Levypyörien keskiöiden valmistuksen ja puristintyövaiheen kehittäminen

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää levypyörien keskiöiden valmistuksen ja raskaiden puristintöiden kehittämisen vaihtoehdot. Työn teoriaosassa on esitelty levypyörien keskiöiden valmistuksessa käytettäviä meistoteknisiä menetelmiä ja puristintyövaiheen materiaalinkäsittelyn sekä työkalujen käsittelyn ja vaihdon kehittämisratkaisuja. Lisäksi on käsitelty teollisuusrobottien käyttöä puristintöiden kappaleenkäsittelyssä sekä puristintöiden työturvallisuutta. Tuotannon kehittämistarpeiden löytämiseksi työssä analysoitiin keskiötuotannon nykytilaa. Analyysiin perusteella tutkittiin vaihtoehtoisten valmistusmenetelmien käyttöä keskiöiden valmistuksessa sekä puristinosaston layoutin kehittämismahdollisuuksia. Lisäksi selvitettiin erilaisten työkalujen ja työkappaleiden käsittelyssä käytettävien järjestelmien soveltuvuutta raskailla epäkeskopuristimilla suoritettaviin levytöihin. Vaihtoehtoisten valmistusmenetelmien käytön kannattavuutta arvioitiin selvittämällä kappalekohtaiset valmistuskustannukset eri menetelmiä käytettäessä. Puristintöiden kehittämisvaihtoehtojen kannattavuutta selvitettiin alustavasti arvioimalla muutamien työkalujen ja työkappaleiden käsittelyratkaisujen vaatimien investointien suuruutta sekä investointien edellyttämiä tuottoja. Työssä selvitettiin levypyörien keskiöiden valmistuksen ja raskailla epäkeskopuristimilla suoritettavien levytöiden kehittämistarpeita ja kehittämisvaihtoehtoja. Tehdyn selvityksen ja työssä esitettyjen kehitysehdotusten perusteella voidaan tehdä kehityssuunnitelma levypyörien keskiöiden valmistuksen ja puristintyövaiheen kehittämiseksi havaittujen kehitystarpeiden mukaisesti.

Elemental analysis of wood materials by external millibeam thick target PIXE

PIXE (Particle Induce X-ray Emission spectrometry) was used for analysing stem bark and stem wood of Scots pine, Norway spruce and Silver birch. Thick samples were irradiated, in laboratory atmosphere, with 3 MeV protons and the beam current was measured indirectly using a photo multiplicator (PM) tube. Both point scans and bulk analyses were performed with the 1 mm diameter proton beam. In bulk analyses, whole bark and sectors of discs of the stem wood were dry ashed at 550 ˚C. The ashes were homogenised by shaking and prepared to target pellets for PIXE analyses. This procedure generated representative samples to be analysed, but the enrichment also enabled quantification of some additional trace elements. The ash contents obtained as a product of the sample preparation procedure also showed to be of great importance in the evaluation of results in environmental studies. Spot scans from the pith of pine wood outwards, showed clearly highest concentrations of manganese, calcium and zinc in the first spot irradiated, or 2-3 times higher than in the surrounding wood. For stem wood from the crown part of a pine this higher concentration level was found in the first four spots/mms, including the pith and the two following growth rings. Zinc showed increasing concentrations outwards in sapwood of the pine stem, with the over-all lowest concentrations in the inner half of the sapwood. This could indicate emigration of this element from sapwood being under transformation to heartwood. Point scans across sapwood of pine and spruce showed more distinct variations in concentrations relative to hearth wood. Higher concentrations of e.g. zinc, calcium and manganese were found in earlywood than in denser latewood. Very high concentrations of iron and copper were also seen for some earlywood increments. The ash content of stem bark is up to and order higher than for the stem wood. However, when the elemental concentration in ashes of bark and wood of the same disc were compared, these are very similar – this when trees are growing at spots with no anthropogenic contamination from the atmosphere. The largest difference was obtained for calcium which appeared at two times high concentrations in ashes of bark than in ashes of the wood (ratio of 2). Pine bark is often used in monitoring of atmospheric pollution, where concentrations in bark samples are compared. Here an alternative approach is suggested: Bark and the underlying stem wood of a pine trees are dry ashed and analysed. The elemental concentration in the bark ash is then compared to the concentration of the same element in the wood ash. Comparing bark to wood includes a normalisation for the varying availability of an element from the soil at different sites. When this comparison is done for the ashes of the materials, a normalisation is also obtained for the general and locally different enrichment of inorganic elements from wood to bark. Already a ratio >2 between the concentration in the bark ash and the concentration in the wood ash could indicate atmospheric pollution. For monitoring where bark is used, this way of “inwards” comparison is suggested - instead of comparing to results from analyses of bark from other trees (read reference areas), growing at sites with different soil and, locally, different climate conditions. This approach also enables evaluation of atmospheric pollution from sampling of only relative few individual trees –preferable during forest felling.

