Nosturin heilahduksenvaimennusjärjestelmässä esiintyvien häiriöiden tunnistaminen

Nykyaikaisissa nostureissa tehokkuutta lisätään automaation avulla. Yksi sovellus on parantaa kuorman hallintaa, tämä nopeuttaa työkiertoa ja helpottaa kuskin työtä. Järjestelmä voi myös vaikeuttaa ajamista, jos se ei toimi oikein. Työssä tutkittiin apukoneistolla toteutetun heilahduksenvaimennusjärjestelmän virheellistä toimintaa ja mistä virheellinen toiminta johtuu. Apuna käytettiin simulointimallia kyseisestä järjestelmästä. Häiriöiden tunnistukseen käytettiin tunnuslukuja, joista havaitaan virheellinen toiminta Simulointimallin avulla simuloitiin erilaisia häiriöitä, että niiden vaikutus tunnuslukuihin nähtiin. Tämän jälkeen nosturilla tehtiin työkiertoja joissa oli jokin simuloiduista häiriöistä ja mittauksista muodostettiin samoja tunnuslukuja kuin simulointituloksista ja tuloksia verrattiin keskenään. Kaikkia häiriötilanteita ei suoritettu nosturilla, koska nosturia olisi joutunut vioittamaan.

Real-Time Simulation of Mobile and Industrial Machines Using the Multibody Simulation Approach

This thesis introduces a real-time simulation environment based on the multibody simulation approach. The environment consists of components that are used in conventional product development, including computer aided drawing, visualization, dynamic simulation and finite element software architecture, data transfer and haptics. These components are combined to perform as a coupled system on one platform. The environment is used to simulate mobile and industrial machines at different stages of a product life time. Consequently, the demands of the simulated scenarios vary. In this thesis, a real-time simulation environment based on the multibody approach is used to study a reel mechanism of a paper machine and a gantry crane. These case systems are used to demonstrate the usability of the real-time simulation environment for fault detection purposes and in the context of a training simulator. In order to describe the dynamical performance of a mobile or industrial machine, the nonlinear equations of motion must be defined. In this thesis, the dynamical behaviour of machines is modelled using the multibody simulation approach. A multibody system may consist of rigid and flexible bodies which are joined using kinematic joint constraints while force components are used to describe the actuators. The strength of multibody dynamics relies upon its ability to describe nonlinearities arising from wearing of the components, friction, large rotations or contact forces in a systematic manner. For this reason, the interfaces between subsystems such as mechanics, hydraulics and control systems of the mechatronic machine can be defined and analyzed in a straightforward manner.

Nosturin kuormauselimen liitynnän suunnittelu

Paperiteollisuuden prosessituotteista paperia varastoidaan erikokoisina rullina esim. pystyrullavarastoihin. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää Konecranesin prosessinosturille liityntä paperirullia käsittelevän kuormauselimen ja nosturin välille. Tavoitteena oli löytää kiinnitysmenetelmä, joka mahdollistaa nosturien joustavan käytön mahdollisimman pienin muutoksin itse nosturin standardoituun rakenteeseen. Pääasiallisena syventymisen kohteena oli alipaineella paperirullia nostettavan kuormauselimen liityntä. Liitynnän on kyettävä joustamaan ja vaimentamaan paperirullia nostavaan kuormauselimeen nosturin liikkeelle lähdöstä ja pysähtymisestä syntyvät herätteet ja voimat. Nosturin liikenopeus on kyettävä pitämään mahdollisimman suurena lyhyen rullienkäsittelyajan saavuttamiseksi. Liitynnältä vaaditaan kykyä ottaa kuormauselin vastaan mahdollisimman suurella nostonopeudella. Lisäksi kuorman ja kuormauselimen oskillaatio on vaimennettava mahdollisimman nopeasti samalla rajoittaen heilunnasta aiheutuvaa maksimi siirtymää. Liitynnän suunnittelu pohjautuu nosturin, kuormauselimen ja paperirullan muodostaman systeemin teoreettiseen tarkasteluun. Systeemistä laadittiin dynaaminen malli, jonka avulla tutkittiin oskillaation ja syntyvien kiihtyvyyksien suuruutta. Näiden teoriaan perustuvien tuloksien pohjalta suunniteltiin vaimennukseen tarvittavat vaimennuselementit ja liitynnän rakenne. Suunnittelutyön tuloksena saatiin liitynnälle alustava rakenne, joka mahdollistaa käytettävien vaimennuselementtien vaihtamisen ja siten tehokkaan heilunnan vaimmennuksen. Suunnittelutyön lähtökohtana oleva teoreettinen tarkastelu vaatii tuekseen esim. prototyypin kokeellisten tulosten saamiseksi ennen lopullisen tuotteen valmistamista. Suunnitteluprosessissa noudatettiin järjestelmällisen tuotesuunnittelun vaiheita ja menetelmiä.

