Pituussuunnassa hitsatun rakenneputken väsymislujuus HF –hitsausta käytettäessä

Tässä diplomityössä määritettiin pituussuunnassa hitsatun rakenneputken väsymislujuus HF –hitsausta käytettäessä. Työn tavoitteena oli vertailla eri jälkikäsittelyjen ja kahden eri materiaalin vaikutusta väsymislujuuteen. Materiaaleina kokeissa oli Ruukki double grade ja Optim 700 Plus MH. Eurokoodi 3 ja IIW määrittelee kiinnityshitseille väsymiskestävyysluokaksi 125-140, kun SN -käyrän kaltevuus, m = 3. Koetuloksia vertailtiin näihin valmiiksi määriteltyihin väsymiskestävyysluokkiin. Ruukki Metals Oy toimitti koemateriaalin kahdenlaisia väsytyskokeita varten, joiden avulla väsymislujuus voitiin määrittää. Ensimmäinen koe suoritettiin värähtelyllä hyödyntäen rakenneputken ominaistaajuutta, jolloin kuormituksen rajajännityssuhde on -1. Toinen väsytyskoe suoritettiin rakenneputkista leikatuille väsytyssauvoille, missä pituussuuntainen HF –hitsi on keskellä sauvaa. Tämä väsytyskoe suoritettiin vetotykytyksellä rajajännityssuhteella 0,1. Väsytyskokeissa havaittiin, että kiinnityshitsi täyttää sille asetetut vaatimukset, koska murtumat tapahtuivat perusaineesta. Tällöin koetuloksia vertaillaan Eurokoodi 3:n perusaineen väsymisluokkaan 160, SN -käyrän kaltevuudella m = 5. Kaikkien koetulosten väsymiskestävyysluokan keskiarvoksi saatiin 185 95 %:n todennäköisyydellä. Tutkimuksessa saatiin arvokasta tietoa kahden eri materiaalin väsymislujuudesta. Materiaalilla ei kuitenkaan havaittu vaikutusta lujuuteen. Eri jälkikäsittelyt eli juuren puolen metallipurseen höyläys tai pituussuuntaisen hitsisauman hehkutus eivät vaikuttaneet väsymislujuuteen. Kokeissa väsymismurtuma ydintyi rakenneputken pinnalta olevista alkuvioista, joten putkien käsittelyä valmistuksen jälkeen voitaisiin parantaa.

Michelson interferometer with porch swing bearing for portable FTIR spectrometer

The interferometer for low resolution portable Fourier Transform middle infrared spectrometer was developed and studied experimentally. The final aim was a concept for a commercial prototype. Because of the portability, the interferometer should be compact sized and insensitive to the external temperature variations and mechanical vibrations. To minimise the size and manufacturing costs, Michelson interferometer based on plane mirrors and porch swing bearing was selected and no dynamic alignment system was applied. The driving motor was a linear voice coil actuator to avoid mechanical contact of the moving parts. The driving capability for low mirror driving velocities required by the photoacoustic detectors was studied. In total, four versions of such an interferometer were built and experimentally studied. The thermal stability during the external temperature variations and the alignment stability over the mirror travel were measured using the modulation depth of the wide diameter laser beam. Method for estimating the mirror tilt angle from the modulation depth was developed to take account the effect from the non-uniform intensity distribution of the laser beam. The spectrometer stability was finally studied also using the infrared radiation. The latest interferometer was assembled for the middle infrared spectrometer with spectral range from 750 cm−1 to 4500 cm−1. The interferometer size was (197 × 95 × 79) mm3 with the beam diameter of 25 mm. The alignment stability as the change of the tilt angle over the mirror travel of 3 mm was 5 μrad, which decreases the modulation depth only about 0.7 percent in infrared at 3000 cm−1. During the temperature raise, the modulation depth at 3000 cm−1 changed about 1 . . . 2 percentage units per Celsius over short term and even less than 0.2 percentage units per Celsius over the total temperature raise of 30 °C. The unapodised spectral resolution was 4 cm−1 limited by the aperture size. The best achieved signal to noise ratio was about 38 000:1 with commercially available DLaTGS detector. Although the vibration sensitivity requires still improving, the interferometer performed, as a whole, very well and could be further developed to conform all the requirements of the portable and stable spectrometer.

