This master thesis has been conducted at Svea Teknik on behalf of Atlas Copco and deals with the design of a cutter head motion system for mechanical rock excavation machines. Mechanical rock excavation allows tunneling to be done with just one machine in a continuous process. Such a machine is called a tunnel boring machine (TBM) and excavates rock by pressing a rotating cutter head with disc cutters against the rock face. By moving the cutter head in different patterns, tunnels of different profiles and sizes can be excavated. Atlas Copco has currently a conceptual TBM with an associated cutter head motion solution attached. The main task of this master thesis is to examine if an alternative solution to this motion system could be incorporated to the conceptual TBM, and to develop this solution to a functional concept design. In order to find a suitable alternative design nine concepts where generated and evaluated against the current concept solution using a weighted PUGH-matrix. The chosen concept was refined into a final functional concept design. The produced concept design consists of a two part linkage arm construction connected via a cylindrical joint. At one end of the articulated arm the cutter head is located and at the other end the linkage arm is connected to a rotatable base which allows the arm to rotate and swing to the sides. This rotatable base is in later turn supported by a base structure mounted to the main body of the current concept machine. All motion is achieved by hydraulic cylinders which are mounted in their respective ends using spherical bearings to minimize the need of narrow tolerance spans. The benefits of this alternative design are a greater choice of tunnel profiles along with simpler bearing solutions which may reduce manufacturing- and service costs. The downside is instead added weight to the front of the machine which will move the center of mass closer to the cutter head. This may have a negative effect on the machine propulsion system. / Detta examensarbete har utförts på Svea Teknik på uppdrag av Atlas Copco och behandlar utvecklingen av ett rörelsesystem för förflyttningen av borrhuvudet på maskiner för mekanisk bergavverkning. Med mekanisk bergavverkning är det möjligt att gräva ut en tunnel med bara en maskin i en kontinuerlig process. En sådan maskin kallas tunnelborrningsmaskin (TBM) och bryter berget genom att ett borrhuvud med brytskivor rullar under tryck mot bergsväggen. Genom att förflytta borrhuvudet i olika mönster kan tunnlar med olika profil och storlek anläggas. Atlas Copco har för närvarande en konceptuell TBM med tillhörande lösning för borrhuvudförflyttningen. Huvuduppgiften för detta examensarbete är att undersöka om en alternativ lösning till detta förflyttingssystem kan integreras med denna TBM och att utveckla den här lösning till en funktionell konceptdesign. För att hitta en lämplig alternativ utformning har nio koncept tagits fram vilka utvärderas mot den befintliga konceptlösningen i en viktad PUGH-matris. Det valda konceptet har förfinats till en slutgiltig funktionell konceptdesign. Det framtagna konceptet består av en tvådelad länkarmskonstruktion sammansatta via en cylindrisk rotationsled. I ena änden av länkarmen är borrhuvudet monterat och vid den andra änden är länkarmen ansluten till en roterbar bas som möjliggör att länkarmarna kan rotera och svänga åt sidorna. Denna roterande bas är i sin tur upphängd i en basstruktur som är fastmonterad på den nuvarande konceptmaskinen. All rörelse uppnås genom hydraulcylindrar som är monterade i respektive ände med hjälp av sfäriska lager för att minimera toleranskraven. Fördelarna med detta alternativa koncept är en större frihet i valet av tunnelprofiler tillsammans med en enklare lagerlösning som kan minska tillverknings- och servicekostnader. Nackdelen är istället att vikten längre fram på maskinen ökar. Detta leder till att masscentrum flyttats närmare borrhuvudet vilket kan ha negativ inverkning på maskinens framdrivningssystem.