Wind turbine operation in cold climate

The goal of the master‘s thesis is to determine and estimate ice accretion influence on the wind turbine blade performance. The thesis describes the technique of ice accretion calculation on the wind turbine blade and determination characteristics of the turbine with ice accreted. The methodology of the classic Blade Element Moment Theory was used. Iced blade experimental data was investigated in order to calculate blade with ice characteristics. The obtained results shows that iced blade power coefficient is lower than clean blade one. The heating system implementation shows that in the particular site in the Lapland region it is efficient.

Hyvitysmaksujärjestelmä - matka kasettimetristä megatavuun

Pro gradu-tutkielman tarkoituksena on selvittää, millaisia vaikutuksia vaihtoehtoisella yksityisen kopioinnin hyvitysmaksujärjestelmällä voisi olla Suomessa. Hyvitysmaksulla tarkoitetaan korvausta, joka maksetaan oikeudesta tehdä teoskappaleesta kopioita yksityiseen käyttöön. Maksu on Suomessa sisällytetty vuodesta 1984 alkaen kopiointilaitteiden hintoihin ja näin vyörytetty valmistajilta ja maahantuojilta kuluttajien maksettavakasi. Maksun alaisia laitteita ovat esimerkiksi C- kasetit, CD- levyt, digiboxit ja ulkoiset kovalevyt. Tutkielmassa kuvataan hyvitysmaksujärjestelmän historiallista kehitystä nykyiseen muotoonsa, sen toimivuutta eri intressiryhmien näkökulmasta sekä arvioidaan varteenotettavia vaihtoehtoja nykyiselle järjestelmälle. Aina uusiutuvan haasteen hyvitysjärjestelmän kehittämisessä muodostaa teknologian jatkuva muuntuminen ja uusien kopiointitekniikoiden yleistyminen. Siihen tekijänoikeuksia koskevat säädökset ovat vastanneet puutteellisesti tai jälkikäteen. Tutkimuskysymyksiä tarkastellaan virallistenlähteiden, kirjallisuuden ja asiasta julkaistujen, eri intressitahojen kannanottojen perusteella. Tutkimuksen toteutus on sekoitus kvalitatiivista, historiallista ja lainopillista tarkastelua sekä oikeustaloustiedettä. Tutkimuksesta selvisi, että hyvitysmaksujärjestelmä ei tällä hetkellä suoriudu sille asetetuista tehtävistä tyydyttävästi, ja vaihtoehtoisen järjestelmän etsiminen on ajankohtaista. Varteenotettavaksi vaihtoehdoksi yksityiseen käyttöön tapahtuvan kopioinnin korvaamiseksi tekijöille ja tuottajille on tässä tutkielmassa arvioitu korvauksen toteuttaminen viestintärahaston kautta. Tämä ratkaisisi monet nykyiset ongelmat, ja näyttäisi tutkimuksen pohjalta arvioituna olevan paras vaihtoehto. Tähän siirtyminen vaatii kuitenkin ratkaisua kohtuullisen hyvityksen määrittämisen ongelmaan.

Aasialaisten gadget -laitteiden historia ja tulevaisuuden näkymät

Tämä raportti perehtyy aasialaisten gadgettien historiaan ja tulevaisuuden näkymiin. Työn historiakatsauksessa perehdytään 1900- ja 2000-luvun gadget -laitteisiin. Gadget on pieni mekaaninen tai elektroninen laite, jolla on jokin käyttötarkoitus. Japani on viimeisen sadan vuoden aikana tuottanut lukuisia merkittäviä gadgetteja. Tunnetuimpina saavutuksina voidaan esimerkiksi pitää CD- ja DVD -levyjä sekä useita tunnettuja pelikonsoleita. Viime vuosina se on saanut kilpailijoita Itä-Aasiasta. Tulevaisuudessa voidaan mahdollisesti odottaa matkapuhelimiin liittyviä gadgetteja, entistä tarkempia ja taivuteltavia näyttöjä sekä tämänhetkisiä gadgetteja yhdisteleviä laitteita.

