Energy harvesting methods for wireless sensor nodes in heavy-duty vehicles

The number of autonomous wireless sensor and control nodes has been increasing rapidly during the last decade. Until recently, these wireless nodes have been powered with batteries, which have lead to a short life cycle and high maintenance need. Due to these battery-related problems, new energy sources have been studied to power wireless nodes. One solution is energy harvesting, i.e. extracting energy from the ambient environment. Energy harvesting can provide a long-lasting power source for sensor nodes, with no need for maintenance. In this thesis, various energy harvesting technologies are studied whilst focusing on the theory of each technology and the state-of-the-art solutions of published studies and commercial solutions. In addition to energy harvesting, energy storage and energy management solutions are also studied as a subsystem of a whole energy source solution. Wireless nodes are also used in heavy-duty vehicles. Therefore a reliable, long-lasting and maintenance-free power source is also needed in this kind of environment. A forestry harvester has been used as a case study to study the feasibility of energy harvesting in a forestry harvester’s sliding boom. The energy harvester should be able to produce few milliwatts to power the target system, an independent limit switch.

Heavy Duty ilmarenkaiden hinnasto

kuv., 12 x 14 cm

Heavy Duty Speed Wagon

kuv., 10 x 23 cm

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.

Flexible multibody dynamics and intelligent control of a hydraulically driven hybrid redundant robot machine

The assembly and maintenance of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) vacuum vessel (VV) is highly challenging since the tasks performed by the robot involve welding, material handling, and machine cutting from inside the VV. The VV is made of stainless steel, which has poor machinability and tends to work harden very rapidly, and all the machining operations need to be carried out from inside of the ITER VV. A general industrial robot cannot be used due to its poor stiffness in the heavy duty machining process, and this will cause many problems, such as poor surface quality, tool damage, low accuracy. Therefore, one of the most suitable options should be a light weight mobile robot which is able to move around inside of the VV and perform different machining tasks by replacing different cutting tools. Reducing the mass of the robot manipulators offers many advantages: reduced material costs, reduced power consumption, the possibility of using smaller actuators, and a higher payload-to-robot weight ratio. Offsetting these advantages, the lighter weight robot is more flexible, which makes it more difficult to control. To achieve good machining surface quality, the tracking of the end effector must be accurate, and an accurate model for a more flexible robot must be constructed. This thesis studies the dynamics and control of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant hybrid robot (4-DOF serial mechanism and 6-DOF 6-UPS hexapod parallel mechanisms) hydraulically driven with flexible rods under the influence of machining forces. Firstly, the flexibility of the bodies is described using the floating frame of reference method (FFRF). A finite element model (FEM) provided the Craig-Bampton (CB) modes needed for the FFRF. A dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using the constrained Lagrange equations and the Lagrange multiplier method. Subsequently, the reaction forces between the parallel and serial parts were used to study the dynamics of the serial robot. A PID control based on position predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders of the robot. Secondly, in machining, to achieve greater end effector trajectory tracking accuracy for surface quality, a robust control of the actuators for the flexible link has to be deduced. This thesis investigates the intelligent control of a hydraulically driven parallel robot part based on the dynamic model and two schemes of intelligent control for a hydraulically driven parallel mechanism based on the dynamic model: (1) a fuzzy-PID self-tuning controller composed of the conventional PID control and with fuzzy logic, and (2) adaptive neuro-fuzzy inference system-PID (ANFIS-PID) self-tuning of the gains of the PID controller, which are implemented independently to control each hydraulic cylinder of the parallel mechanism based on rod length predictions. The serial component of the hybrid robot can be analyzed using the equilibrium of reaction forces at the universal joint connections of the hexa-element. To achieve precise positional control of the end effector for maximum precision machining, the hydraulic cylinder should be controlled to hold the hexa-element. Thirdly, a finite element approach of multibody systems using the Special Euclidean group SE(3) framework is presented for a parallel mechanism with flexible piston rods under the influence of machining forces. The flexibility of the bodies is described using the nonlinear interpolation method with an exponential map. The equations of motion take the form of a differential algebraic equation on a Lie group, which is solved using a Lie group time integration scheme. The method relies on the local description of motions, so that it provides a singularity-free formulation, and no parameterization of the nodal variables needs to be introduced. The flexible slider constraint is formulated using a Lie group and used for modeling a flexible rod sliding inside a cylinder. The dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using Hamilton’s principle and the Lagrange multiplier method. A linearized hydraulic control system based on rod length predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders. Consequently, the results of the simulations demonstrating the behavior of the robot machine are presented for each case study. In conclusion, this thesis studies the dynamic analysis of a special hybrid (serialparallel) robot for the above-mentioned special task involving the ITER and investigates different control algorithms that can significantly improve machining performance. These analyses and results provide valuable insight into the design and control of the parallel robot with flexible rods.

