Vibration analysis of a power take-off line

Gear rattle is a phenomenon that occurs when idling or lightly loaded gears collide due to engine’s torque fluctuations. This behaviour is related to vibration behaviour of the transmission system. Aim of this master’s thesis is to evaluate Adams and Adams/Machinery as a simulation tools for modelling the rattle e ect in a transmission system. A case study of tractor’s power take-o driveline, suspected to be prone to rattle, is performed in this work. Modelling methods used by Adams in this type of study are presented in the theory section while simulation model build with the software during this work is presented in the results. The Machinery toolbox is used to create gears and bearings while other model components are created with standard Adams tool set. Geometries and excitations are exported from other softwares. Results were obtained from multiple variations of a base model. These result sets and literature review suggest that Adams/Machinery may not be the most suitable tool for rattle analysis. While the system behaviour was partially captured, for accurate modelling user-written routines must be used which may be more easily performed with other tools. Further research about this topic is required.

Analysis of Industrial Granular Flow Applications by Using Advanced Collision Models

Granular flow phenomena are frequently encountered in the design of process and industrial plants in the traditional fields of the chemical, nuclear and oil industries as well as in other activities such as food and materials handling. Multi-phase flow is one important branch of the granular flow. Granular materials have unusual kinds of behavior compared to normal materials, either solids or fluids. Although some of the characteristics are still not well-known yet, one thing is confirmed: the particle-particle interaction plays a key role in the dynamics of granular materials, especially for dense granular materials. At the beginning of this thesis, detailed illustration of developing two models for describing the interaction based on the results of finite-element simulation, dimension analysis and numerical simulation is presented. The first model is used to describing the normal collision of viscoelastic particles. Based on some existent models, more parameters are added to this model, which make the model predict the experimental results more accurately. The second model is used for oblique collision, which include the effects from tangential velocity, angular velocity and surface friction based on Coulomb's law. The theoretical predictions of this model are in agreement with those by finite-element simulation. I n the latter chapters of this thesis, the models are used to predict industrial granular flow and the agreement between the simulations and experiments also shows the validation of the new model. The first case presents the simulation of granular flow passing over a circular obstacle. The simulations successfully predict the existence of a parabolic steady layer and show how the characteristics of the particles, such as coefficients of restitution and surface friction affect the separation results. The second case is a spinning container filled with granular material. Employing the previous models, the simulation could also reproduce experimentally observed phenomena, such as a depression in the center of a high frequency rotation. The third application is about gas-solid mixed flow in a vertically vibrated device. Gas phase motion is added to coherence with the particle motion. The governing equations of the gas phase are solved by using the Large eddy simulation (LES) and particle motion is predicted by using the Lagrangian method. The simulation predicted some pattern formation reported by experiment.

