Föreliggande projekt har genomförts mot Sund Birsta AB. Projektet innefattade förberedande arbeten för elektrifiering av Sund Birstas hydrauliska bandförslutare SBH5. Projektet har resulterat i en funktionskartläggning av den hydrauliska bandförslutaren, en modifikationsplan över möjliga modifikationer av nuvarande enhet, och framtagningen av ställdonsbehov för det elektriska ställdonet som ska styra maskinens huvudförslutning och bandklippning. Syftet med elektrifieringen var framför allt att minimera den brandrisk hydrauloljan medför, men den förhöjda energieffektiviteten som en elektrifiering generellt resulterar i, är svår att förbise. SBH5:an har tre delsystem: huvudförslutaren, säkerhetsförslutaren och klämkäften. Där de två första systemen genomför själva förslutningen, medan klämkäften håller fast bandet under förslutningsprocessen. Ställdonets kraftbehov beräknades genom länksystemets mekanik. För ställdonets hastighetsbehov definierades först stansens konceptuella rotationshastighet för att sedan med hjälp av vektoranalys översätta den till en cylinderhastighet för ställdonet. Ställdonsbehoven för huvudförslutaren resulterade i ett maximalt kraftbehov på 8,3 kN och en maximal cylinderhastighet på 47,9 mm/s. Ställdonet föreslås vara av typen rullskruv med tanke på dess längre livslängd och kompakta design jämfört med till exempel vanliga kulskruvar. Eventuella modifikationer av länksystemet, som kan innebära att billigare ställdon kan väljas, diskuteras. / This project has been conducted at Sund Birsta AB. The project included preparatory work for the electrification of Sund Birstas hydraulic strapping machine SBH5. This project has resulted in a functional analysis of the hydraulic strapping machine, an amendment plan over potential modifications of the current unit, and some specification requirements for the upcoming electrical actuator operating the main seal and strap cutter. The purpose of the electrification is above all to minimize the fire hazards due to the utilization of hydraulic fluids, but the increased energy efficiency that an electrification generally implies, is difficult to overlook. The SBH5 has three subsystems: main seal, security seal and strap clamp. Where the first two together preform the complete seal, while the strap clamp holds the strap in place during the sealing process. The force requirement of the actuator was determined through calculation on the linkage system. For the speed requirement of the actuator, a conceptual rotational speed of the main seal punch was first defined, and then with the aid of vector analysis translated into a cylinder speed of the actuator. The actuator requirements for the main seal were compiled to include a force requirement of 8,3 kN and a maximum cylinder speed of 47,9 mm/s. The actuator is proposed to be of roller screw type due to its longer service life and more compact design compared to regular ball screw actuators. Possible modifications to the linkage systems, which could allow more cost-effective actuators, are discussed.

Cascade Drives specializes in high-performance electromechanical linear actuators (EMA). The company has developed a range of linear rack and pinion actuators based on a patented load distribution technique that allows multiple pinions to interact with a single gear rack. A project where one of their EMAs is to be implemented into an excavator boom is about to be initiated. It is suspected that extreme shock loads are present in such applications. The shock loads could potentially cause problems for the structural integrity of the gear train. This master thesis focused on defining requirements for an overload protection mechanism and identifying and evaluating possible solutions that could be implemented into the EMA to protect it from damage. At the start of the thesis, a pre-study had already been conducted. The author found that the forces present during shock loading warrant some protection strategy to be researched and implemented into the EMA. A comprehensive multibody dynamics model (MBD) of the EMA was developed in MSC Adams (View) to validate the result from the pre-study. The MBD model was later expanded to include a torsional stiffness model derived from physical tests and the flexibility of the excavator boom itself, which was extracted from flexible body simulations of the excavator boom assembly in Adams. The expanded MBD model simulations revealed that a protection mechanism was needed in the thought application. Three protection mechanisms/strategies were simulated and evaluated in the MBD environment. A slipping solution in the form of a friction clutch, a disconnecting solution in the form of an electromagnetic clutch, and an active solution in which the electric motor was controlled to produce maximum torque in the opposite direction of motion at the point of impact to dampen the loads through the gear train. Running the motor in reverse at impact proved to be an insufficient strategy. Even for an idealized motor that combined the maximum torque from the strongest motor and the rotational inertia from the lightest motor available for the EMA, simulations resulted in loads above the static load limit through the gear train. The friction clutch was shown to be plausible but inefficient. The slipping torque of a friction clutch had to be detuned way below the static load limit due to the delays in peak torque throughout the gear train, which meant that the overall actuating force of the actuator was severely hampered. The electromechanical disconnecting clutch was proved to be the most promising alternative. The disconnecting clutch completely disengages the upstream components from the downstream components in the drive train, meaning that the overall system performance remained unchanged. The response times needed depended on where the clutch was installed, from around 16ms if only the motor was disengaged up to 17ms if both the motor and the brake were disengaged. Further analysis of triggering strategies and response times has to be conducted to definitely decide if an electromagnetic clutch is a viable option. Still, the result from this thesis shows that it is a promising path. / Cascade Drives är specialiserade på högpresterande elektromekaniska linjära ställdon. Företaget har utvecklat en rad linjära ställdon av kuggstångskonfiguration som bygger på en patenterad lastfördelningsteknik som möjliggör för flera pinjonger att interagera med en enda kuggstång. Ett projekt där ett av deras ställdon ska implementeras