Monitoimipystysorvin NC- ohjelmoinnin kehittäminen CAM käyttöönotolla

Diplomityön tavoitteena oli tehostaa venttiilipesien koneistuksessa käytettävän monitoimipystysorvin NC - ohjelmointia CAM - ohjelman käyttöönotolla. Tutkimus on osa laajempaa kokonaisuutta liittyen koneistusalihankinnan kehittämiseen ja yrityksen kilpailukyvyn ylläpitoon ja parantamiseen liiketoiminta-alueella, jolla on tällä hetkellä hyvät kasvunäkymät. Tavoite rajattiin yritykseen jo aiemmin hankitun WinCAM - ohjelman päivittämiseen ja hyödyntämiseen monitoimipystysorvin NC - ohjelmoinnissa. Tutkimuksen käytännön tavoitteena oli selvittää CAM - ohjelmoinnin käyttömahdollisuudet, sekä luoda CAM - ohjelmistoon pohjautuva, räätälöity NC - ohjelmointikonsepti pilottikohteeseen. Tutkimuksen kokeellisen osuuden muodostivat tällöin nykyisen tuotannon ongelmakohtien löytäminen, koneen ohjelmointitarpeiden kartoitus,sekä menetelmäkehitys. Tutkimuksen päämääränä oli tuotannon tasolla käytettävä järjestelmä, jolla koneen ohjelmointi olisi mahdollista myös vähemmällä konekohtaisella kokemuksella. Nykyisen toimintatavan ongelmina olivat yhtenäisen NC - ohjelmointikäytännön puute, niin valmiiden ohjelmien käytössä kuin uusienkin ohjelmien tekemisessä. Tähän olivat syynä NC - ohjauksen heikko käytettävyys erityisesti sorvauksen osalta. Nämä tekijät yhdistettynä monitoimityöstökoneessa tarvittavaan koordinaatiston hallintaan vaikeuttivat ohjelmointia. Työntekijäkohtaiset erot NC - ohjelmien käytössä, sekä laadultaan vaihtelevat valuaihiot aiheuttivat tuotannon läpäisyaikaan merkittävää vaihtelua. Siten myös koneen kuormituksen säätely oli vaikeaa. Uuden ohjelmointikonseptin toteutuksessa pidettiin etusijalla hyvää käytettävyyttä, sekä uuden menetelmän aukotonta liittymistä olemassa oleviin tuotantojärjestelmiin. Ohjelmointikonseptin toteutuksessa, osaperheestä haettiin selkeästi parametroitaviksi soveltuvat työvaiheet, jotka voitiin hallita yleiskäyttöisillä aliohjelmilla. Tuotteiden muidengeometrioiden hallintaan laadittiin geometriakirjasto, jota voitiin käyttää tavanomaisen graafisen ohjelmoinnin pohjana. Vanhaa toimintatapaa ja diplomityön aikana kehitettyä CAM - ohjelmointijärjestelmää vertailtiin perustuen NC - ohjelmien tehokkuuteen, jota tarkasteltiin saman työvaiheen työstöaikaan perustuen. Tämän lisäksi tärkeän tuloksen muodostavat myös kvalitatiivisetseikat, jotka liittyvät ohjelmointiympäristön käytettävyyteen. CAM - ohjelmoinnin kehittäminen ja käyttöönotto pilottikohteessa sujui pääosin hyvin ja laaditunsuunnitelman mukaisesti. Aiemmin hankalasti ohjelmoitavat työvaiheet, kuten erilaisten laippatasopintojen ja reikäpiirien ohjelmointi muutettiin makrokäyttöön soveltuviksi. Sorvauksessa ongelmia aiheuttaneen tiivistelilan koneistukseen sovellettiin graafista ohjelmointia. Koko tuotannon mittakaavassa NC - ohjelmoinninosuus oli kuitenkin vähäinen, mistä johtuen koneen tuottavuuteen ei tutkimuksenajanjaksolla voitu vaikuttaa. Sen sijaan tuotannon sujuvuuteen oleellisesti vaikuttavaa työtekijöiden 'hiljaisen tiedon' määrää voitiin vähentää vakioimalla ohjelmointia ja siirtämällä tehokkaiksi havaitut menetelmät ohjelmointijärjestelmään.