Denna rapport är resultatet av ett examensarbete på KTHs master-program för maskinkonstruktion i samarbete med Atlas Copco och Svea Teknik. Atlas Copco utvecklar en tunnelborrningsmaskin som trycker sig framåt och glider på skidor under borrning. Detta har visats sig ge stora friktionsförluster mellan det ojämna gruvgolvet och skidan vilket gör att de behöver en alternativ lösning på detta problem som klarar lasterna från borrning och maskinens egenvikt samt reducerar friktionen i maskinens längdriktning. Konceptutvecklingen var indelad i fyra stora delsteg: konceptgenerering, val av koncept, vidareutveckling och analys och utvärdering. Projektet avser endast konceptutveckling, ingen fullständig konstruktion. Några komponenter kunde bli omkonstruerade av Atlas Copco vid behov, de främre stingrarna som håller den stabil mot taket fick inte ändras, inga ritningar ritades, ingen detaljerad FEM-modellering och inte alla externa komponenter blev valda. Två koncept togs till vidareutveckling genom Pughs beslutsmatris: The Slide Guide och The Rocker Bogie. CAD modeller ritades och blev analyserade med avseende på strukturella laster och friktionskoefficienter jämfört med den befintliga lösningen. The Slide Guide klarar alla krav som kunde jämföras och The Rocker Bogie klarade inte utrymmeskraven och skulle kräva omfattande omkonstruktion av main body för att fungera. Koncepten blev utvärderade med hjälp av olika beräkningar och FEM analys / This report is the result of a master thesis at KTH Machine Design in cooperation with Atlas Copco and Svea Teknik. Atlas Copco is developing a Tunnel Boring Machine that pushes itself forward on steel skids using a torque tube when boring. This has proven to suffer from large frictional forces between the rough mine floor and the skid and they need an alternative solution to hold the loads of the machine while boring and reducing the friction when propelling itself forward. The concept development was divided into four main stages, concept generation, concept selection, further development, analysis and evaluation. The project includes only concept development, no complete designs. Some parts could be redesigned by Atlas Copco if needed, the front stingers supporting against the roof was not to be redesigned, no drawings was made, no detailed FEA modeling was done and not all external components was chosen. Two concepts where chosen for further development using the PUGH’s decision matrix, The Slide Guide and The Rocker Bogie. CAD models was developed and analyzed regarding loads and friction compared to the existing solution. The Slide Guide clears all requirements that could be measured and the Rocker Bogie does not fit within the geometrical limits available without extensive redesign of the Main Body. This was verified using calculations and structural FEA.

I dagens gruvindustri används stigortsborrmaskinen för mekanisk bergsavverkning. Stigortsborrmaskinens främsta uppgift är att borra vertikala hål från markplan eller en gruvort, ned till en underliggande gruvort. En stigortsborrmaskin har många användningsområden och använts exempelvis för borrning av ventilation eller hisschakt mellan gruvorter. Robbins 73RH är en stigortsborrmaskin som är framtagen och tillverkad av Epiroc AB, den kan borra hål som är 700 meter djupa med en diameter på 1.5-3.1 meter och med en vinkel på 90° till 45° från ytan. Den nuvarande lösningen för att ställa in eller ändra borrvinkeln är en tidskrävande och tung uppgift. Den nuvarande lösningen kräver dessutom ett manuellt arbete som innefattar risk för personskador. Examensarbetets syfte är att utveckla ett nytt koncept för att justera borrvinkeln på en Robbins 73RH stigortsborrmaskin. Konceptet ska vara halv- eller helautomatisk och på så sätt reducera tiden för ändring av borrvinkeln samt minimera risken för personskador. För att utveckla en ny förbättrad lösning genomfördes en konceptgenerering. Koncepten evaluerades med en Pughs matris och ett koncept valdes för att vidareutvecklades. Det nya konceptet är ett helautomatiskt system för att justera borrvinkeln på en Robbins 73RH. Den nya lösningen använder en hydraulcylinder för att justera borrvinkeln och en hydraulisk låsanordning för att säkerställa att borrvinkeln inte ändras vid stigortsborrning. / In today’s mining industry, a rasieboring drill is used for mechanical rock cutting. The main job for a rasieboring drill is to drill vertical holes from the ground plane or a mine, down to an underlying mine. A rasieboring drill has many uses, for example, for drilling ventilation or lift shafts between mines. Robbins 73RH is a rasieboring drill machine, made and manufactured by Epiroc AB. Robbins 73RH can drill holes that are 700 meters deep with a diameter of 1.5-3.1 meters and at an angle of 90° to 45° from the surface. The current solution for setting or changing the drill angle is a time-consuming and difficult task. The current solution also requires manual work that involves the risk of injury. The degree project aims to develop a new concept for adjusting the drilling angle of a Robbins 73RH rasieboring drill. The concepth should be semi or fully automatic, thus reducing the time for changing the drill angle and minimizing the risk of personal injury. To develop a new improved solution, a concept generation was carried out. The concepts were evaluated with a Pugh’s matrix and a concept was chosen for further development. The new concept is a fully automatic system for adjusting the drilling angle of a Robbins 73RH. The new solution uses a hydraulic cylinder to adjust the drilling angle and a hydraulic locking device to ensure that the drilling angle does not change during drilling.

