Mekanismien dynamiikan simuloinnissa sovellettavia numeerisia- ja mallinnusmenetelmiä

Koneet voidaan usein jakaa osajärjestelmiin, joita ovat ohjaus- ja säätöjärjestelmät, voimaa tuottavat toimilaitteet ja voiman välittävät mekanismit. Eri osajärjestelmiä on simuloitu tietokoneavusteisesti jo usean vuosikymmenen ajan. Osajärjestelmien yhdistäminen on kuitenkin uudempi ilmiö. Usein esimerkiksi mekanismien mallinnuksessa toimilaitteen tuottama voimaon kuvattu vakiona, tai ajan funktiona muuttuvana voimana. Vastaavasti toimilaitteiden analysoinnissa mekanismin toimilaitteeseen välittämä kuormitus on kuvattu vakiovoimana, tai ajan funktiona työkiertoa kuvaavana kuormituksena. Kun osajärjestelmät on erotettu toisistaan, on niiden välistenvuorovaikutuksien tarkastelu erittäin epätarkkaa. Samoin osajärjestelmän vaikutuksen huomioiminen koko järjestelmän käyttäytymissä on hankalaa. Mekanismien dynamiikan mallinnukseen on kehitetty erityisesti tietokoneille soveltuvia numeerisia mallinnusmenetelmiä. Useimmat menetelmistä perustuvat Lagrangen menetelmään, joka mahdollistaa vapaasti valittaviin koordinaattimuuttujiin perustuvan mallinnuksen. Numeerista ratkaisun mahdollistamiseksi menetelmän avulla muodostettua differentiaali-algebraaliyhtälöryhmää joudutaan muokkaamaan esim. derivoimalla rajoiteyhtälöitä kahteen kertaan. Menetelmän alkuperäisessä numeerisissa ratkaisuissa kaikki mekanismia kuvaavat yleistetyt koordinaatit integroidaan jokaisella aika-askeleella. Tästä perusmenetelmästä johdetuissa menetelmissä riippumattomat yleistetyt koordinaatit joko integroidaan ja riippuvat koordinaatit ratkaistaan rajoiteyhtälöiden perusteella tai yhtälöryhmän kokoa pienennetään esim. käyttämällä nopeus- ja kiihtyvyysanalyyseissä eri kiertymäkoordinaatteja kuin asema-analyysissä. Useimmat integrointimenetelmät on alun perin tarkoitettu differentiaaliyhtälöiden (ODE) ratkaisuunjolloin yhtälöryhmään liitetyt niveliä kuvaavat algebraaliset rajoiteyhtälöt saattavat aiheuttaa ongelmia. Nivelrajoitteiden virheiden korjaus, stabilointi, on erittäin tärkeää mekanismien dynamiikan simuloinnin onnistumisen ja tulosten oikeellisuuden kannalta. Mallinnusmenetelmien johtamisessa käytetyn virtuaalisen työn periaatteen oletuksena nimittäin on, etteivät rajoitevoimat tee työtä, eli rajoitteiden vastaista siirtymää ei tapahdu. Varsinkaan monimutkaisten järjestelmien pidemmissä analyyseissä nivelrajoitteet eivät toteudu tarkasti. Tällöin järjestelmän energiatasapainoei toteudu ja järjestelmään muodostuu virtuaalista energiaa, joka rikkoo virtuaalisen työn periaatetta, Tästä syystä tulokset eivät enää pidäpaikkaansa. Tässä raportissa tarkastellaan erityyppisiä mallinnus- ja ratkaisumenetelmiä, ja vertaillaan niiden toimivuutta yksinkertaisten mekanismien numeerisessa ratkaisussa. Menetelmien toimivuutta tarkastellaan ratkaisun tehokkuuden, nivelrajoitteiden toteutumisen ja energiatasapainon säilymisen kannalta.