Frequency converter protection against supply network phenomena

This master’s thesis is focused on power supply network disturbances and their effects on the frequency converter – one of the components of modern process crane electrical system. The most critical disturbance types, their causes and the effect they bring to crane electrical system was determined in this work. Variety of protective devices used for mitigation of disturbances is investigated. Device protection solutions for the frequency converter used in crane applications are presented. Analyses of the power supply requirements for frequency converter and various components of crane electrical system were carried out and as a result the crane power supply requirements list that guarantees normal crane operation was built. This list is to be included in crane projects for troubleshooting purposes in order to determine potentially dangerous network.

Metsäkoneen kouran ja hakkuupään pikavaihdon kehittäminen

Yhdistelmämetsäkone on metsäkone, jota voidaan käyttää sekä hakkuukoneena että kuormatraktorina. Konetta voidaan käyttää sekä puiden kaatamiseen, karsimiseen ja katkomiseen että puiden kuormaamiseen ja kuljettamiseen. Tässä diplomityössä suunnitellaan uusi kouran ja hakkuupään pikalukitusmekanismi yhdistelmämetsäkoneen kuormaimeen. Suunnittelutyössä edetään vaiheittain järjestelmällisen tuotesuunnittelun periaatteiden mukaisesti. Tärkeimpänä tavoitteena suunnittelutyönsä on nopeuttaa kouran vaihtoa ja helpottaa kuljettajan työtä. Suunnittelutyön alkuvaiheessa etsitään lukitusmekanismille useita eri ratkaisuvaihtoehtoja, joista valitaan paras jatkokehitykseen. Valittua ratkaisuvaihtoehtoa kehitetään simulointia ja elementtimenetelmälaskentaa apuna käyttäen.

Simulointi- ja ohjausjärjestelmän kehitys siltanosturiavusteiseen automaattivarastoon

Diplomityö tehtiin Konecranes Oyj:lle, joka on nostureita valmistava ja niille kunnossapitopalveluita tarjoava suomalainen pörssiyhtiö. Työn kuluessa suunniteltiin ja toteutettiin siltanosturiavusteisiin automaattivarastoihin soveltuva simulointiohjelmisto ja varastonohjausjärjestelmä. Työssä keskityttiin pääsääntöisesti paperirullavarastoihin, mutta suunnitteluvaiheessa otettiin huomioon myös muut Konecranesin tarjontaan kuuluvat automaattivarastotyypit kuten vaakarulla ja kontti. Simulointiohjelmistolla mallinnetaan automaattivarastossa tapahtuvia liikkeitä. Käyttäjä pystyy näkemään nostureiden ja muiden varastossa olevien komponenttien liikkeet 3D- muotoisena simulaattorin käyttöliittymästä. Simulaattorin tavoitteena on helpottaa automaattivaraston suunnittelua ja nopeuttaa sen käyttöönottoa, sekä toimia myös vakuuttavana myyntityökaluna asiakaskontakteissa. Varastonohjausjärjestelmä tekee päätökset varaston tapahtumista ja ohjaa mm. nostureiden toimintaa. Diplomityön päämääränä oli perehtyä tarkasti nykyisen varastonohjausjärjestelmän toimintaan, kehittää uusi ratkaisumalli puutteiden sekä toiveiden perusteella ja lopulta osoittaa ratkaisumallin toimivuus ohjelmoimalla esittelyversio simulaattorista ja varastonohjausjärjestelmästä. Samaa varastonohjausjärjestelmää on määrä käyttää simulaattorissa ja tulevaisuudessa todellisen varaston ohjaamisessa. Asetetuista vaatimuksista johtuen järjestelmästä suunniteltiin mahdollisimman mukautuva. Työn lopputuloksena saatiin perusominaisuudet kattava 3D-simulaattori ja siihen liitetty varastonohjausjärjestelmä. Toteutuksen avulla oli mahdollista osoittaa ratkaisumallin toimivuus sekä esitellä ideaa laajamittaisemmin. Diplomityön kuluessa saatiin nykyisestä järjestelmästä kattavat tiedot ja pystyttiin määräämään suunta, kuinka kehitystyötä jatketaan.