Vibrations in Rotating Machinery Arising from Minor Imperfections in Component Geometries

Vibrations in machines can cause noise, decrease the performance, or even damage the machine. Vibrations appear if there is a source of vibration that excites the system. In the worst case scenario, the excitation frequency coincides with the natural frequency of the machine causing resonance. Rotating machines are a machine type, where the excitation arises from the machine itself. The excitation originates from the mass imbalance in the rotating shaft, which always exists in machines that are manufactured using conventional methods. The excitation has a frequency that is dependent on the rotational speed of the machine. The rotating machines in industrial use are usually designed to rotate at a constant rotational speed, the case where the resonances can be easily avoided. However, the machines that have a varying operational speed are more problematic due to a wider range of frequencies that have to be avoided. Vibrations, which frequencies equal to rotational speed frequency of the machine are widely studied and considered in the typical machine design process. This study concentrates on vibrations, which arise from the excitations having frequencies that are multiples of the rotational speed frequency. These vibrations take place when there are two or more excitation components in a revolution of a rotating shaft. The dissertation introduces four studies where three kinds of machines are experiencing vibrations caused by different excitations. The first studied case is a directly driven permanent magnet generator used in a wind power plant. The electromagnetic properties of the generator cause harmonic excitations in the system. The dynamic responses of the generator are studied using the multibody dynamics formulation. In another study, the finite element method is used to study the vibrations of a magnetic gear due to excitations, which frequencies equal to the rotational speed frequency. The objective is to study the effects of manufacturing and assembling inaccuracies. Particularly, the eccentricity of the rotating part with respect to non-rotating part is studied since the eccentric operation causes a force component in the direction of the shortest air gap. The third machine type is a tube roll of a paper machine, which is studied while the tube roll is supported using two different structures. These cases are studied using different formulations. In the first case, the tube roll is supported by spherical roller bearings, which have some wavinesses on the rolling surfaces. Wavinesses cause excitations to the tube roll, which starts to resonate at the frequency that is a half of the first natural frequency. The frequency is in the range where the machine normally operates. The tube roll is modeled using the finite element method and the bearings are modeled as nonlinear forces between the tube roll and the pedestals. In the second case studied, the tube roll is supported by freely rotating discs, which wavinesses are also measured. The above described phenomenon is captured as well in this case, but the simulation methodology is based on the flexible multibody dynamics formulation. The simulation models that are used in both of the last two cases studied are verified by measuring the actual devices and comparing the simulated and measured results. The results show good agreement.

Tasoseulan parametrien kokeellinen optimointi ja simulointimallin verifiointi

Tämä kandidaatintyö tarkastelee rakeisen materiaalin seulontaan liittyviä käsitteitä ja laitteita, etsii optimaalisia parametreja seulonnan erotustehokkuudelle laboratorio-olosuhteissa sekä verifioi aikaisempien tutkimuksien simulointimallia. Mittauksessa seulottiin erikokoisia lasipalloja. Mittausten muuttuvia parametreja olivat seulatason värähtelyn taajuus, kaltevuus ja syöttömassa. Värähtely edistää partikkelien kerrostumista, kaltevuus lisää partikkelien vierintänopeutta ja syöttömassan lisääminen tarkoittaa suurempaa kapasiteettia. Mittausten perusteella värähtelyn ja kaltevuuden lisääminen parantaa erotustehokkuutta. Sen sijaan liiallinen kaltevuuden ja syöttömassan lisääminen heikentää erotustehokkuutta. Seulonnan erotustehokkuudet määritettiin alitteiden kokonaismassan perusteella. Tässä työssä kokeellisesti määritettyjä erotustehokkuuden arvoja verrattiin Rotich et al. [2013, 2014] kehittämän seulan simulointimallin tuloksiin. Malli simuloi seulan erotustehokkuutta eri seulan parametreilla ja mallin antamat simulointitulokset noudattivat hyvin tässä työssä saatuja kokeellisia mittaustuloksia.