Reaaliaikainen virtuaalihydrauliikka osana todellista konejärjestelmää

Diplomityössä tutkittiin hydrauliikan reaaliaikasimulointia ja sen mahdollisuuksia tuotekehityksen apuvälineenä. Työssä käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia laitteita ja ohjelmia. Työssä luotiin Matlab/Simulink –ympäristöön tyypillisimmistä hydrauliikkakomponenttien puoliempiirisistä malleista koostuva komponenttikirjasto, joista kootut hydrauliikkapiirien mallit voitiin kääntää reaaliaikaympäristöön. Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jonka avulla voidaan nopeuttaa ja helpottaa hydraulismekaanisten konejärjestelmien suunnittelua ja tuotekehitystä. Kehitetyt menetelmät perustuvat todellisen konejärjestelmän osaksi kytketyn reaaliaikaisen virtuaalihydrauliikan avulla laskettuun uuteen ohjaussignaaliin, jonka avulla voidaan todellisella hydrauliikalla kuvata virtuaalisen hydrauliikan vaikutukset todelliseen järjestelmään. Näin ollen muutokset voidaan siis tehdä virtuaaliseen hydrauliikkaan ja niiden vaikutukset nähdä todellisen järjestelmän käyttäytymisessä.

Talonrakennushankkeen logististen kustannusten mallintaminen

Logistiikan kehittämisen merkitys on suuri rakennusalan yritysten kilpailukyvylle. Tutkimuksen kohdeyrityksessä ei tunnettu logistiikkakustannuksia ja tämän takia eri toimitusketjuvaihtoehtojen kustannusvaikutuksia ei voitu vertailla. Ilman kustannustietoja toiminnan kehittäminen ja kilpailukyky kärsivät. Rakentamisen kehittämisen nopein tehostamis- ja kustannussäästöpotentiaali onkin logistiikassa. Tutkimuksen tavoite oli luoda helppokäyttöinen, nopea, ymmärrettävä ja luotettavaa informaatiota tarjoava toimitusketjuratkaisija, jonka avulla voidaan löytää kustannustehokkain toimitusketju projektitietojen perusteella. Alustava mallinnus ja testaus suoritettiin Excel-ohjelmalla. Malli laski logistiset kustannukset kustannustekijäkohtaisesti yhteen huomioiden tutkimuksen rajaukset. Osa rakennusalan tuotteista aiheuttaa huomattavan määrän kokonais- sekä logistisista kustannuksista, kun taas tiettyjen tuotteiden kustannukset ovat vain pieniä. Eri talotyypeille voidaan löytää yleisiä ohjesääntöjä toimitusketjujen käytöstä, mutta työmailla on aina myös tuotteita, jotka kannattaa tuoda joko terminaali- tai suorana toimituksena. Työmaiden olosuhteet ja toimitusmäärät ovatkin varsin ratkaisevassa asemassa toimitustapaa valittaessa. Edellä mainittuja tutkimustuloksia tukivat alan kirjallisuus sekä mallin testaustulokset.

Kiinteistösähköverkkojen laskentaohjelmiston valinta.

Jotta kiinteistösähköverkkojen laskentaohjelmia voidaan vertailla mielekkäästi keskenään, on tunnettava suunnitteluprosessin vaiheet ja tarvittavat laskelmat. Sähköverkon mitoituksessa tärkeitä tietoja ovat verkon oikosulkuteho, kuormitukset ja vikavirrat, joiden avulla määritellään tarvittavat suojaukset, johtojen poikkipinnat ja jännitteenalenemat. Tällä hetkellä markkinoilla olevia ohjelmia ovat esimerkiksi Ecodial, NolaWi, DOCWin, EDSA ja KUBS+. Kun painotetaan ohjelman hintaa, kieltä, verkon rakentamista, komponenttikirjastojen kokoa, solmupisteiden määrää, suojauksen selektiivisyyden tarkastamista ja kosketusjännitesuojauksen toiminnan toteamista sekä tuloksien esitystä niin ohjelmista parhaiten pärjäävät Ecodial ja DOCWin. Vertailun tuloksena ehdotetaan suunnittelutyöhön valittavaksi ohjelmaksi ABB:n DOCWin:a, joka täyttää parhaiten halutut ominaisuudet ja on lisäksi käyttökustannuksiltaan edullinen.