Siltanosturin teräsrakenteen suunnittelun avuksi luodun ohjelman jatkokehitys

Diplomityössä tehdään jatkokehitystä KCI Konecranes yrityksen siltanosturin laskentaohjelmaan. Ohjelman tärkeimmät jatkokehityskohteet kartoitettiin käyttäjäkyselyn avulla ja niistä valittiin toivotuimmat, sekä diplomityön lujuusopilliseen aihepiiriin parhaiten soveltuvat. Työhön valitut kaksi aihetta ovat koteloprofiilin kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan selvittäminen ja siltanosturin kahdeksanpyöräisenpäätykannattajan elementtimallin suunnittelu. Diplomityössä selvitetään jatkokehityskohteisiin liittyvä teoria, mutta varsinainen ohjelmointi jätetään työn ulkopuolelle. Kaksiosaisella uumalla varustetussa koteloprofiilissa nostovaunun kulkukiskon alla olevan uuman yläosa tehdään paksummaksi, jotta uuma kestäisi nostovaunun pyöräkuormasta aiheutuvan paikallisen jännityksen, eliniin sanotun rusennusjännityksen. Rusennusjännityksen määrittäminen uumalevyissä on kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan tärkein tehtävä. Rusennuksen aiheuttamankalvojännityksen ja jännityskeskittymien määrittämiseen erilaisissa konstruktioissa etsittiin sopivimmat menetelmät kirjallisuudesta ja standardeista. Kalvojännitys voidaan määrittää luotettavasti käyttäen joko 45 asteen sääntöä tai standardin mukaista menetelmää ja jännityskonsentraatioiden suuruus saadaan kertomallakalvojännitys jännityskonsentraatiokertoimilla. Menetelmien toimivuus verifioitiin tekemällä kymmeniä uuman elementtimalleja erilaisin dimensioin ja reunaehdoin ja vertaamalla elementtimallien tuloksia käsin laskettuihin. Käsin lasketut jännitykset saatiin vastaamaan tarkasti elementtimallien tuloksia. Kaksiosaisen uuman lommahdus- ja väsymislaskentaa tutkittiin alustavasti. Kahdeksanpyöräisiä päätykannattajia käytetään suurissa siltanostureissa pienentämään pyöräkuormia ja radan rusennusjännityksiä. Kahdeksanpyöräiselle siltanosturin päätykannattajalle suunniteltiin elementtimallit molempiin rakenteesta käytettyihin konstruktioihin: nivelöityyn ja jäykkäkehäiseen malliin. Elementtimallien rakentamisessa hyödynnettiin jo olemassa olevia malleja, jolloin niiden lisääminen ohjelmakoodiin nopeutuu ja ne ovat varmasti yhteensopivia muiden laskentamoduuleiden kanssa. Elementtimallien värähtelyanalyysin reunaehtoja tarkasteltiin. Värähtelyanalyysin reunaehtoihin ei tutkimuksen perusteella tarvitse tehdä muutoksia, mutta staattisen analyysin reunaehdot kaipaavat vielä lisätutkimusta.

Deep-hole drilling process, monitoring system and sensors modifications

 In the drilling processes and especially deep-hole drilling process, the monitoring system and having control on mechanical parameters (e.g. Force, Torque,Vibration and Acoustic emission) are essential. The main focus of this thesis work is to study the characteristics of deep-hole drilling process, and optimize the monitoring system for controlling the process. The vibration is considered as a major defect area of the deep-hole drilling process which often leads to breakage of the drill, therefore by vibration analysis and optimizing the workpiecefixture, this area is studied by finite element method and the suggestions are explained. By study on a present monitoring system, and searching on the new sensor products, the modifications and recommendations are suggested for optimize the present monitoring system for excellent performance in deep-hole drilling process research and measurements.

Kiinnirullaimen dynamiikan ja värähtelyjen simulointi

Diplomityössä tutkittiin kaupallisen monikappaledynamiikkaohjelmiston soveltuvuutta kiinnirullaimen dynamiikan ja värähtelyjen tutkimiseen. Erityisen kiinnostuneita oltiin nipin kuvauksesta sekä nipissä tapahtuvista värähtelyistä. Tässä diplomityössä mallinnettiin kiinnirullaimen ensiö- ja toisiokäytöt sekä tampuuritela. Malli yhdistettiin myöhemmin Metso Paper Järvenpäässä rinnakkaisena diplomityönä tehtyyn malliin, joista muodostui kahteen ratkaisijaan perustuva simulointimalli. Simulointimalli rakennettiin käyttämään kahta erillistä ratkaisijaa, joista toinen on mekaniikkamallin rakentamisessa käytetty ADAMS-ohjelmisto ja toinen säätöjärjestelmää ja hydraulipiirejä kuvaava Simulink-malli. Nipin mallintamiseksi tampuuritela ja rullaussylinteri mallinnettiin joustaviksi käyttäen keskitettyjen massojen menetelmää. Siirtolaitteissa sekä runkorakenteissa tapahtuvat joustot kuvattiin yhden vapausasteen jousi-vaimennin voimilla kuvattuina järjestelminä. Tässä diplomityössä on myös keskitytty esittelemään ADAMS-ohjelmiston toimintaa ohjeistavasti sekä käsittelemään parametrisen mallintamisen etuja. Työssä havaittiin monikappaledynamiikan soveltuvuus kiinnirullaimen dynamiikan sekä dynaamisten voimien aiheuttamien värähtelyjen tutkimiseen. Suoritetuista värähtelymittauksista voitiin tehdä vain arvioita. Mallin havaittiin vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä

Nosturivaihteiden kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen värähtelymittauksia käyttäen

Työssä selvitettiin värähtelymittauksien käyttömahdollisuuksia nosturivaihteiden ennakoivassa kunnonvalvonnassa. Työ on painottunut lähinnä värähtelymittausten mittaus- ja analyysiteknisten näkökohtien tarkasteluun ja toimii niiltä osin al-kuselvityksenä värähtelymittauspohjaisen kunnonvalvontajärjestelmän luomiselle. Kirjallisuuden mukaan yleisimpiä ja käyttökelpoisimpia värähtelyanalyysejä vaihteistojen kunnonvalvonnassa ovat spektri-, kepstri-, ja demodulointitekniik-kaan perustuvat analyysit, joita kokeiltiin vauriokokeilla. Työssä käsitellään myös iskusysäysmenetelmää ja aikatason tunnuslukuja. Vauriokokeilla saatiin tietoa hammasvaurioiden havaitsemisesta värähtelymittauksilla, mutta laakerivaurioista kaivataan sen sijaan vielä lisää tietoa. Hammasvaurioiden tarkastelussa spektri-analyysin ohella PeakVue -analyysi osoittautui tehokkaaksi, kun siinä käytettiin sopivaa suodatusaluetta. Lisäksi työhön on koottu kokemuksia nosturivaihteiden käytännön värähtelymittauksista ja annettu ohjeita niiden suorittamisesta. Työn tulokset osoittavat, että värähtelymittauspohjaisella kunnonvalvontajärjes-telmällä voidaan parantaa nostovaihteiden ennakoivaa kunnonvalvontaa. Nosto-vaihteiden värähtelymittauksia kannattaa siis ehdottomasti jatkaa ja kunnonval-vontajärjestelmää edelleen kehittää. Siirtovaihteiden valvonta värähtelymittauksilla on sen sijaan hankalaa niiden epävakaan kuormitustilan vuoksi.

Kokeellisen moodianalyysin hyödyntäminen sääriluun lujuuden määrittämisessä

Diplomityö tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston konetekniikan laitokselle. Diplomityö on osa teknillisen yliopiston biomekaanista tutkimusta, jonka tarkoituksena on mallintaa ihmisen tuki- ja liikuntaelimistön toimintaa. Työssä pyrittiin selvittämään, voitaisiinko sääriluuhun kohdistetun mekaanisen herätteen aiheuttamaa värähtelyvastetta analysoimalla saada tietoa luun ominaistaajuuksista ja lujuudesta. Tietoa voitaisiin käyttää esimerkiksi ostoporoosiriskin arvioinnissa sekä ihmiskehon osien toimintaa kuvaavien simulointimallien verifioinnissa. Mittauslaitteistona käytettiin Brüel & Kjær-moodianalyysilaitteistoa. Laitteistokokonaisuuteen kuuluivat herätevasara, elektromagneettinen täristin, voima-anturi, kaksi kiihtyvyysmitta-anturia sekä PulseLab 2.0 –ohjelmistolla varustettu PC-laitteisto. Tulosten jatkoanalyysi suoritettiin MathWorks yhtiön MatLab v 4.0 -ohjelmistolla. Työssä esitellyn mittaustavan ja -laitteiston todettiin soveltuvan sääriluun värähtelyvasteen mittaamiseen. Mittaustulokset eri mittauskertojen välillä samalla henkilöllä ovat yhtenevät. Tutkimuksen tulosten perusteella ei voida osoittaa luun värähtelyvasteen ja lujuuden välistä suoraa korrelaatiota.

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.