Teollisuuspuhaltimien runkorakenteiden ja siipipyörien suunnittelu

Tämä diplomityö tehtiin Voikkaalla Dust Control Systems Oy:lle. Työ on osa teollisuuspuhaltimien tuotekehitystä yrityksen olemassaolevan puhallinratkaisujen, sekä suunnitteluprosessin kautta. Työn tavoitteena oli tutkia puhaltimen toiminnasta aiheutuvan värähtelyn vaikutusta puhaltimen rakenteisiin nykyisillä puhallinmalleilla, sekä tutkia eri rakenneratkaisujen käyttöä yrityksen normaalista tuotelinjasta suuremmilla puhaltimilla. Työ toteutettiin kahden toteutuneen puhallinprojektin yhteydessä, joiden rakenteellisia ominaisuuksia pyrittiin arvioimaan normaalin suunnitteluprosessin ohella puhallinkomponenttien mitoituksen suhteen. Molemmat projektit olivat yrityksen mittakaavassa huomattavan suuria sekä suunnittelultaan haastavia, joten ne sopivat diplomityön toteutukseen hyvin. Suunnittelussa käytettiin FE-mallinnukseen Femap ja COMSOL-ohjelmistoja, sekä värähtelyn simulointiin yliopistolla kehitettyä RoBeDyn – laskentaohjelmaa. Työn aikana todettiin, että tarkempi FE-mallinnus yrityksen valmiista 3D-malleista on varsin hankala toteuttaa ja vaatisi mallien suunnittelun erityisesti lujuuslaskentaa varten. Laskennassa päädyttiin käyttämään yksinkertaistettuja malleja, joiden avulla saatiin johdonmukaisia arvioita puhaltimien toiminnasta eri materiaalivahvuuksilla. Käytännössä tuloksien oikeellisuutta päästään arvioimaan kesällä 2015 puhaltimien valmistuttua.

Sähkökoneessa esiintyvien voimien yksityiskohtainen mittausjärjestelmä

Hissiteollisuudessa nostokoneistoina käytettyjen sähkömoottoreiden laatuvaatimukset ovat tiuken-tuneet viime vuosina. Erityisesti koneistojen tuottama ääni ja mekaaninen värähtely ovat olleet jat-kuvasti tiukentuneen tarkastelun alaisena. Hissikoriin ja hissiä ympäröiviin rakenteisiin välittyvästä värähtelystä johtuva ääni on yksi hissin laatuvaikutelmaan merkittävimmin vaikuttavia tekijöitä. Nostokoneisto on yksi tärkeimmistä äänen ja värähtelyn lähteistä hissijärjestelmässä. Koneiston suunnittelulla edellä mainittuja tekijöitä voidaan minimoida. Sähkökoneiden suunnittelussa finiit-tielementtimenetelmien (FEM) käyttö on vakiintunut haastavimmissa sovelluksissa. Kone Oyj:llä nostokoneistoina käytetään aksiaalivuokestomagneettitahtikoneita (AFPMSM), joiden FEM simu-lointiin käytetään yleisesti kolmea eri tapaa. Kukin näistä vaihtoehdoista pitää sisällään omat hyö-tynsä, että haittansa. Suunnittelun kannalta tärkeää on oikean menetelmän valinta ai-ka/informatiivisuus suhteen maksimoimiseksi. Erittäin tärkeää on myös saatujen tulosten oikeelli-suus. Tämän diplomityön tavoite on kehittää järjestelmä, jonka avulla AFPMS-koneen voimia voidaan mitata yksityiskohtaisella tasolla. Järjestelmän avulla voidaan tarkastella käytössä olevien FE-menetelmien tulosten oikeellisuutta sekä äänen että värähtelyn syntymekanismeja. Järjestelmän tarkoitus on myös syventää Kone Oyj tietotaitoa AFPMS-koneiden toiminnasta. Tässä työssä esitellään AFPMS-koneen epäideaalisuuksia, jotka voivat vaikuttaa mittajärjestelmän suunnitteluun. Myös koneen epäideaalisuuksiin lukeutuvaa ääntä on tarkasteltu tässä työssä. Jotta työn tavoitteiden mukaista FE-menetelmien vertailua ja tulosten oikeellisuuden tarkastelua voitai-siin tehdä, myös yleisimpiä AFPMS-koneen FE-menetelmiä tarkastellaan. Työn tuloksena on mittajärjestelmän suunnitelma, jonka avulla voidaan toteuttaa kuuden vapausas-teen voimamittaus jokaiselle koneistomagneetille alle 1N resoluutiolla. Suunnitellun järjestelmän toimivuutta on tarkasteltu FE-menetelmiä käyttäen ja järjestelmässä käytettävän voima-anturin ky-vykkyyttä on todennettu referenssimittauksin. Suunniteltu mittajärjestelmä mahdollistaa sähkömoottorin useiden eri epäideaalisuuksien tarkaste-lun yksityiskohtaisella tasolla. Mittausajatuksen soveltaminen myös muiden koneiden tutkimiseen tarjoaa mahdollisuuksia jatkotutkimuksille.