Sähkönjakeluverkon komponenttien pitoajat

Suomessa sähkönjakeluverkkoyhtiöt toimivat verkkovastuualueillaan yksinoikeudella. Verkkovastuualuiden ominaispiirteet voivat olla hyvin erilaiset. Energiamarkkinavirasto valvoo sähkömarkkinalainsäädännön noudattamista jakeluverkkotoiminnassa. Jakeluverkonhaltijat on velvoitettu Energiamarkkinaviraston valvontamallin kautta määrittämään tiettyjen rajoitusten mukaisesti verkkokomponenteillensa sopivimmat teknistaloudelliset pitoajat. Nämä pitoajat vaikuttavat varsinkin verkkoyhtiön tuottomahdollisuuksiin ja asiakkaiden siirtohintoihin. Lisäksi huomioon on otettava jaettavan sähkön laatu, verkon käyttövarmuus sekä vaikutukset ympäristöön ja turvallisuuteen. Pitoaikojen matemaattinen mallintaminen on usein monimutkaista. Teknistaloudellinen pitoaika valitaankin monesti kokemuksen ja harkinnan perusteella. Tärkeimmät reunaehdot jakeluverkkokomponenttien teknistaloudellisten pitoaikojen valinnalle muodostavat verkkovastuualueen sähkönkulutuksen kasvun sekä infrastruktuurin muutoksen nopeudet. Hitaan muutoksen alueilla verkkokomponenttien teknistaloudelliset pitoajat lähenevät teknisiä pitoaikoja, joihin vaikuttavat voimakkaasti verkkovastuualueen maantieteelliset ja ilmastolliset ominaispiirteet. Yhtiöittäin vaihtelevat verkon rakennus- ja ylläpitomenetelmät tulee myös huomioida. Tässä diplomityössä keskitytään pääosin sähkönjakeluverkon komponenttien teknistaloudelliseen pitoaikaan verkon ja verkkovastuualueen ominaispiirteiden kautta. Aluksi määritellään jakeluverkon pitoaika usealla eri tavalla, sekä selvitetään pitoajan merkitystä nykytilanteessa. Lisäksi työn alkuosassa esitellään Energiamarkkinaviraston vuoden 2005 alusta käyttöönotettu jakeluverkkotoiminnan hinnoittelun kohtuullisuuden valvontamalli ja käydään läpi teknistaloudellisen pitoajan merkitys siinä. Sen jälkeen tarkastellaan jakeluverkkokomponenttien ja niiden osien tekniseen pitoaikaan vaikuttavia tekijöitä. Erityisesti puupylväisiin ja niihin liittyviin ajankohtaisiin asioihin kiinnitetään huomiota, koska puupylväät määräävät monesti koko ilmajohtorakenteen uusimisajankohdan. Lisäksi suolakyllästeiselle puupylväälle esitetään yleinen rappeutumismalli ja jakelumuuntajan rappeutumistapahtumaa tutkitaan. Lopuksi tarkastellaan Graninge Kainuu Oy:tä jakeluverkonhaltijana sekä määritetään sen verkkovastuualueelle ominaisia komponenttien teknisiä ja teknistaloudellisia pitoaikoja haastattelujen, tuoreimpien lähteiden, tutkimustulosten, vertailun ja harkinnan avulla.

