Puutavarakahmarin venymäliuskamittaus

Vesa Nuutamo

Outokummun Metalli Oy ja Karelia-ammattikorkeakoulun konetekniikan koulutusohjelma ovat tehneet yhteistyötä metsäkonevalmistajille suunnatun puutavarakahmarin tuotekehityksessä. Tuotteen testaus on ollut konetekniikan opiskelijoille ja ohjaajille haasteellista, mutta kehittänyt samalla lujuusopillista mittausosaamista. Saatua oppia voidaan jatkossa hyödyntää erilaisissa rakenteiden kestävyysmittauksissa.

Taustaa

Outokummun Metalli Oy on jo pitkään valmistanut omia puutavarakahmareita (kuva 1) metsäkonevalmistajille. Kahmari kiinnitetään ajokoneen nosturipuomiin. Ajokone kerää monitoimikoneen käsittelemät puunrungot maasta kuormatilaan ja kuljettaa ne tien varteen kasoihin, joista puutavara-auto kuljettaa ne pois.

Kuva 1. Outokummun Metalli Oy:n valmistama Vahva-merkkinen puutavarakahmari.

Outokummun Metallilla oli tarkoitus tuoda markkinoille uusi versio puutavarakahmarista vuoden 2016 aikana. Siitä oli valmistettu edellisenä talvena ensimmäiset protokahmarit. Osana kahmarin tuotekehitystä Karelia-ammattikorkeakoulun konetekniikan koulutusohjelmassa tehtiin keväällä 2015 opinnäytetyö, jossa kahmarille tehtiin FEM-lujuusanalyysejä ja venymäliuskamittauksia. Venymä-liuskamittauksella saadaan kokeellisesti määritettyä kuormituksessa rakenteeseen syntyvät todelliset jännitykset, joiden suuruudesta pystytään arvioimaan rakenteen kestävyyttä.

Kahmarin 3D-malli muokattiin FEM-lujuusanalyysia varten. Sitä tarkasteltiin kuormitustilanteessa, jonka ajateltiin syntyvän puunkorjuussa. Lujuusanalyysillä määritettiin kestävyyden kannalta kouran kriittiset kohdat, joihin liimattiin venymäliuskat. Kahmari siirrettiin ammattikorkeakoululta Pentin Paja Oy:n tiloihin, jossa kahmaria kuormitettiin testipenkissä (kuva 2).

Venymäliuskamittauksella saatiin määritettyä kahmarin kriittisissä kohdissa syntyvät jännitykset. Tämän jälkeen kahmarille tehtiin testaustilannetta vastaava FEM-lujuusanalyysi. Venymäliuskamittauksesta saatuja tuloksia verrattiin lujuusanalyysin tuloksiin. Syntyneet erot kertoivat siitä, että mallinnettu kahmari ja lujuusanalyysissä käytetty kuormitus- ja tuentatilanne eivät täysin vastanneet todellisuutta.

Kahmari valmiina testipenkkiin kiinnitystä varten sekä testausta vääntökuormituksella.

Aiemmin oli jo sovittu, että kahmari tultaisiin opinnäytetyövaiheen jälkeen testaamaan vielä todellisessa puunkorjuutilanteessa. Sitä varten opinnäytetyössä määritettiin tehtyjen venymäliuskamittausten ja lujuusanalyysien pohjalta kenttäkokeessa tarvittavat venymäliuskatyypit ja niille paikat kahmarissa.

Kahmarin testaus kenttäolosuhteissa

Kenttäkoe suoritettiin kesäkuussa 2015 Kiihtelysvaaran Keskijärvellä. Testiä varten kahmarin venymäliuskotusta muutettiin Pentin Pajalla niin, että huonosti toimivat liuskat poistettiin ja tilalle liimattiin muutama uusi. Muutostyön jälkeen kahmarissa oli yhteensä 6 venymäliuskaa, joista osa suojattiin teräslevyillä (kuva 3) puunkorjuussa mahdollisesti syntyviä kolhuja vastaan. Lisäksi venymäliuskoista tulevia kaapeleita jouduttiin jatkamaan, jotta niiden pituus riittäisi kenttäkokeessa. Lopuksi kaapelit yhdistettiin nipuksi ja suojattiin kierreletkulla.