Varavoimalaitosten pimeäkäynnistysmahdollisuudet

Nyky yhteiskunta tulee päivä päivältä riippuvaisemmaksi sähköstä ja sen luotettavasta siirrosta ja jakelusta. Suurhäiriö kantaverkossa on erittäin epätodennäköinen, mutta sen mahdollisuutta ei koskaan voida kokonaan rajata pois. Suurhäiriön seuraukset ovat erittäin vakavat ja yhteiskäytön palautus häiriön jälkeen voi pitkittyä. Diplomityössä käsitellään kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj:n kaasuturpiinivaravoimalaitoksia ja niiden ominaisuuksia kantaverkon suurhäiriössä. Varavoimalaitosten pimeäkäynnistysvalmiudet tarkastettiin ja niissä suoritettiin koeajoja, jotka sisälsivät jatkuvan ja dynaamisen tilan koeajo osuudet. Yhdessä laitosyksikössä tehtiin myös pimeäkäynnistys ja saarekekoeajo. Koeajojen perusteella saatiin arvokasta perustietoa kaasuturpiinilaitosten ominaisuuksista ja mahdollisuuksista toimia pimeäkäynnistystilanteissa. Varavoimalaitosten matemaattista mallintamista yksinkertaisella teollisuuskaasuturpiinilaitoksen mallilla kokeiltiin siinä kuitenkaan onnistumatta. Kokemusten perusteella esitetään keskeisimmät havainnot ja ehdotukset kevyen, moniakselisen kaasuturpiinilaitoksen mallintamiseksi.

Sähköajoneuvon sähkökäytön ja mekaniikan reaaliaikaisen yhdistelmäsimulaation toteuttaminen virtuaaliympäristössä

Esitetyn tutkimuksen tavoite on selvittää yksinkertaisen sähköajoneuvosimulaation avulla sähkökäyttösimulaation ja mekaniikkasimulaation välisen ohjelmallisen rajapinnan toimivuutta ja samalla toteuttaa LUT Energian hybridilaboratorion ensimmäinen rajapintaa hyödyntävä sähkökäytön ja mekaniikan yhdistelmäsimulaatio. Tutkimus on osa Lappeenrannan teknillisen yliopiston hybridikäyttötutkimusta, jossa muun muassa virtuaalisimuloinnin ja in-loop –simulaatioiden avulla tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisoinnin vaikutuksia esimerkiksi niiden suorituskykyyn, energiatehokkuuteen ja käytettävyyteen. Tulokset osoittavat mainitun rajapinnan toimivuuden, mikä mahdollistaa tutkimuksen etenemisen. Lisäksi raportti selvittää virtuaalisimuloinnin keskeisiä käsitteitä (virtual prototyping, hardware-in-the-loop sekä human-in-the-loop –simulointi).