Uudet tiedonsiirtotekniikat teollisuusympäristössä

Diplomityössä tehdään perusselvitys olemassaolevista tiedonsiirtotekniikoista, joita voidaan käyttää teollisuusympäristössä. Tiedonsiirtojärjestelmiä tarvitaan teollisuuden prosessien ja laitteiden ohjauksessa monessa eri tasossa. Ylemmän tason tiedonsiirtoväyliin kuuluu esimerkiksi taloushallinnan talousväylä, jota pitkin tapahtuu operatiivista tiedonsiirtoa. Operatiivinen tiedonsiirto koostuu tuotantotiedonsiirrosta ja koneiden toimintaan liittyvien tietojen siirrosta. Tavoitteena on tuotannon tehostaminen sekä logistiikan ja koneiden käytettävyyden parantaminen. Alemman tason väyliin kuuluu käyttöväylä, joka voi koostua useammasta osaväylästä: tehdasväylästä, prosessiväylästä ja kenttäväylästä. Ohjaustiedonsiirto ja laitteiden välinen tiedonsiirto tapahtuu käyttöväylää pitkin. Tiedonsiirtoa tapahtuu myös laitteiden sisäisesti. Työn alkuosassa esitellään laitteita, joiden välillä voidaan tarvita tiedonsiirtoyhteyttä ja vaatimuksia, joita teollisuusympäristö asettaa tiedonsiirtoyhteyksille. Työssä esitellään teollisuusympäristöön soveltuvien tiedonsiirtotekniikoiden ominaisuuksia ja sovelluksia. Eri tiedonsiirtoyhteyksien toteuttamiseen sopivien tiedonsiirtojärjestelmien valintaa käsitellään esimerkkien valossa. Työssä esitellään myös esimerkkilaitteisto, jonka avulla tutkitaan pienjännitteisen sähköverkon soveltuvuutta tiedonsiirtoon. Työssä esitetään yhteenveto siitä, millä tiedonsiirtotekniikoilla eri laitteiden välinen tiedonsiirto on toteutettavissa ja pohditaan uusien tiedonsiirtotekniikoiden tarjoamia mahdollisuuksia ja niiden käyttöön liittyviä vaatimuksia.

Moottorimalliton skalaarisäätö

Työssä tutkitaan nopeusanturittoman vaihtovirtakäytön skalaarisia ohjaus- ja säätömenetelmiä. Työn alussa esitetään perusteoriat taajuusmuuttajista ja oikosulkumoottoreista. Tämän jälkeen esitellään yleisimmin kirjallisuudessa esiintyneet skalaariohjaukset ja –säädöt. Vektorisäätöä ja erityisesti moottoriparametrien vaikutusta säädön toimivuuteen esitellään lyhyesti. Työn tavoitteena on ACS800 taajuusmuuttajan skalaarisäädön tutkiminen. ACS800:n nykyinen skalaarisäätö on liian sidoksissa vektorisäätöön, joten simulointien ja kirjallisuustutkimuksen tarkoituksena on täysin vektorisäädöstä eriytetyn skalaarisäädön kehitysmahdollisuuksien tutkiminen. Kirjallisuudessa esiintyneiden säätöjen avulla muodostetaan diskreettiaikainen toteutus skalaarisäädölle vaihtovirtakäytössä, jossa on käytössä virran ja välipiirijännitteen takaisinkytkentä. Säädettävää moottoria mallinnetaan jatkuvaaikaisella L-sijaiskytkennällä. Välipiirin mallinnus toimii myös jatkuva-aikaisena lukuun ottamatta välipiirin tasavirtakomponenttia, joka muodostetaan virran takaisinkytkennän ja PWM-modulaattorin kytkinasentojen avulla. Simuloinnin tarkoituksena on mallintaa skalaarisäädön suurimpia ongelmia, kuten virta- ja välijännitesäätöä. Tuloksista voidaan päätellä, että perussäädöt toimivat moitteettomasti, mutta erityisesti virtasäätöä tulisi kehittää.