This report is the result of a thesis project at KTH in cooperation with Svea Teknik AB and Atlas Copco Mining and Rock Excavation. Atlas Copco is currently developing a family of machines for mechanical rock excavation. All machines in the family have two propulsion methods. The goal of this project has been to reduce the number of propulsion methods down to one, in one of these machines, the Mobile miner. The project has been divided into three main phases; background studies, concept development and documentation. The concept development phase has in turn been divided into four parts: generation, evaluation, development and validation. During the project no physical prototypes, drawings, component selections, software programming, calculations of friction losses or detailed FEM analysis were made. Nine concepts were developed. These were assessed with respect to a product specification using a weighted PUGH-matrix. The concept that received the highest ranking in the PUGH-matrix was six arms that are used to pull the machine forward. The concept was developed with respect to applicability, durability and fatigue. This resulted in a concept with four arms similar to scissor lift tables placed horizontally. The function has been verified using CAD-models, calculation of safety factors against fatigue and FEM-models. The only specification that was not achieved was the speed. / Denna rapport är resultatet av ett examensarbete på KTH i samarbete med Svea Teknik AB och Atlas Copco Mining and Rock Excavation. Atlas Copco utvecklar för närvarande en familj av maskiner för mekanisk bergsbrytning. Samtliga maskiner i familjen har två framdrivningsmetoder. Målet med detta projekt har varit att reducera antalet framdrivningsmetoder till en i en av dessa maskiner, Mobile minern. Projektet har varit uppdelat i tre huvudfaser: bakgrundsstudier, konceptutveckling och dokumentation. Konceptutvecklingen har i sin tur varit uppdelad i fyra delar: generering, bedömning, utveckling och validering. I projektet har inga fysiska prototyper, ritningar, komponentval, mjukvaruprogrammering, beräkningar av friktionsförluster eller detaljerade FEM-analyser gjorts. Nio koncept togs fram. Dessa bedömdes med avseende på en produktspecifikation med hjälp aven viktad PUGH-matris. Det koncept som fick högst rankning i PUGH-matrisen var sex armar som används för att dra maskinen framåt. Konceptet utvecklades med avseende på applicerbarhet, hållbarhet och utmattning och slutade som ett koncept med fyra armar liknande saxlyftbord som lagts horisontellt. Funktionen har verifierats genom CAD-modeller, beräkning av säkerhetsfaktorer mot utmattning och FEM-modeller. Den enda produktspecifikationen som inte uppnåddes var farten.