Teippaaminen ja liimaaminen teräsrakenteissa

Mekaanisten liittämismenetelmien ja hitsaamisen lisäksi teippaamista ja liimaamista voidaan käyttää myös teräsrakenteissa. Sillä on omat hyvät ja huonot puolensa, joita tässä työssä käydään erilaisten teippien ja liimojen sovelluskohteita tarkastelemalla. Työn tavoitteena on tutkia yleisesti teippejä ja liimoja. Lisäksi työssä on tarkoitus selvittää, soveltuuko liima- tai teippiliitos teollisuusnosturin kaapelikourun liittämiseksi kuormapalkin uumaan.

Moottorin paikkasäädön toteutus dsPIC-ohjaimella

Työssä suunniteltiin nostinsimulaattorin z-akselin suuntaiselle moottorille paikkasäätö ja sen ohjaus CAN-väylää pitkin. Työ toteutettiin projektiryhmässä, jossa eri henkilöt vastasivat eri osa-alueista. CAN-kommunikointi saatiin toimimaan ja lisäksi moottorilta pystyttiin lukemaan paikkatieto talteen. Moottorin säätö jäi vielä puuttumaan.

Kuivajätehuollon hiilijalanjälki ja kustannukset sekä kuljetusten kilpailutus – Etelä-Karjalan aluekeräyspisteverkoston päivitys

Tutkimuksen tavoitteena oli yhtenäistää Etelä-Karjalan alueen erilaisia tapoja toimia alueke-räyksen suhteen. Aluekeräyksellä tarkoitetaan jätteiden keräystä pisteiltä, joihin kotitaloudet, jotka eivät kuulu kiinteistökohtaiseen keräykseen, voivat tuoda syntypaikkalajitellun kuiva- eli sekajätteensä. Tavoitteena oli myös saada tietoa siitä, minkälaiset ovat eri kuivajätehuoltovaihtoehtojen ilmastonmuutos- ja kustannusvaikutukset. Lisäksi tavoitteena oli selvittää, miten ympäristönäkökohdat voidaan ottaa huomioon kuljetuskilpailutuksissa. Tutkimuksessa kerättiin tietoa internetistä, opinnäytetöistä ja tieteellisistä artikkeleista sekä yritysten edustajilta. Kasvihuonekaasupäästöjen laskennassa hyödynnettiin GaBi 6.0 -elinkaariarviointiohjelmaa. Tutkimuksen perusteella aluekeräyspisteet kannattaa sijoittaa reiteille, joita asukkaat käyttävät vähintään kerran viikossa ja mitkä ovat optimaalisesti myös kuljetusurakoitsijan kannalta. Taajama-alueelle ei nähty suositeltavaksi sijoittaa aluekeräyspisteitä. Suositeltavina astioina aluekeräyspisteille nähtiin syväkeräyssäiliöt, joiden tyhjennys onnistuu samalla keräyskalustolla kuin kiinteistöjen jäteastioiden, kun ajoneuvo on varustettu puominosturilla. Suositeltavaksi nähtiin myös harventaa jäteastioiden talvityhjennystiheyksiä, jos tyhjennystiheys on vakio ympäri vuoden, sillä pääosa aluekeräyspisteiden käyttäjistä on loma-asukkaita. Tyhjennystiheyksien harvennuksella olisi mahdollista saavuttaa kustannussäästöjä. Tutkimuksessa laskettiin kuivajätteen elinkaarenaikaisia kasvihuonekaasupäästöjä kuivajätteen keräyksestä loppusijoitukseen ja energiahyötykäyttöön. Energiahyötykäyttökohteiksi valittiin Riihimäen, Kotkan sekä Leppävirran (suunnitteilla) jätteenpolttolaitokset. Tulosten pohjalta kuivajätteen energiahyötykäyttö oli loppusijoitusta selkeästi parempi vaihtoehto. Kuivajätteen keräys- ja kuljetuspäästöjen vaikutus oli pieni. Kuivajätteen kuljetusmatkan pituus jätteenpolttolaitokselle ei ole siis ratkaisevassa roolissa kokonaiskasvihuonekaasupäästöjä tarkasteltaessa. Etäisyyttä suurempi vaikutus onkin kuivajätteen koostumuksella, polttolaitosten vuosihyötysuhteilla ja korvattavilla polttoaineilla. Jatkossa suositellaan selvittämään vielä vaihtoehtoisia käsittelytapoja kuivajätteen sisältämälle sekamuovijakeelle, jonka poltosta aiheutuu merkittävä osuus (noin 74 %) kuivajätteen polton kasvihuonekaasupäästöistä. Ajankohtaisia kuljetuskilpailutuksia varten tarkasteltiin vielä tarkemmin keräys- ja kuljetuspäästöjä. Tulosten pohjalta havaittiin, että keräys- ja kuljetuspäästöjä on mahdollista vähentää reilusti (46–74 %) siirtymällä dieselistä biopolttoaineiden käyttöön. Tuloksiin vaikuttaa kuitenkin merkittävästi, minkälaisista raaka-aineista biopolttoaineet on valmistettu. Kuivajätteen keräyspäästöjä on mahdollista pienentää myös päivittämällä aluekeräyspisteverkostoa. Tutkimuksessa tarkasteltiin kustannuksia aluekeräyspisteiden astioiden uusinnasta tai korjauksesta kuivajätteen loppusijoitukseen tai energiahyötykäyttöön asti. Merkittävimmät kustannukset aiheutuivat kuivajätteen loppusijoituksesta, energiahyötykäytöstä sekä keräyksestä. Kustannusten näkökulmasta keräyksen rooli oli siis suurempi. Työn lopussa annettiin vielä vinkkejä, joiden avulla jätehuoltoyritykset voivat tehdä jätekuljetushankintoja ympäristönäkökohdat huomioiden. Usein selkein tapa huomioida ympäristönäkökohdat kuljetuskilpailutuksissa on asettaa riittävän tiukkoja pakollisia vaatimuksia, jolloin voi valita hinnaltaan halvimman vaihtoehdon. Kuljetuspalvelun hankinnassa tulee huomioida ainakin energiankulutus, hiilidioksidi-, typenoksidi-, hiilivety- ja hiukkaspäästöt. Lainsäädäntö ei määrää vähimmäistasoja, vaan hankintaa tehdessä kannattaa kartoittaa markkinatilanne, jotta vaatimukset osaa asettaa oikealle tasolle. Markkinoille kannattaa myös tiedottaa tulevaisuuden tarpeista ja suunnitelmista. Suuria hankintakokonaisuuksia suositellaan pilkottavan pienempiin osiin, jotta pienet ja keskisuuret yritykset pystyvät myös osallistumaan tarjouskilpailuihin. Kannustus innovaatioiden huomioimiseen hankinnoissa on lisääntynyt myös jätehuollon alalla. Selvitettyjen kasvihuonekaasupäästöjen perusteella oli merkille pantavaa, miten suuri vaikutus polttolaitoksen valinnalla oli kasvihuonekaasupäästöihin. Oleellista onkin huomioida ympäristönäkökohdat myös energiahyötykäyttökohdetta valittaessa.