Trimmerin kapasiteetin kasvattaminen dynamiikan mallinnuksen avulla

Työn tavoitteena oli kasvattaa sahan dimensiolaitoksella käytettävän trimmerin rakenteellista kapasiteettia. Tavoitteeseen pyrittiin modernisoimalla trimmerin teräyksikköä käyttävää toimilaite ja teräyksikön säätö dynamiikan mallinnuksen avulla. Trimmerin teräyksikön dynamiikka mallinnettiin MATLAB-matematiikkaohjelmistolla kaksiulotteisena kinematiikkamallina ja kolmeulotteisena kinetiikkamallina. Dynamiikkamallien tulosten perusteella valittin teräyksikköä käyttävä toimilaite komponentteineen. Kinetiikkamalliin mallinnettiin trimmeriä käyttävä hydraulipiiri valittuine komponentteineen keskittyneiden paineiden ja puoliempiirisen mallinnuksen periaatteita käyttäen. Teräyksikön työkiertoa säätämään mallinnettiin suljettu takaisinkytketty säätöpiiri. Tuloksien perusteella valittiin optimaalinen toimilaitteen asemointigeometria ja todettiin mallinnetun järjestelmän täyttävän asetetut vaatimukset. Järjestelmää testattiin muuttamalla jarjestelman parametreja ja tutkimalla muutosten vaikutuksia jarjestelman toimintaan. Lisaksi tutkittiin lyhyesti terayksikon rakenteen keventamisen vaikutuksia.

Wood Volume Measurement Using Color Images

Tämä työ käsittelee puutukkien tilavuuden mittaamista värikonenäön avulla. Värikuvat on saatu Simpeleellä olevan metsäteollisuusyrityksen hiomosta. Työssä esitetään perusteellisesti matemaattinen teoria, joka liittyy käytettyihin kuvankäsittelymenetelmiin, kuten luokitteluun, kohinan poistoon ja tukkien segmentointiin. Esitetyt menetelmät implementointiin käytännössä ja eri menetelmillä saatuja tuloksia vertailtiin keskenään. Kuvankäsittelyalgoritmit on implementoitu Matlab 6.0:n avulla. Pääasiassa käytettiin uusinta Image Processing Toolboxia, joka on versio 3.0. Tämä työn näkökulma on pääasiassa käytäntöön soveltava, koska metsäteollsuus on korkealla tasolla Suomessa ja siellä on paljon alan yrityksiä, joissa tässä työssä kehitettyä menetelmää voidaan hyödyntää.

Satamanosturin dynamiikan reaaliaikasimulointi

Työn tavoitteena oli mallintaa satamanosturin dynamiikkaa mahdollisimman tarkasti kuvaava yksinkertaistettu malli Simulink-ohjelmalla, jonka jälkeen malli käännettiin edelleen reaaliaikasimulaattorille soveltuvaan muotoon. Nosturin malli yksinkertaistettiin käsittämään kolme osaa: Nosturin rungon, nostovaunun ja kontin. Voimista mallinnettiin pyörien kontaktivoimat, köysivoimat sekä siirtovoima. Reaaliaikasimulaattorina käytettiin Opal-RT:n RT-LAB reaaliaikasimulointiohjelmistoa, sekä tavallisia PC-tietokoneita. Simulointiin liitettiin myös 3D-animaatio, jolla nosturin liikkeet saatiin visualisoitua. Animoitava grafiikka luotiin WorldUp-ohjelmistolla ja liitettiin RT-LAB-simulaatioon RT3D-rajapinnan ja WorldUp Player:n avulla. Työn tuloksena saatiin satamanosturin dynaamista käyttäytymistä kuvaava Simulink-malli, jota on mahdollista käyttää reaaliaikaisessa simuloinnissa. Mallia testattiin RT-LAB reaaliaikasimulaattorissa, ja simuloinnista saatuja tuloksia verrattiin Adams:lla simuloituihin tuloksiin. Saatujen tulosten perusteella mallia voidaan pitää onnistuneena. Myös RT-LAB reaaliaikasimulaattori visualisointeineen vaikuttaa toimivalta kokonaisuudelta.