Examensarbetet har skett inom mastersprogrammet Maskinkonstruktion på KTH. Arbetet gjorde tillsammans med Epiroc genom Svea Teknik AB. I dagens gruvarbete använder nästan alla borr- och sprängteknik, men det finns stora problem med detta. Epiroc har börjat utveckla så kallade Mobile Miners, som är konstruerade för att bryta malm utan borr- och sprängteknik. Maskinen ska ha möjlighet att göra alla processer i samma maskin istället för borr- och sprängtekniken, där maskiner byts beroende på process. Den nya tekniken använder sig av ett skärhjul för att utvinna malm. En av maskinerna Epiroc har konstruerat är Mobile Miner 40 V. Maskinen har två moduler, drivmodulen, där alla typ av drivning som hydraulpumpar är placerade och avverkningsmodulen, där skärhjulet sitter. Från tidigare versioner av Mobile Miner har det upptäckts, att det blir väldigt stora vibrationer i operatörshytten, som sitter på drivmodulen. För den nya 40 V skall kopplingen mellan modulerna kunna kopplas isär vid avverking. Dagens koncept är likt en dragkrok, som tillåter rotation i tre frihetsgrader, vilket är något som nu anses vara en risk på grund av sämre stabilitet. De tre olika leden är gir-, roll-, och tipp-led och det är roll-led som inte är önskat då 40 V är väldigt hög relativt sin bredd, vilket ger en ökad risk för tippning. Syftet med detta examensarbete var att utveckla nya stabilare koncept. Utifrån detta gjordes en parameteranalys för att definiera vad en stabilare koppling är. Nya koncept generades och dessa evaluerades med hjälp av en Pughs matris. Två koncept valdes att vidareutvecklas utifrån de givna kraven. Koncept A har låsning i tipp-led med hjälp av en krokkonstruktion, där rotationsaxlarna är separerade samtidigt som koncept B har låsningen i gir-led med hjälp av två hydrauliska cylindrar där rotationsaxlarna skär varandra likt en kardanknut. Med två frihetsgrader utsätts kopplingen för högre laster. Dimensioneringen skedde utifrån det värsta lastfallet, vilket är när avverkningsmodul kör över ett gupp och tvingar med drivmodulen. De två nya koncepten blev stabilare enligt parameteranalysen, men är något större än dagens koncept. / This Master Thesis has been done within the Master's program in Machine Design at KTH. The work was carried out together with Epiroc through Svea Teknik AB.  Today almost all mining uses drill and blast techniques, but there are major problems with this. Epiroc has started to design a so-called Mobile Miners, which are designed to excavate ore without drill and blast technology. The machine should be able to do all processes in the same operation instead of the drill and blast technology where different machines are used depending on the process. The new process uses only a cutting wheel to excavate ore. One of the machines Epiroc has designed is the Mobile Miner 40 V. The machine has two modules, the power module where all types of power supply, such as hydraulic, pumps are located and then the mining module where the cutting wheel is located. From other Mobile Miner it has been discovered that there will be very large amount of vibrations in the operator cabin, which is located on the power module, so for the new 40 V the idea is that the coupling between the modules can be disconnected while operating. The current concept is similar to a towbar that allows rotation in three degrees of freedom, which is something that was later considered a risk. The three different axes are yaw, roll, and pitch axis and it is roll axis which is not desired since 40 V is very high relative to its width, which gives a risk of tipping. The purpose of this Master Thesis were to develop a more stable concept. Based on this, a parameter analysis was made to define what a more stable coupling is. New concepts were generated and then evaluated using a Pugh's matrix. Two concepts were chosen to be further developed based on the given requirements.  Concept A has the locking procedure in pitch axis with the aid of a hook construction where the rotation axes are separated meanwhile in concept B has the locking procedure in the yaw axis with the help of two hydraulic cylinders where the rotation axes intersect each other like a universal joint. With two degrees of freedom, higher forces are transmitted. The dimensioning was based on the worst load case, which is when the mining module runs over a bump and carry the power module. The two new concepts became more stable according to the parameter analysis, but are somewhat bigger than the current concept.