Pyörivän keskiökärjen rakenteen kehittäminen työstövärähtelyjen välttämiseksi sorvauksessa

Tässä diplomityössä käsitellään sorvauksen työstövärähtelyjen ja sorvin keskiökärjen rakenteen yhteyttä. Työ on osa Lappeenrannan teknillisen yliopiston VMAX-projektia, ja sen taustalla on pyrkimys uudenlaisen, sorvin kärkipylkän puristusvoiman ajonaikaiseen säätämiseen perustuvan työstövärähtelyjen välttämismenetelmän kehittämiseen. Tämän menetelmän toiminnan todentaminen oli työn ensimmäinen tavoite. Menetelmän toteuttaminen asettaa kuitenkin käytetyn keskiökärjen rakenteelle tiettyjä vaatimuksia. Työn toisena tavoitteena oli nämä vaatimukset täyttävän keskiökärjen prototyypin kehittäminen. Tutkimus eteni seuraavasti. Ensimmäiseksi ongelma määriteltiin tutustumalla työn teoreettiseen taustaan ja aiheeseen liittyvään tutkimukseen Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta ja muualta. Myös keskiökärkiä valmistavien yritysten tuotekatalogeja tarkasteltiin. Seuraavaksi siirryttiin alustavaan suunnitteluvaiheeseen, jossa verifioitiin menetelmän toiminta ja luotiin konsepteja keskiökärjen rakenteen kehittämistä varten. Tämän alustavan vaiheen jälkeen suoritettiin suunnitteluprosessi keskiökärjen prototyypille. Lopuksi, suunnitellun prototyypin rakenteen käyttäytymistä arvioitiin tietokonemallinnuksen avulla. Lisätuloksena tutkimuksen aikana johdettiin yksinkertaistettu elementtimenetelmään perustuva laskentamalli järjestelmän ominaistaajuuksien selvittämiseksi. Laskentamallin tarkkuutta arvoitiin. Suunnitteluprosessin tuloksena saatiin kaikki menetelmän toiminnan sekä normaalin käytön asettamat vaatimukset täyttävä rakenne keskiökärjen prototyypille. Myös johdetun laskentamallin tulokset ovat varsin lähellä 3D-elementtimallinnuksen antamia tuloksia. Tutkimuksen tavoitteiden voidaan siis sanoa toteutuneen. Koska prototyyppiä ja laskentamallia ei kuitenkaan ole vielä kokeellisesti verifioitu, tämä ei ole täysin varmaa.

Melo generaattori 1 kuntokartoitus

Työn tarkoitus on arvioida ja selvittää, milloin generaattorin uusinta on optimaalista tehdä vesivoimalaitoksella teknisen kunnon suhteen. Melon generaattori otettiin käyttöön vuonna 1971 ja se on peruskunnostettiin 1998. Vuonna 2009 tehdyn kuntokartoituksen mukaan koneelle annettiin laskelmien 20 vuotta elinikään. Alkuperäisessä generaattorissa on ollut ongelmia alusta asti. Alkuperäiset ongelmat pohjautuvat väärään uralukuun, joka aiheutti värinöitä koneeseen. Värinät saatiin korjattua staattorin käämitystä muuttamalla 1973 ja muutos rajoitti generaattorin tehon 33 MW:iin. Myöhemmin konetta on ajettu yli 33 MW:n teholla, joka aiheutti staattorin levypaketin aaltoilun. Aaltoilu olisi voinut aiheuttaa vakan vaurion generaattoriin. Vuonna 2014 tehdyn revision yhteydessä edellä mainitut ongelmat poistuivat. Ottaen huomioon generaattori 2 ongelmat (käyttöönotettu 1971), niin voidaan todeta, että revisio tehtiin täysin optimaaliseen aikaan.