The supermassive binary black hole system OJ287

Abstract This doctoral thesis concerns the active galactic nucleus (AGN) most often referred to with the catalogue number OJ287. The publications in the thesis present new discoveries of the system in the context of a supermassive binary black hole model. In addition, the introduction discusses general characteristics of the OJ287 system and the physical fundamentals behind these characteristics. The place of OJ287 in the hierarchy of known types of AGN is also discussed. The introduction presents a large selection of fundamental physics required to have a basic understanding of active galactic nuclei, binary black holes, relativistic jets and accretion disks. Particularly the general relativistic nature of the orbits of close binaries of supermassive black holes is explored with some detail. Analytic estimates of some of the general relativistic effects in such a binary are presented, as well as numerical methods to calculate the effects more precisely. It is also shown how these results can be applied to the OJ287 system. The binary orbit model forms the basis for models of the recurring optical outbursts in the OJ287 system. In the introduction, two physical outburst models are presented in some detail and compared. The radiation hydrodynamics of the outbursts are discussed and optical light curve predictions are derived. The precursor outbursts studied in Paper III are also presented, and tied into the model of OJ287. To complete the discussion of the observable features of OJ287, the nature of the relativistic jets in the system, and in active galactic nuclei in general, is discussed. Basic physics of relativistic jets are presented, with additional detail added in the form of helical jet models. The results of Papers II, IV and V concerning the jet of OJ287 are presented, and their relation to other facets of the binary black hole model is discussed. As a whole, the introduction serves as a guide, though terse, for the physics and numerical methods required to successfully understand and simulate a close binary of supermassive black holes. For this purpose, the introduction necessarily combines a large number of both fundamental and specific results from broad disciplines like general relativity and radiation hydrodynamics. With the material included in the introduction, the publications of the thesis, which present new results with a much narrower focus, can be readily understood. Of the publications, Paper I presents newly discovered optical data points for OJ287, detected on archival astronomical plates from the Harvard College Observatory. These data points show the 1900 outburst of OJ287 for the first time. In addition, new data points covering the 1913 outburst allowed the determination of the start of the outburst with more precision than was possible before. These outbursts were then successfully numerically modelled with an N-body simulation of the OJ287 binary and accretion disc. In Paper II, mechanisms for the spin-up of the secondary black hole in OJ287 via interaction with the primary accretion disc and the magnetic fields in the system are discussed. Timescales for spin-up and alignment via both processes are estimated. It is found that the secondary black hole likely has a high spin. Paper III reports a new outburst of OJ287 in March 2013. The outburst was found to be rather similar to the ones reported in 1993 and 2004. All these outbursts happened just before the main outburst season, and are called precursor outbursts. In this paper, a mechanism was proposed for the precursor outbursts, where the secondary black hole collides with a gas cloud in the primary accretion disc corona. From this, estimates of brightness and timescales for the precursor were derived, as well as a prediction of the timing of the next precursor outburst. In Paper IV, observations from the 2004–2006 OJ287 observing program are used to investigate the existence of short periodicities in OJ287. The existence of a _50 day quasiperiodic component is confirmed. In addition, statistically significant 250 day and 3.5 day periods are found. Primary black hole accretion of a spiral density wave in the accretion disc is proposed as the source of the 50 day period, with numerical simulations supporting these results. Lorentz contracted jet re-emission is then proposed as the reason for the 3.5 day timescale. Paper V fits optical observations and mm and cm radio observations of OJ287 with a helical jet model. The jet is found to have a spine–sheath structure, with the sheath having a much lower Lorentz gamma factor than the spine. The sheath opening angle and Lorentz factor, as well as the helical wavelength of the jet are reported for the first time. Tiivistelmä Tässä väitöskirjatutkimuksessa on keskitytty tutkimaan aktiivista galaksiydintä