i en grävmaskinsbom är på väg att inledas och man misstänker att det i en sådan applikation kan uppstå extrema chocklaster, vilka potentiellt kan orsaka stora skador på ställdonets drivlina. Detta examensarbete fokuserade på att kravställa och analysera ett överbelastningsskydd och att identifiera och utvärdera olika möjliga lösningar som kan implementeras i ställdonet för att skydda det från skador. En förstudie kring problemet har redan genomförts där författaren fann att de krafter som uppstår vid chocklaster motiverar att någon form av skyddsstrategi undersöks och implementeras i ställdonet. En omfattande multibody dynamics (MBD) modell av ställdonet utvecklades i MSC Adams (View) för att validera resultatet från förstudien. MBD-modellen utvidgades senare till att innefatta en torsionsflexmodell härledd från fysiska tester och även flexibiliteten hos själva grävmaskinbommen som extraherades från flexible body-simuleringar av grävmaskinens bomaggregat i Adams. Resultat från de utökade MBD-modellsimuleringarna visade att en skyddsmekanism behövs för att skydda drivlinan i ställdonet mot överlast i den tänkta grävmaskinsapplikationen. Tre olika skyddsmekanismer/strategier simulerades och utvärderades i MBD-miljön. En glidande lösning i form av en friktionskoppling, en frånkopplande lösning i form av en elektromagnetisk koppling, och en aktiv lösning där elmotorn reglerades till att producera maximalt vridmoment bakåt vid tidpunkten för kollisionen för att minska belastningarna i drivlinan. Att köra motorn bakåt vid kollision visade sig vara otillräckligt. Även för en idealiserad motor som kombinerade det maximala vridmomentet från den starkaste motorn som simulerades med rotationströgheten från den lättaste motorn som simulerades resulterade simuleringar i krafter genom drivlinan överstigande den statiska maxbelastningen. Friktionskopplingen visade sig vara en möjlig men ineffektiv lösning. Friktionskopplingens utlösningsmoment måste trimmas ner långt under den statiska maxbelastningen på grund av tiden det tar för maxbelastningen att propagera genom drivlinan. Detta innebar att ställdonets totala prestanda minskade rejält. Den frånkopplande elektromekaniska lösningen visade sig vara det mest lovande alternativet. Det faktum att den frånkopplande kopplingen helt kopplar bort komponenterna uppströms från komponenterna nedströms i drivlinan innebar att systemets prestanda förblev oförändrad. Svarstiderna som krävdes berodde på var kopplingen var installerad, från cirka 16ms om bara motorn skulle kopplas ur och upp till 17ms om både motorn och bromsen kopplades ur. Ytterligare analyser av utlösningsstrategier och svarstider måste genomföras för att definitivt avgöra om en elektrisk frånkopplande koppling är ett bra alternativ, men resultaten från denna avhandling visar att det är en lovande väg.

Railway safety is an issue that is closely related to people. Hazards such as a collision between two trains can result in severe casualties, necessitating the utmost level of safety measures. Linear actuators control the direction of the train and are critical devices in train operation. Therefore, the safety requirements for linear actuators are high; several internationally accepted standards can help regulate the design of railways and specify safety standards. EN 50129 and EN 50126 are critical standards to follow. This thesis presents two motor controller designs that can be used in linear actuators with high safety quality. This thesis contains two designs, a basic design and an advanced design. The first part of the thesis is the basic design. The basic design is based on the full bridge structure and combines two out of two logic. After integrating metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, gate drivers, and DC-DC converter, the basic design is presented following the safety integrated level 4 requirements of EN 50129. A fault tree analysis and a common cause failure analysis are added. The failure rate after fault tree analysis is 2E −14 . The second part of the thesis presents an advanced design based on the basic design and introduces an Automotive Safety Integrated Level D-compliant gate driver according to ISO 26262. It improves the previous design of the DC full bridge to have about 50 percent fewer components. Meanwhile, the advanced design also gives a supplement and refinement of the basic design to advance the possibility of practical application. Failure tree analysis failure mode effects, criticality analysis analysis, and availability argument are then carried out with the advanced design. According to fault tree analysis, the failure rate of the advanced design is 2E−14. / Järnvägssäkerhet är en fråga som är nära relaterad till människor. Faror som en kollision mellan två tåg kan resultera i allvarliga olyckor, vilket kräver högsta möjliga säkerhetsåtgärder. Linjära ställdon styr tågets riktning och är kritiska enheter i tågdrift. Därför är säkerhetskraven för linjära ställdon höga; flera internationellt accepterade standarder kan hjälpa till att reglera utformningen av järnvägar och specificera säkerhetsstandarder. EN 50129 och EN 50126 är kritiska standarder att följa. Denna avhandling presenterar två motorstyrningskonstruktioner som kan användas i linjära ställdon med hög säkerhetskvalitet. Detta examensarbete innehåller två designs, en grundläggande design och en avancerad design. Den första delen av examensarbetet är den grundläggande designen. Den grundläggande designen är baserad på hela brostrukturen och kombinerar två av två logik. Efter att ha integrerat metall-oxid-halvledarfälteffekttransistorer, gate-drivrutiner och DC-DC-omvandlare presenteras den grundläggande designen enligt de säkerhetsintegrerade nivå 4-kraven i EN 50129. En felträdsanalys och en analys av vanlig orsaksfel läggs till. Felfrekvensen efter felträdsanalys är 2E−14. Den andra delen av avhandlingen presenterar en avancerad design baserad på den grundläggande designen och introducerar en Automotive Safety Integrated Level D-kompatibel grinddrivare enligt ISO 26262. Den förbättrar den tidigare designen av DC-fullbryggan för att ha cirka 50 procent färre komponenter. Samtidigt ger den avancerade designen också ett komplement och förfining av den grundläggande designen för att främja möjligheten till praktisk tillämpning. Felträdanalys fellägeseffekter, analys av kritikalitet och tillgänglighetsargument utförs sedan med den avancerade designen. Enligt felträdsanalys är felfrekvensen för den avancerade designen 2E−14.