Kaivoslastauskoneen hybridisointianalyysi virtuaali- ja in-loop -simuloinnin avulla

Työssä tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisointimitoitusta simuloimalla. Työssä esitetään simulation-in-the-loop-simulointiin perustuva järjestelmä, jolla esimerkkitapauksena oleva kaivoslastauskone työympäristöineen voidaan mallintaa mekaaniselta osaltaan monikappaledynamiikkaan perustuvalla ohjelmistolla ja hybridijärjestelmän osalta Simulinkissa. Yhdistetty simulointi mahdollistaa hybridityökoneen virtuaalimallin ohjaamisen käyttäjän toimesta reaaliajassa. Simuloinnista saadaan tuloksena mm. työsykli, jota voidaan käyttää hybridisointimitoitukseen. Hybridisointi toteutetaan kahdella erilaisella kokoonpanolla, joista analysoidaan suorituskykyä sekä polttoaineen kulutusta. Tuloksia verrataan pelkästään dieselmoottoria voimanlähteenä käyttävään lastauskoneeseen. Työssä tehty tutkimus osoittaa, että (sarja-) hybridisoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja raskaiden työkoneiden polttoainetehokkuudessa. Dieselmoottoria voidaan ajaa sellaisessa staattisessa toimintapisteessä, jonka hyötysuhde on korkea riippumatta työkoneen kuormituksesta. Saavutettu hyöty on toteutetussa tutkimuksessa parhaimmillaan jopa 56 % vähennys polttoaineenkulutuksessa. Lisäksi tarvittava dieselin nimellisteho pienenee huomattavasti. Tutkimuksen osana esitellään myös Hardware-in-the-Loop -laitteisto, jonka avulla voidaan liittää oikea sähkömoottori ja taajuudenmuuttaja osaksi virtuaalisesti simuloitua työkonetta.

Virtual technology and haptic interface solutions for design and control of mobile working machines

Commercially available haptic interfaces are usable for many purposes. However, as generic devices they are not the most suitable for the control of heavy duty mobile working machines like mining machines, container handling equipment and excavators. Alternative mechanical constructions for a haptic controller are presented and analysed. A virtual reality environment (VRE) was built to test the proposed haptic controller mechanisms. Verification of an electric motor emulating a hydraulic pump in the electro-hydraulic system of a mobile working machine is carried out. A real-time simulator using multi-body-dynamics based software with hardware-in-loop (HIL) setup was used for the tests. Recommendations for further development of a haptic controller and emulator electric motor are given.

Hakeperävaunun aerodynamiikan parantaminen

Raskaankaluston ajoneuvojen aerodynaaminen kehitys on kulkenut väärään suuntaan jo vuosisadan verran ja niiden muodon määräävä tekijä on kuljetustilan maksimointi ja toi-minnallisuus. Lähiaikoina on astumassa EU:ssa uusi direktiivi voimaan, joka sallii lisämas-san käyttämisen aerodynaamisiin lisäosiin. Työn tarkoituksena on tutkia mahdollisuuksia parantaa hakeperävaunun aerodynamiikkaa yksinkertaisilla lisäosilla. Työ on rajattu koskemaan perävaununetuosaan, -sivuosaan ja -pohjaan. Lisäksi rajoitteita asettaa Suomenlainsäädäntö ja EU:n direktiivit. Työssä perehdytään ilmanvastusvoiman syntymekanismeihin raskaankaluston ajoneuvojen kannalta ja käydään läpi merkittävimmät vaikuttavat tekijät ilmanvastusvoimiin sekä kuorma-auton perävaunun eri muotojen ja osien vaikutus. Perävaunuun asetettavien il-manohjaimien vaikutukset ja toiminta selvitetään. Avainasemassa hakeperävaunun aerodynamiikan parantamisessa on ilmavirtauksen estä-minen perävaunun alle sekä etupuolelta. Lisäksi virtausten muuttamien perävaunun takana on hyödyllistä. Merkittävimmät hyödyt saadaan niistä ratkaisuista, jotka estävät ilman virtausta perävau-nun alle sekä renkaisiin. Näitä ratkaisuja olivat sivuhelmat ja pohjan sekä renkaiden kote-lointi. Lisäksi ilmavirtauksen estäminen perävaunun edestä tuotti merkittävää hyötyä. Levy perävaunun välissä tai koko välin peittämällä saadaan aikaan huomattavaa vähenemistä ilmanvastuksessa.

Uptake of heavy metals by plants from airborne deposition and polluted soils

Selostus: Kasvien raskasmetallien otto ilmasta ja saastuneesta maasta