Prosessilaitteen teräsrakenteen optimointi

Diplomityön tarkoituksena oli optimoida puukentän nosturin teräsrakenteiden kustannuksia ja selvittää halvemman valmistusmaan vaikutus nosturin kokonaiskustannukseen. Tavoitteena oli saada 15 % kokonaiskustannussäästö. Työn alussa perehdytään optimoitavan nosturin rakenteeseen ja mahdollisiin rakenteen optimoitaviin osiin. Teräsrakenteen optimointi alkoi kustannusrakenteen tarkalla selvittämisellä. Näin saatiin kuva nosturin kokonaiskustannuksesta ja mahdollisista säästökohteista. Uusien ideoiden kehittämisessä käytettiin hyväksi osatoimintojen pisteytystä ja ideamatriisia. Ideamatriisin lopputuloksena uudet rakenteet tarkastettiin nosturin kuormituksien suhteen ja valittiin kustannusten kannalta paras ratkaisu. Teräsrakenteeseen tehtiin muutoksia myös merirahdin konttien asettamien rajaehtojen mukaan. Kiinassa valmistettavalle teräsrakenteelle tehtiin rahtisuunnitelma, jossa selvitettiin optimaalinen rahtimuoto ja tarvittavien konttien lukumäärä. Tarjouskilpailun avulla saatiin halvin kuljetushinta valmistavalta tehtaalta työmaalle. Lopuksi nosturin optimoidun teräsrakenteen kustannuksia verrattiin työn alussa selvitettyyn kustannusrakenteeseen. Työn lopputuloksena päästiin 12 % potentiaaliseen kustannussäästöön, joka jäi kolme prosenttiyksikköä kustannussäästötavoitteesta.