OJ287. Väitöskirjan osana olevat tieteelliset julkaisut esittelevät OJ287-systeemistä saatuja uusia tuloksia kaksoismusta-aukkomallin kontekstissa. Väitöskirjan johdannossa käsitellään OJ287:n yleisiä ominaisuuksia ja niitä fysikaalisia perusilmiöitä, jotka näiden ominaisuuksien taustalla vaikuttavat. Johdanto selvittää myös OJ287-järjestelmän sijoittumisen aktiivisten galaksiytimien hierarkiassa. Johdannossa käydään läpi joitakin perusfysiikan tuloksia, jotka ovat tarpeen aktiivisten galaksiydinten, mustien aukkojen binäärien, relativististen suihkujen ja kertymäkiekkojen ymmärtämiseksi. Kahden toisiaan kiertävän mustan aukon keskinäisen radan suhteellisuusteoreettiset perusteet käydään läpi yksityiskohtaisemmin. Johdannossa esitetään joitakin analyyttisiä tuloksia tällaisessa binäärissä havaittavista suhteellisuusteoreettisista ilmiöistä. Myös numeerisia menetelmiä näiden ilmiöiden tarkempaan laskemiseen esitellään. Tuloksia sovelletaan OJ287-systeemiin, ja verrataan havaintoihin. OJ287:n mustien aukkojen ratamalli muodostaa pohjan systeemin toistuvien optisten purkausten malleille. Johdannossa esitellään yksityiskohtaisemmin kaksi fysikaalista purkausmallia, ja vertaillaan niitä. Purkausten säteilyhydrodynamiikka käydään läpi, ja myös ennusteet purkausten valokäyrille johdetaan. Johdannossa esitellään myös Julkaisussa III johdettu prekursoripurkausten malli, ja osoitetaan sen sopivan yhteen OJ287:n binäärimallin kanssa. Johdanto esittelee myös relativististen suihkujen fysiikkaa sekä OJ287- systeemiin liittyen että aktiivisten galaksiydinten kontekstissa yleisesti. Relativististen suihkujen perusfysiikka esitellään, kuten myös malleja kierteisistä suihkuista. Julkaisujen II, IV ja V OJ287-systeemin suihkuja koskevat tulokset esitellään binäärimallin kontekstissa. Kokonaisuutena johdanto palvelee suppeana oppaana, joka esittelee tarvittavan fysiikan ja tarpeelliset numeeriset menetelmät mustien aukkojen binäärijärjestelmän ymmärtämiseen ja simulointiin. Tätä tarkoitusta varten johdanto yhdistää sekä perustuloksia että joitakin syvällisempiä tuloksia laajoilta fysiikan osa-alueilta kuten suhteellisuusteoriasta ja säteilyhydrodynamiikasta. Johdannon sisältämän materiaalin avulla väitöskirjan julkaisut, ja niiden esittämät tulokset, ovat hyvin ymmärrettävissä. Väitöskirjan julkaisuista ensimmäinen esittelee uusia OJ287-systeemistä saatuja havaintopisteitä, jotka on paikallistettu Harvardin yliopiston observatorion arkiston valokuvauslevyiltä. OJ287:n vuonna 1900 tapahtunut purkaus nähdään ensimmäistä kertaa näissä havaintopisteissä. Uudet havaintopisteet mahdollistivat myös vuoden 1913 purkauksen alun ajoittamisen tarkemmin kuin aiemmin oli mahdollista. Havaitut purkaukset mallinnettiin onnistuneesti simuloimalla OJ287-järjestelmän mustien aukkojen paria ja kertymäkiekkoa. Julkaisussa II käsitellään mekanismeja OJ287:n sekundäärisen mustan aukon spinin kasvamiseen vuorovaikutuksessa primäärin kertymäkiekon ja systeemin magneettikenttien kanssa. Julkaisussa arvioidaan maksimispinin saavuttamisen ja spinin suunnan vakiintumisen aikaskaalat kummallakin mekanismilla. Tutkimuksessa havaitaan sekundäärin spinin olevan todennäköisesti suuri. Julkaisu III esittelee OJ287-systeemissä maaliskuussa 2013 tapahtuneen purkauksen. Purkauksen havaittiin muistuttavan vuosina 1993 ja 2004 tapahtuneita purkauksia, joita kutsutaan yhteisnimityksellä prekursoripurkaus (precursor outburst). Julkaisussa esitellään purkauksen synnylle mekanismi, jossa OJ287-systeemin sekundäärinen musta aukko osuu primäärisen mustan aukon kertymäkiekon koronassa olevaan kaasupilveen. Mekanismin avulla johdetaan arviot prekursoripurkausten kirkkaudelle ja aikaskaalalle. Julkaisussa johdetaan myös ennuste seuraavan prekursoripurkauksen ajankohdalle. Julkaisussa IV käytetään vuosina 2004–2006 kerättyjä havaintoja OJ287- systeemistä lyhyiden jaksollisuuksien etsintään. Julkaisussa varmennetaan systeemissä esiintyvä n. 50 päivän kvasiperiodisuus. Lisäksi tilastollisesti merkittävät 250 päivän ja 3,5 päivän jaksollisuudet havaitaan. Julkaisussa esitetään malli, jossa primäärisen mustan aukon kertymäkiekossa oleva spiraalitiheysaalto aiheuttaa 50 päivän jaksollisuuden. Mallista tehty numeerinen simulaatio tukee tulosta. Systeemin relativistisen suihkun emittoima aikadilatoitunut säteily esitetään aiheuttajaksi 3,5 päivän jaksollisuusaikaskaalalle. Julkaisussa V sovitetaan kierresuihkumalli OJ287-systeemistä tehtyihin optisiin havaintoihin ja millimetri- sekä senttimetriaallonpituuden radiohavaintoihin. Suihkun rakenteen havaitaan olevan kaksijakoinen ja koostuvan ytimestä ja kuoresta. Suihkun kuorella on merkittävästi pienempi Lorentzin gamma-tekijä kuin suihkun ytimellä. Kuoren avautumiskulma ja Lorentztekijä sekä suihkun kierteen aallonpituus raportoidaan julkaisussa ensimmäistä kertaa.

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.