Kuva 3. Kahmarin leuan venymäliuskotusta ja niiden suojaus teräslevyllä

Venymäliuskotettu kahmari siirrettiin hakkuutyömaalle, jossa se kiinnitettiin John Deeren ajokoneen nosturiin. Venymäliuskoista tuleva suojattu kaapelikimppu pujotettiin nosturin puomia pitkin kahmarilta venymäliuskamittauksen tiedonkeruuyksikölle. Se ja siihen liitetty kannettava tietokone, jossa oli venymäliuskamittauksessa tarvittava ohjelma, sijoitettiin ohjaushytin ja kuormalavan väliseen tilaan, jossa se oli suojassa ja johon saatiin helposti virtaa ajokoneen akulta (kuva 4).

Kuva 4. Protokahmarin testaus metsätyömaalla. Suojatut venymäliuskat ovat jääneet kahmarin takapuolelle piiloon. Venymäliuskojen kaapelit kulkevat niputettuna mustan kiemurtelevan kierreletkun sisällä.

Kahmaria testattiin kuormaamalla puunrunkoja maasta kuormatilaan. Kuormauksen jälkeen lava tyhjennettiin takaisin maahan, jolloin kuormaus voitiin aloittaa uudelleen. Iskumaisten kuormitusten vaikutusta kahmariin selvitettiin niin, että puunippu törmäytettiin voimalla kuormatilan päätysermiin ennen alas laskemista. Venymämittausta tehtiin näissä kuormaustilanteissa aina tietty ajanjakso. Kuvissa 5-6 on esitetty kuvan 2 venymäliuskoilla saatua venymämittausdataa, joka kertoo, miten mittauskohdassa venymä vaihtelee puunkorjuun aikana. Maksimivenymät ja samalla niistä lasketut jännitykset jäivät yllättävän mataliksi, jopa iskumaisissa kuormitustilanteissa. Jotta niistä olisi tullut rakenteen kestävyyden kannalta kriittisiä, olisi venymäarvojen oltava 3-4 kertaa suurempia.

Kuva 5. Venymäliuskan tuottamaa venymädataa läheltä leuan sisäreunaa. Maksimivenymä on n. 680·10-6. Sitä vastaava vetojännitys on 140 MPa. Mittausjakson pituus oli n. 7 min ja mittaustaajuus 50 Hz.

Kuva 6. Kolmen venymäliuskan muodostaman rusetin tuottamaa venymädataa lähellä leuan kulma-jäykisteen hitsaussaumaa. Venymät olivat liuskoissa pääosin puristumia ja niistä määritetyt jänni-tykset puristusjännityksiä, maksimissaan n. 50 MPa. Mittausjakson pituus oli n. 7 min ja mittaustaajuus 50 Hz.

Sen lisäksi, että kenttäkokeessa määritettiin venymäliuskamittauksella kahmariin syntyviä jännityksiä eri kuormaustilanteissa, kahmarin valmistaja sai palautetta sen toimivuudesta niin John Deeren koeajajalta kuin itse ajokoneen varsinaiselta kuljettajalta.

Tulevia toimenpiteitä

Karelian konetekniikan koulutukselle puutavarakahmarin venymäliuskamittaus on ollut haasteellista mutta samalla se on kehittänyt lujuusopillista mittausosaamista. Vuonna 2012 hankitun HMB:n venymämittauslaitteiston käyttö tulee jatkossa olemaan kiinteämpi osa konetekniikan opetusta, etenkin lujuuslaskennassa. Se tuo yrityksille kaivattua tietoa teräsrakenteiden todellisista rasituksista, mikä on ensiarvoisen tärkeää rakenteiden kestävyyttä arvioitaessa. Siksi sen mahdollisuuksia pitää tehdä tunnetuiksi nykyistä paremmin alan yrityksissä. Kahmarin tapaiset projektit vievät tätä asiaa tehokkaimmin eteenpäin. Toiveissa on, että yhteistyö kahmarin tiimoilta jatkuisi kuluvana vuonna.

Vesa Nuutamo, lehtori
Karelia-ammattikorkeakoulu