On the Analysis and Control of a Linear Synchronous Servomotor with a Flexible Load

Industry's growing need for higher productivity is placing new demands on mechanisms connected with electrical motors, because these can easily lead to vibration problems due to fast dynamics. Furthermore, the nonlinear effects caused by a motor frequently reduce servo stability, which diminishes the controller's ability to predict and maintain speed. Hence, the flexibility of a mechanism and its control has become an important area of research. The basic approach in control system engineering is to assume that the mechanism connected to a motor is rigid, so that vibrations in the tool mechanism, reel, gripper or any apparatus connected to the motor are not taken into account. This might reduce the ability of the machine system to carry out its assignment and shorten the lifetime of the equipment. Nonetheless, it is usually more important to know how the mechanism, or in other words the load on the motor, behaves. A nonlinear load control method for a permanent magnet linear synchronous motor is developed and implemented in the thesis. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired velocity reference as fast as possible and without awkward oscillations. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm with its stability ensured by the Lyapunov stability theorem. As a reference controller for the backstepping method, a hybrid neural controller is introduced in which the linear motor itself is controlled by a conventional PI velocity controller and the vibration of the associated flexible mechanism is suppressed from an outer control loop using a compensation signal from a multilayer perceptron network. To avoid the local minimum problem entailed in neural networks, the initial weights are searched for offline by means of a differential evolution algorithm. The states of a mechanical system for controllers are estimated using the Kalman filter. The theoretical results obtained from the control design are validated with the lumped mass model for a mechanism. Generalization of the mechanism allows the methods derived here to be widely implemented in machine automation. The control algorithms are first designed in a specially introduced nonlinear simulation model and then implemented in the physical linear motor using a DSP (Digital Signal Processor) application. The measurements prove that both controllers are capable of suppressing vibration, but that the backstepping method is superior to others due to its accuracy of response and stability properties.

Non-Linear Journal Bearing Model for Analysis of Superharmonic Vibrations of Rotor Systems

A rotating machine usually consists of a rotor and bearings that supports it. The nonidealities in these components may excite vibration of the rotating system. The uncontrolled vibrations may lead to excessive wearing of the components of the rotating machine or reduce the process quality. Vibrations may be harmful even when amplitudes are seemingly low, as is usually the case in superharmonic vibration that takes place below the first critical speed of the rotating machine. Superharmonic vibration is excited when the rotational velocity of the machine is a fraction of the natural frequency of the system. In such a situation, a part of the machine’s rotational energy is transformed into vibration energy. The amount of vibration energy should be minimised in the design of rotating machines. The superharmonic vibration phenomena can be studied by analysing the coupled rotor-bearing system employing a multibody simulation approach. This research is focused on the modelling of hydrodynamic journal bearings and rotorbearing systems supported by journal bearings. In particular, the non-idealities affecting the rotor-bearing system and their effect on the superharmonic vibration of the rotating system are analysed. A comparison of computationally efficient journal bearing models is carried out in order to validate one model for further development. The selected bearing model is improved in order to take the waviness of the shaft journal into account. The improved model is implemented and analyzed in a multibody simulation code. A rotor-bearing system that consists of a flexible tube roll, two journal bearings and a supporting structure is analysed employing the multibody simulation technique. The modelled non-idealities are the shell thickness variation in the tube roll and the waviness of the shaft journal in the bearing assembly. Both modelled non-idealities may cause subharmonic resonance in the system. In multibody simulation, the coupled effect of the non-idealities can be captured in the analysis. Additionally one non-ideality is presented that does not excite the vibrations itself but affects the response of the rotorbearing system, namely the waviness of the bearing bushing which is the non-rotating part of the bearing system. The modelled system is verified with measurements performed on a test rig. In the measurements the waviness of bearing bushing was not measured and therefore it’s affect on the response was not verified. In conclusion, the selected modelling approach is an appropriate method when analysing the response of the rotor-bearing system. When comparing the simulated results to the measured ones, the overall agreement between the results is concluded to be good.