Novel virtual environment and real-time simulation based methods for improving life-cycle efficiency of non-road mobile machinery

Virtual environments and real-time simulators (VERS) are becoming more and more important tools in research and development (R&D) process of non-road mobile machinery (NRMM). The virtual prototyping techniques enable faster and more cost-efficient development of machines compared to use of real life prototypes. High energy efficiency has become an important topic in the world of NRMM because of environmental and economic demands. The objective of this thesis is to develop VERS based methods for research and development of NRMM. A process using VERS for assessing effects of human operators on the life-cycle efficiency of NRMM was developed. Human in the loop simulations are ran using an underground mining loader to study the developed process. The simulations were ran in the virtual environment of the Laboratory of Intelligent Machines of Lappeenranta University of Technology. A physically adequate real-time simulation model of NRMM was shown to be reliable and cost effective in testing of hardware components by the means of hardware-in-the-loop (HIL) simulations. A control interface connecting integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) with virtual simulation model of log crane was developed. IEHEC consists of a hydraulic pump-motor and an integrated electrical permanent magnet synchronous motorgenerator. The results show that state of the art real-time NRMM simulators are capable to solve factors related to energy consumption and productivity of the NRMM. A significant variation between the test drivers is found. The results show that VERS can be used for assessing human effects on the life-cycle efficiency of NRMM. HIL simulation responses compared to that achieved with conventional simulation method demonstrate the advances and drawbacks of various possible interfaces between the simulator and hardware part of the system under study. Novel ideas for arranging the interface are successfully tested and compared with the more traditional one. The proposed process for assessing the effects of operators on the life-cycle efficiency will be applied for wider group of operators in the future. Driving styles of the operators can be analysed statistically from sufficient large result data. The statistical analysis can find the most life-cycle efficient driving style for the specific environment and machinery. The proposed control interface for HIL simulation need to be further studied. The robustness and the adaptation of the interface in different situations must be verified. The future work will also include studying the suitability of the IEHEC for different working machines using the proposed HIL simulation method.

Effects of life cycle profits on the profitability of industrial heavy duty cranes

The goal of the thesis was to investigate how much after-sales profits a crane sale generates over the life cycle of the crane and the effects of these after-sales profits on the overall profitability of the crane. The thesis utilizes theories about life cycle costing from an equipment and service supplier’s point of view. However, instead of costs, the thesis is focused on the life cycle after-sales profits from maintenance services and spare parts provided for the sold crane. The case study approach was chosen and a total of five cranes from three different segments were investigated. An eight-step life cycle profit calculation model was developed in order to analyze the chosen cases’ life cycle profits systematically. The results of the investigation suggest that the life cycle after-sales profits are significant in value. In the case analyses they accounted for between 20% and 44% of the overall life cycle profits of the case cranes. The after-sales profits should be taken into account already in the pricing when offering a crane to a customer.

Teleskooppipuomin valmistuksen kehittäminen

KESLA 2110T -autonosturin siirtopuomin teleskooppimainen rakenne koostuu kolmesta sisäkkäin menevästä puomista. Näiden puomien muodonmuutokset ja mittavaihtelut ovat kriittisiä seikkoja siirtopuomin kokoonpantavuuden kannalta. Liian suuret muodonmuutokset ja mittavaihtelut aiheuttavat ylimääräistä työtä siirtopuomien kokoonpanossa, mikä lisää tuotteen läpimenoaikaa ja valmistuskustannuksia. Työssä pyrittiin selvittämään valmistusprosessin kriittisimmät osat kokoonpantavuuden kannalta sekä varmistamaan niiden vaikutus mittauksin. Valmistusprosessin ongelmakohtia selvitettiin ensin haastattelemalla tuotannon työntekijöitä ja toimihenkilöitä. Saatujen tuloksien perusteella suunniteltiin tarkoituksenmukaiset mittausjärjestelyt, joilla valmistusprosessin ongelmakohdat voidaan todeta. Mittaukset suoritettiin kahdelle viiden siirtopuomin koesarjalle ja samalla kehitettiin valmistusprosessia. Puomien mittauksissa keskityttiin kokoonpanon kannalta kriittisiin mittoihin. Mittatuloksia arvioidaan toleranssien, standardien ja prosessien suorituskyvyn parametrien avulla. Työssä selvitettiin myös rullamuovauksen soveltuvuutta puomien valmistusmenetelmäksi sekä välyksen vaikutusta kokoonpantavuuden kehittämiseksi. Mittauksissa havaittiin mittavirheiden kertautuvan valmistusprosessin varrella. Kokoonpantavuuden kannalta kriittisimmät virheet ovat puomien alakotelon V-pohjan toislaitaisuus sekä puomien kieroutuminen hitsausvaiheessa. Puomien korkeus- tai leveysvaihteluilla ei ole suurta merkitystä, sillä niitä voidaan kompensoida liukupaloja säätämällä.

Beauty and the Beast

Walter Cranen kuvitusta satuun Kaunotar ja hirviö.