Determining vehicle drivetrain dynamics using system identification

Target of this book is to propose an approach for modelling drivetrain dynamics in order to design further a vibration control system of a hybrid bus. In this thesis two approaches are examined and compared. First model is obtained by theoretical means: drivetrain is represented as a system of rotating masses, which motion is described with differential equations. Second model is obtained using system identification method: mathematical description of the dynamic behavior of a system is formed based on measured input (torque) and output (speed) data. Then two models are compared and an optimal approach is suggested.

Pyörivien sähkökäyttöjen ennakoiva kunnossapito reaaliaikaisen värähtelymittauksen avulla

Teollisuuden pyörivien sähkökäyttöjen ennakoivaan kunnossapitoon investoidaan jatkuvasti enemmän ja enemmän, jotta käytönaikaisia sähkökäyttöjen rikkoontumisia saataisiin ehkäistyksi. Lisäksi huoltojen ajoittamista halutaan optimoida siten, että suunniteltujen tuotantoseisokkien aikana saataisiin tehdyksi oleelliset ja tarpeelliset huoltotoimenpiteet. Pyörivien sähkökäyttöjen kunnonvalvontamenetelmiä ja -tapoja on erilaisia ja yhtenä vaihtoehtona voisi olla reaaliaikainen värähtelymittaus. Tässä diplomityössä tarkastellaan kunnossapidon käsitteitä, värähtelymittaukseen liittyviä suureita ja menetelmiä, sekä reaaliaikaisen värähtelymittauksen hyödyntämistä teollisuudessa.

Sellumassan varastosäiliön rakenneanalyysi

Tämä työ käsittelee valkaistun ja valkaisemattoman sellumassan varastosäiliön tärinää ja värähtelyä. Värähtelyn seurauksena säiliön seinämän jäykisterenkaan hitsausliitokseen on syntynyt särö. Työn tavoitteena on selvittää, mikä johtaa särön syntyyn ja miten kestäväm-piä varastosäiliöitä voidaan rakentaa materiaali-, valmistus- tai rakennemuutoksien avulla. Työ alkoi tutkimalla rakennemateriaalina olevan duplex-teräksen mikrorakenteen ominai-suuksia, sekä sen hitsattavuutta ja seostamista kirjallisuustutkimuksena. Kirjallisuustutki-musta jatkettiin selvittämällä mahdollisia vaurion syntymekanismeja seinämän särölle. Työssä analysoitiin myös tehtaalla mitattuja värähtelyarvoja. Lopuksi laskettiin FE-analyysillä tyhjän varastosäiliön ominaismuodot ja -taajuudet moodianalyysillä, sekä selvi-tettiin harmonisella analyysillä pinnankorkeuden vaihtelun vaikutus siirtymävasteeseen ja kriittisiin värähtelytaajuuksiin. Varastosäiliöön kohdistuvaa värähtelyä ei ole mahdollista poistaa kokonaan, mutta väräh-telyn aiheuttamia seurauksia kyetään rajaamaan useilla keinoilla. Toimenpiteinä voivat olla ainakin seinämän materiaalin paksuuden lisääminen, jäykisteripojen lisääminen ja kriittisten sellun pinnankorkeuksien välttäminen. Kriittiseksi pinnankorkeudeksi havaittiin 40–45 %:n täyttöaste ja turvalliseksi korkeudeksi 35–38 %:n täyttöaste. Varastosäiliölle kriittisen ominaistaajuuden katsotaan syntyvän taajuuksilla 3,3–3,8 Hz ja 5,8–6,4 Hz. Sellumassa putoaa varastosäiliöön noin 2 Hz taajuudella.