustuvalla menetelmällä arvioitiinharvesteripilarin valun mahdollisten valuvirheiden suurin sallittu koko. Luotettavuuteen pohjautuvan mitoitusmenettelyn tarve näyttää olevanlisääntymässä, joten pitkäaikaisten kenttämittausten tehokas hyödyntäminen tulee olemaan keskeinen osa väsymismitoitusta lähitulevaisuudessa. Menetelmiä olisi mahdollista tehostaa yhdistämällä kuormituskertymään erilaisia kuormitusten suhteen riippuvia tunnettuja suureita kuten käsiteltävän puun halkaisija. Todellisettuotekohtaiset tilastolliset jakaumat kuormituksista voitaisiin muodostaa mahdollisesti tehokkaammin, jos esimerkiksi kuormitusten riippuvuus metsätyypistä pystyttäisiin ensin määrittämään.

Methods for measuring fatigue loading, analyzing measurements and producing fatigue life e stimatesare presented in this thesis. Methods were applied to forestry crane, which is fatigue loaded welded structure. Fatigue phenomenon, some fatigue life prediction methods, load identification methods and measurement analyzing methods Methodsfor measuring fatigue loading, analyzing measurements and producing fatigue life estimates are presented in this thesis. Methods were applied to forestry crane, which is fatigue loaded welded structure. Fatigue phenomenon, some fatigue life prediction methods, load identification methods and measurement analyzing methods are presented in theory part. The use of reliability based fatigue design procedure was also discussed. Fatigue is important factor in design of forestry cranes, because fatigue life requirements are high and mass of crane components should be minimized. Forestry crane components contain typically some necessary welded details that determine the fatigue durability of whole structures. These critical details can normally be identified in early stage of design and therefore the shape of these details can be optimized. In many cases optimization is possible only if fatigue loading affecting the structure is defined. Long-term field measurements are best way to identify these loads. In field measurements fatigue loads are defined using strain gauges. Field measurements are especially important when producing fatigue life estimates. However, fatigue and fatigue loading are statistical phenomenon and exact fatigue life cannot be determined for single product or component. It is possible toproduce an estimate of failure probability after defined time of operation. When defining failure probabilities for a large population, it is possible to get relatively good estimate for number of incoming failures. In this kind of cases statistical methods have also benefits for example in warranty analyses. Fatigue design methods are applied to forestry crane structure. Fatigue loads of examined structure were measured in 35h long period of operation in typical use. Statistical distribution of fatigue loading for a case study was p resented. However, measurement period wasn't long enough for producing estimates of fatigue loading affecting to measured structures in whole lifetime of the product. Statistical procedures of analyzing measurement data were however used as an example to apply presented methods. Fatigue loadinginformation was also used for defining quality requirements. Fracture mechanicsapproach was applied in a case study of a cast component. Aim of the study was to determine largest acceptable defect size in critical location. The requirement of reliability based fatigue design procedure seems to be increasing, so it is necessary to carry out long-term field measurements in near future. To make these methods more effective, it is possible to connect auxiliary data to measurements. Auxiliary data could be for example CAN bus information of harvested wood diameters. Effective use of statistical methods could be possible if different auxiliary data could first be combined to field measurement data.