The Master Thesis work this report is based upon has been conducted in cooperation with Svea Teknik AB. Svea Teknik is a consultant firm which is developing parts of a tunnel boring machine on behalf of Atlas Copco. The machine is being developed to mechanically excavate hard rock by fixating itself in the tunnel and then press a large rotating cutter-wheel equipped with disc-cutters against the tunnel wall. The disc-cutters are the tools that are in direct contact with the hard rock and are therefore exposed to extensive wear and needs to be replaced on a regular basis.The purpose of this Master Thesis has been to develop a service equipment that will enable time effective and safe changes of disc-cutters. The disc-cutters have a diameter of 17 inches and weigh about 130 kg. The available space in the tunnel is very limited which puts strict requirements on the size of the service equipment.A specification of requirements was set up based on the background study made in the Master Thesis. Concepts to solve the problem were then generated and evaluated against each other.A concept consisting of a wagon with three slots for disc-cutter transport, a foldable crane with a hoist and a lifting tool adapted to the disc-cutters were chosen for further development. Since the concept was quite extensive the decision was made to focus the work around the lifting tool.By loading new disc-cutters onto the driven wagon together with the foldable crane and the lifting tool, the equipment can be transported past the machine in the tunnel and the crane can then be set up in front of the machine's cutter-wheel. The lifting tool is then lifted by the hoist to enable the disc-cutters in the cutter-wheel to be replaced.The lifting tool consists of two claws that close around the disc-cutter to fixate it geometrically and a counter weight to enable easy positioning of the disc-cutter by hand. The lifting tool is dimensioned according to two different load cases and was verified by FE-analysis.Recommendations for future work and more detailed design were set up. / Examensarbetet denna rapport baseras på, har utförts i samarbete med Svea Teknik AB. Svea Teknik är ett konsultföretag som på uppdrag av Atlas Copco utvecklar delar av en gruvmaskin för tunnelborrning. Maskinen konstrueras för att mekaniskt krossa berget genom att fixera sig i tunnelgången och pressa ett stort skärhjul utrustat med diskformade s.k. kuttrar mot bergväggen samtidigt som skärhjulet roterar. Då kuttrarna är de verktyg som står i direkt kontakt med berget slits de markant och måste bytas ut för service med jämna mellanrum.Detta examensarbete har syftat till att utveckla en serviceutrustning för att möjliggöra snabba och smidiga byten av dessa kuttrar som har en diameter på 17 tum och väger ca 130 kg. Då utrymmet i tunneln är väldigt begränsat finns stora krav på utrustningens storlek.En kravspecifikation, baserad på examensarbetets bakgrundsstudie, utarbetades för att ligga till grund för de genererade koncept som sedan utvärderades gentemot varandra.Efter att ett koncept bestående av en transportvagn med plats för tre kuttrar, en vikbar kran med telfer samt ett specialanpassat kloförsett lyftverktyg hade valts togs beslutet att fokusera arbetet kring lyftverktyget för att begränsa projektets omfång.Genom att lasta nyservade kuttrar på den drivna transportvagnen tillsammans med den hopvikta kranen och lyftverktyget kan den ledas fram förbi maskinen i tunneln och kranen monteras upp framför maskinens skärhjul. Lyftverktyget hängs sedan upp i kranen för att möjliggöra att kuttrar lossas respektive monteras.Lyftverktyget består av två klor som sluts runt kuttern för att fixera den formbetingat samt en motvikt för att för hand kunna ändra rotationen av verktyget kring infästningspunkten. Lyftverktyget dimensionerades utifrån två uppsatta lastfall och verifierades sedan med FEM-analyser

This Master's thesis project was provided by Epiroc Rock Drills AB and conducted at Camatec Industriteknik AB in Karlstad, Sweden. The project is centered around the cutter wheel in the mechanical rock excavator Mobile Miner 40V.  This cutter wheel is equipped with cutter discs that grind rock into debris as the wheel rotates and thrusts forward. The internal system consisting of a bearing constellation and the components in its vicinity has experienced a certain degree of wear in the form of scuffing and this was detected on the surfaces of some of the components in the system. The reasons for this occurrence are unknown and per the request of the thesis provider, this was to be determined. The thesis provider also requested a new Finite Element Analysis (FEA) model of the system along with feasible load cases that can be applied to said model. The project was deemed extensive and was therefore decided to be conducted by two students. This thesis covers the