Puutuoteteollisuusyrityksen tilaus-toimitusketjun liiketoimintamallien kehittäminen

Tämä diplomityö on osa Puutavaralogistiikan läpinäkyvyyden kehittäminen – hanketta (PuLK-hanke), joka tähtää puutuoteteollisuudessa toimivan yrityksen tilaus-toimitusketjun läpinäkyvyyden lisäämiseen. Hanke on aloitettu kohdeyrityksen tarpeesta parantaa tilaus-toimitusketjun toimintaa uusien toimintaympäristön haasteiden edessä. Tämän työn tavoitteena oli selvittää kohdeyrityksen tilaus-toimitusketjun nykytila sekä tuottaa hankkeessa myöhemmässä vaiheessa toteutettavan systeemiteoreettisen mallinnuksen alkutiedoksi sopiva ylätason liiketoimintamalli. Nämä tehtiin kolmella eri lähestymistavalla, joiden avulla saatiin muodostettua kattava kuva nykytilasta sekä selvitettyä tarvittavalla tarkkuudella liiketoiminnan ylätason malliin vaaditut tiedot. Tärkeimmät käytetyt menetelmät olivat liiketoiminnan mallinnus, swot-analyysi kyselytutkimuksen tuloksista ja kirjallisuustutkimus tuettuna haastatteluilla, tutustumiskäynneillä ja yhteistyöosapuolien resurssien käytöllä. Liiketoiminnan mallinnus osoittautui hyödylliseksi työkaluksi paljastaen toiminnan epäkohdat koko ketjun tasolla niin, että korjaavien toimenpiteiden toteutus helpottui. Systeemiteoreettisen simulointimallin muodostaminen aloitettiin liiketoiminnan mallinnuksen tuottaman informaation pohjalta.

Mittausmenetelmien kehittaminen kuplakolonnille

Kuplakolonnireaktoreiden CFD-mallinnus on talla hetkella voimakkaasti kehittyva tutkimusalue. Kaksifaasivirtauksen luotettava simulointi ja mallintaminen on haastavaa kuplakolonnireaktorissa tapahtuvien ilmioiden monimutkaisuuden vuoksi. Reaktorin kayttaytymiseen vaikuttavat tekijat, kuten kolonnin hydrodynamiikka ja aineensiirto, tulee tuntea hyvin ennen mallien tekoa. Tassa tyossa on kokeellisesti tutkittu erilaisten mittausmenetelmien soveltuvuutta kuplakolonnin hydrodynamiikan tutkimiseen. Mittausmenetelmissa on keskitytty erityisesti CFD-mallien vaatimiin paikallisiin mittauksiin. Lisaksi tyossa on arvioitu mittausmenetelmien soveltuvuutta j a luotettavuutta CFD-mallien validointiin. Tyon kirjallisuusosassa on perehdytty kuplakolonnireaktorin hydrodynaamiseen kayttaytymiseen ja siihen vaikuttaviin tekijoihin. Naita ovat mm. reaktorityypit, kaasun dispergointi, virtaustyypit ja -alueet, kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko ja kuplan nousunopeus. Mittauksia tehtiin kahdessa erikokoisessa kuplakolonnissa, joista pienemman halkaisija oli 0,078 m ja suuremman 0,182 m. Molempien kolonnien nestepinnan korkeus oli 4,62 m. Mittaukset tehtiin vesijohtovedella ja epaorgaanisella prosessiliuoksella. Hydrodynaamisista ominaisuuksista mitattiin kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko seka kaasukuplan nousunopeus. Kaasun tilavuusosuusmittaukset tehtiin paaasiassa paine-eromittauksella ja joissakin tapauksissa pinnanmittausmenetelmalla. Kuplakoko- ja kuplan nousunopeusmittaukset tehtiin suumopeusvideokameralla ja laser Doppler-anemometrilla. Mittauksissa kaytettiin kahdeksaa erilaista kaasunjakolaitetta, joilla selvitettiin kaasunjakolaitteen ominaisuuksien vaikutusta kolonnin hydrodynamiikkaan. Tuloksista havaittiin, etta nestefaasin ominaisuuksilla oli suuri vaikutus kolonnin hydrodynaamiseen kayttaytymiseen. En kaasunjakolaitteilla vesijohtovedella mitatut hydrodynaamiset ominaisuudet eivat poikenneet paljoa toisistaan, kun taas prosessiliuoksella kaasunjakolaitteiden valille saatiin huomattavat erot. Mittausmenetelmista laser Doppler-anemometri ei kaytettavissa olleella optiikalla soveltunut kaasukuplien mittaamiseen. Kuplat olivat menetelmalle liian suuria. Suumopeusvideokamerallaja paine-eromittauksella paastiin hyviin tuloksiin.