Vibration free machining tools

Appearance of the vibration is the very important problem in long tool turning and milling. Current solutions of minimizing vibrations provided by different tool suppliers are very expensive. This Master’s Thesis is presenting the new type of vibration free machining tools produced by Konepaja ASTEX Gear Oy that have cheaper production costs compare to competitors’ products. Vibration problems in machining and their today’s solutions are analyzed in this work. The new vibration damping invention is presented and described. Moreover, the production, laboratory experimental modal analysis and practical testing of the new vibration free prototypes are observed and analyzed on the pages of this Thesis. Based on the testing results the new invention is acknowledged to be successful and approved for further studies and developments.

Stiffness based trajectory planning and feedforward based vibration suppression control of parallel robot machines

The dissertation proposes two control strategies, which include the trajectory planning and vibration suppression, for a kinematic redundant serial-parallel robot machine, with the aim of attaining the satisfactory machining performance. For a given prescribed trajectory of the robot's end-effector in the Cartesian space, a set of trajectories in the robot's joint space are generated based on the best stiffness performance of the robot along the prescribed trajectory. To construct the required system-wide analytical stiffness model for the serial-parallel robot machine, a variant of the virtual joint method (VJM) is proposed in the dissertation. The modified method is an evolution of Gosselin's lumped model that can account for the deformations of a flexible link in more directions. The effectiveness of this VJM variant is validated by comparing the computed stiffness results of a flexible link with the those of a matrix structural analysis (MSA) method. The comparison shows that the numerical results from both methods on an individual flexible beam are almost identical, which, in some sense, provides mutual validation. The most prominent advantage of the presented VJM variant compared with the MSA method is that it can be applied in a flexible structure system with complicated kinematics formed in terms of flexible serial links and joints. Moreover, by combining the VJM variant and the virtual work principle, a systemwide analytical stiffness model can be easily obtained for mechanisms with both serial kinematics and parallel kinematics. In the dissertation, a system-wide stiffness model of a kinematic redundant serial-parallel robot machine is constructed based on integration of the VJM variant and the virtual work principle. Numerical results of its stiffness performance are reported. For a kinematic redundant robot, to generate a set of feasible joints' trajectories for a prescribed trajectory of its end-effector, its system-wide stiffness performance is taken as the constraint in the joints trajectory planning in the dissertation. For a prescribed location of the end-effector, the robot permits an infinite number of inverse solutions, which consequently yields infinite kinds of stiffness performance. Therefore, a differential evolution (DE) algorithm in which the positions of redundant joints in the kinematics are taken as input variables was employed to search for the best stiffness performance of the robot. Numerical results of the generated joint trajectories are given for a kinematic redundant serial-parallel robot machine, IWR (Intersector Welding/Cutting Robot), when a particular trajectory of its end-effector has been prescribed. The numerical results show that the joint trajectories generated based on the stiffness optimization are feasible for realization in the control system since they are acceptably smooth. The results imply that the stiffness performance of the robot machine deviates smoothly with respect to the kinematic configuration in the adjacent domain of its best stiffness performance. To suppress the vibration of the robot machine due to varying cutting force during the machining process, this dissertation proposed a feedforward control strategy, which is constructed based on the derived inverse dynamics model of target system. The effectiveness of applying such a feedforward control in the vibration suppression has been validated in a parallel manipulator in the software environment. The experimental study of such a feedforward control has also been included in the dissertation. The difficulties of modelling the actual system due to the unknown components in its dynamics is noticed. As a solution, a back propagation (BP) neural network is proposed for identification of the unknown components of the dynamics model of the target system. To train such a BP neural network, a modified Levenberg-Marquardt algorithm that can utilize an experimental input-output data set of the entire dynamic system is introduced in the dissertation. Validation of the BP neural network and the modified Levenberg- Marquardt algorithm is done, respectively, by a sinusoidal output approximation, a second order system parameters estimation, and a friction model estimation of a parallel manipulator, which represent three different application aspects of this method.