determination of the load cases as well as the optimization of the current design of the system inside the cutter wheel. During the pre-study, relevant background data was obtained for the cutter wheel and the internal system. Methods and models considered to potentially be useful were also gathered. The system in question was divided into two separate models; one consisted of a tribo-system with two components in sliding contact and the other consisted of the bearing constellation along with the outer-most section of the cutter wheel. The purpose of the first model was to use it to determine the contact pressure between the tribo-surfaces and by doing so, be able to determine the expected lubrication regime for the oil in the tribo-system. A material selection process was also conducted on the tribo-surface that had experienced the most severe surface damage. Additionally, minor reconstructions were made with the purpose of optimizing the system. The purpose of the second model was to apply the calculated load cases to the cutter disc attachments located on the outer-most section of the cutter wheel and then determine the contact pressures that develop on the bearing roller elements. The results of the thesis work consist of five potential material options, two reconstructions and 60 different load cases for the FEA model. With the load cases, the largest contact pressures on the bearing roller elements was determined. In addition, the cause of the severe surface damage that had occurred in the system is believed to have been identified. Further work on the project work is believed to be required. Future work of interest are determining load cases that incorporate multiple cutter discs simultaneously in contact with the rock, reconstruction solutions for the oil inlet and outlet pipes, a more thorough materials selection process and a criterion for the expected lubrication regime in the tribo-system based on tests performed with materials that are more identical to the ones in this project. / Detta examensarbete tillhandahölls av Epiroc Rock Drills AB och genomfördes hos Camatec Industriteknik i Karlstad, Sverige. Projektet är centrerat kring cutterhjulet i maskinen Mobile Miner 40V som är avsedd för mekanisk bergavverkning. Cutterhjulet är utrustat med cutter discar som maler berget till mindre flisor genom att hjulet roterar och trycks framåt. Det inre systemet bestående av en lagring med närliggande komponenter har utsatts för en viss grad av nötning i form av scuffing och detta upptäcktes på ytorna hos vissa av komponenterna i systemet. De bakomliggande anledningarna för denna förekomst är okända och utifrån begäran från projektgivaren skulle dessa anledningar fastställas. Projektgivaren eftersökte även en ny FEM-modell av systemet tillsammans med rimliga lastfall som ska kunna appliceras på modellen i fråga. Projektet ansågs tämligen omfattande och det bedömdes därför att två studenter krävdes för att genomföra arbetet. Denna uppsats behandlar framtagningen av lastfallen såväl som optimeringen av den nuvarande designen av systemet inuti cutterhjulet. Under förstudien hämtades relevant bakgrundsdata för cutterhjulet och det interna systemet. Metoder och teorier som ansågs vara potentiellt användbara samlades även in. Systemet i fråga delades in i två separata modeller; en bestod av ett tribo-system bestående av två tribo-ytor i glidande kontakt och den andra bestod av lagringen tillsammans med den yttersta sektionen hos cutterhjulet. Syftet med den förstnämnda modellen var att använda den för att bestämma kontakttrycket mellan tribo-ytorna, och genom detta kunna fastställa den förväntade smörjningsregimen hos oljan i tribo-systemet. En materialvalsprocess utfördes även för tribo-ytan som hade utsatts för den mest allvarliga skadan. Även smärre omkonstruktioner utfördes med syftet att optimera systemet. Syftet hos den andra modellen var att kunna applicera de beräknade lastfallen på cutter discarnas infästningar som återfinns i den yttersta sektionen hos cutterhjulet och sedan bestämma kontakttrycken som uppstår på rullarna i lagren. Resultaten från arbetet består av fem potentiella materialval, två konstruktionsändringar och 60 olika lastfall för FEM-modellen. Genom att applicera lastfallen bestämdes de största kontakttrycken på lagrens rullar. Utöver detta anses det att anledningen för den allvarliga ytskadan som hade skett i systemet har identifierats. Det anses att fortsatt arbete krävs för projektet. Kompletterande arbete som anses vara av intresse är lastfall som inkluderar flera cutter discar i ingrepp samtidigt med berget, konstruktionslösningar för tillförsel och bortförsel av oljan, en mer djupgående materialvalsprocess och ett kriterium för förväntad smörjningsregim hos tribo-systemet baserat på tester utförda med material som är mer identiska med dem som förekommer i projektet.