Virtuaaliprototyypin käyttö kallioporakoneen dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikan simulointiohjelmiston soveltuvuus kallioporakoneen dynamiikan analysointiin. Työssä mallinnettiin parametrisoitu virtuaaliprototyyppi uudenlaisella toimintaperiaatteella toimivasta kallioporakoneesta. Virtuaaliprototyyppiä on tarkoitus käyttää fyysisen prototyypin mitoituksessa sekä porakoneen toiminnan simuloinnissa ja suorituskyvyn arvioinnissa ennen ensimmäisen fyysisen prototyypin valmistamista. Mallinnus tehtiin ADAMS -ohjelmistoa ja siihen liitettävää ADAMS/Hydraulics -moduulia käyttäen. Mallinnuksessa kiinnitettiin huomiota erityisesti porakoneessa esiintyvien vuotovirtauksien huomioimiseen. ADAMS -ohjelmisto soveltuu hyvin hydraulisen iskuporakoneen dynaamisten ilmiöiden simulointiin. Koska fyysistä prototyyppiä ei ole vielä olemassa, ei mallin toimintaa voida kuitenkaan tämän tutkimuksen puitteissa verifioida mittauksin. Simuloitujen tulosten perusteella voidaan todeta uuden toimintaperiaatteen olevan käyttökelpoinen kallion poraukseen. Parametrisoitua virtuaaliprototyyppiä voidaan käyttää tehokkaasti hyväksi tuotekehitysvaiheessa sekä se voidaan liittää osaksi laajempaa ja yksityiskohtaisempaa porauslaitteen simulointimallia.

Sellun jälkilajittelun kehittäminen

Työn tavoitteena oli löytää painelajittimen roottorin keskeiset muuttujat ja ajoparametrit, kun pyritään jälkilajittelemaan valkaistua sellumassaa korkeassa sakeudessa, sekä näiden vaikutukset. Tavoitteena oli teknisesti onnistunut lajittelu korkeassa sakeudessa siten, että laitteen puhdistustehokkuus on hyvä, ominaisenergian kulutus on pieni ja kapasiteetti on korkea. Ensin tarkasteltiin kuitenkin teoreettisesti valkaistun sellumassan painelajittelun ongelmakenttää, keskeisten epäpuhtauksien poistoa jälkilajittelussa ja vertailtiin korkea- ja matalasakeuslajittelua. Lisäksi esiteltiin yleisellä tasolla koesuunnittelumenetelmien periaatteita ja menetelmiä sekä analyysiä so. mallinnus. Tätä taustaa vasten haluttiin myös kartoittaa ja esitellä painelajittimen keskeinen muuttujakenttä. Tämän jälkeen selvitettiin kokeellisesti miten ajettavan valkaistun mäntysellumassan sakeus, roottorin kehänopeus ja roottorin rakenteen muutokset vaikuttavat painelajittimen kapasiteettiin, rejektin sakeutumiskertoimeen, ominaisenergian kulutukseen ja puhdistustehokkuuteen. Vaikutusten ja parhaan roottorirakenteen sekä ajosuureiden määritys suoritettiin mallintamalla mittaustulokset lineaarisella regressioanalyysilla. Saatiin tärkeimmät vasteisiin vaikuttavat riippumattomat muuttujat ja niiden matemaattiset esityk-set, malliyhtälöt. Mallinnusta hyväksi käyttäen tarkasteltiin vielä erikseen yhden roottorin ajoa. Tärkeimpinä tuloksina saatiin selville, että puhdistustehokkuus on lähes vakio tietyllä roottorirakenteella riippumatta sakeudesta ja roottorin kehänopeudesta. Edullista puhdistustehokkuuden kannalta on käyttää ensisijaisesti isoa roottorin palaelementin korkeutta ja välystä suhteessa sihtirumpuun. Jälkilajittelu painelajittimella korkeassa sakeudessa kannattaa suorittaa pienellä roottorin kehänopeudella, runko- ja palaelementtivälyksellä suhteessa sihtirumpuun sekä suurella palaelementin korkeudella. Tällöin saavutetaan hyvä kompromissi ominaisenergian kulutuksen ja laitteen ajettavuuden osalta. Iso elementin korkeus ja pieni elementtivälys eivät aja massaa tehokkaasti laitteen alaosaan. Tällöin ei pyöritetä myöskään suurta massamäärää. Pieni elementtivälys mahdollistaa myös massan tehokkaamman leikkauksen, joka parantaa fluidisoitumista. Kitkavoimat ovat luonnollisesti ko. olosuhteissa suuremmat, joten ominais-energian kulutus kasvaa jonkin verran. Ratkaisevinta ominaisenergian kulutuksen kannalta on kuitenkin ajaa laitetta pienellä kehänopeudella.

Sähkökäyttöjen kaapelivärähtelyt

Taajuudenmuuttajan kytkennän synnyttämä nopea jännitemuutos aiheuttaa pitkään moottorikaapeliin sähköisen värähtelyilmiön. Ilmiö on tullut erityisesti esille uusien nopeasti kytkevien puolijohdetehokytkimien ilmestyttyä markkinoille. Taajuudenmuuttajan lähtöön asennettu jännitteen nousunopeutta rajoittava suodin vähentää kaapelivärähtelyä, mutta riittävän pitkässä kaapelissa värähtely on voimakasta lähtösuotimesta huolimatta. Kaapelivärähtelyilmiön seurauksena moottorikaapelin taajuudenmuuttajan puoleiseen päähän syntyy voimakas virtavärähtely ja moottorin puoleiseen päähän voimakas jännitevärähtely. Sähkökäyttöjen vektorisäätöalgoritmit tekevät ohjauspäätöksiä moottorikaapelin taajuudenmuuttajan päästä tehtyjen virtamittausten perusteella. Säädön päätösväli on niin lyhyt, että kaapelin virtavärähtely ehtii häiritä säädön toimintaa. Tässä työssä on esitetty kaapelivärähtelyä kuvaava taajuudenmuuttajan lähtösuotimen huomioon ottava siirtofunktioperustainen matemaattinen malli. Mallin avulla kaapelivärähtelyilmiötä voi analysoida lineaarisen säätöteorian menetelmillä. Virtavärähtelyn moottorisäätöön tuomiin ongelmiin ratkaisuksi on esitetty virran mittasignaalin käsittelemistä analogisella ja digitaalisella suotimella. Simulointitulosten perusteella ratkaisua voidaan pitää toimivana. Lopuksi esitetään, kuinka avaruusvektoriteorian mukaista induktiomoottorimallia ja kaapelivärähtelymallia voidaan simuloida yhdessä.