Adaptive control of Hydraulic Drive

Adaptive control systems are one of the most significant research directions of modern control theory. It is well known that every mechanical appliance’s behavior noticeably depends on environmental changes, functioning-mode parameter changes and changes in technical characteristics of internal functional devices. An adaptive controller involved in control process allows reducing an influence of such changes. In spite of this such type of control methods is applied seldom due to specifics of a controller designing. The work presented in this paper shows the design process of the adaptive controller built by Lyapunov’s function method for the Hydraulic Drive. The calculation needed and the modeling were conducting with MATLAB® software including Simulink® and Symbolic Math Toolbox™ etc. In the work there was applied the Jacobi matrix linearization of the object’s mathematical model and derivation of the suitable reference models based on Newton’s characteristic polynomial. The intelligent adaptive to nonlinearities algorithm for solving Lyapunov’s equation was developed. Developed algorithm works properly but considered plant is not met requirement of functioning with. The results showed confirmation that adaptive systems application significantly increases possibilities in use devices and might be used for correction a system’s behavior dynamics.

Service offering classification for logistics services

This thesis studies the development of service offering model that creates added-value for customers in the field of logistics services. The study focusses on offering classification and structures of model. The purpose of model is to provide value-added solutions for customers and enable superior service experience. The aim of thesis is to define what customers expect from logistics solution provider and what value customers appreciate so greatly that they could invest in value-added services. Value propositions, costs structures of offerings and appropriate pricing methods are studied. First, literature review of creating solution business model and customer value is conducted. Customer value is found out with customer interviews and qualitative empiric data is used. To exploit expertise knowledge of logistics, innovation workshop tool is utilized. Customers and experts are involved in the design process of model. As a result of thesis, three-level value-added service offering model is created based on empiric and theoretical data. Offerings with value propositions are proposed and the level of model reflects the deepness of customer-provider relationship and the amount of added value. Performance efficiency improvements and cost savings create the most added value for customers. Value-based pricing methods, such as performance-based models are suggested to apply. Results indicate the interest of benefitting networks and partnership in field of logistics services. Networks development is proposed to be investigated further.

Intelligent mapping of stresses in a hydraulic crane

Continuous loading and unloading can cause breakdown of cranes. In seeking solution to this problem, the use of an intelligent control system for improving the fatigue life of cranes in the control of mechatronics has been under study since 1994. This research focuses on the use of neural networks as possibilities of developing algorithm to map stresses on a crane. The intelligent algorithm was designed to be a part of the system of a crane, the design process started with solid works, ANSYS and co-simulation using MSc Adams software which was incorporated in MATLAB-Simulink and finally MATLAB neural network (NN) for the optimization process. The flexibility of the boom accounted for the accuracy of the maximum stress results in the ADAMS model. The flexibility created in ANSYS produced more accurate results compared to the flexibility model in ADAMS/View using discrete link. The compatibility between.ADAMS and ANSYS softwares was paramount in the efficiency and the accuracy of the results. Von Mises stresses analysis was more suitable for this thesis work because the hydraulic boom was made from construction steel FE-510 of steel grade S355 with yield strength of 355MPa. Von Mises theory was good for further analysis due to ductility of the material and the repeated tensile and shear loading. Neural network predictions for the maximum stresses were then compared with the co-simulation results for accuracy, and the comparison showed that the results obtained from neural network model were sufficiently accurate in predicting the maximum stresses on the boom than co-simulation.

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.

Prosessiautomaatio pinnankorkeusmittauksen koelaitteistoissa

Pinnankorkeuden tunteminen kiehutusvesireaktorin painesäiliössä on erittäin tärkeää sen turvallisuusvaikutusten takia. Pinnankorkeutta mitataan vesipatsaiden korkeutta havaitsevien paine-eromittausten avulla. Säteilyturvakeskuksen YVL-ohjeiden mukaan turvallisuuteen vaikuttavien mittausten täytyy noudattaa moninkertaistus- ja erilaisuusperiaatteita. Yleensä erilaisuusperiaatetta on toteutettu käyttämällä erityyppisiä paine-eromittareita, mutta erilaisella fysikaalisella toimintaperiaatteella oleva mittaus olisi parempi ja toteuttaisi paremmin erilaisuusperiaatetta. Uimurikytkin olisi tällainen fysikaalisesti eri periaatteeseen perustuva pinnankorkeuden mittauslaite. Ydinvoimalaan tarkoitettu teknologia tulee kelpoistaa riippumattoman tahon toimesta ennen käyttöönottoa. Kelpoistamiskokeita varten Lappeenrannan teknillisen yliopiston Ydinturvallisuuden tutkimusyksikköön rakennettiin vuosina 2011–2013 kaksi koelaitteistoa. Näillä koelaitteistoilla tutkittiin uimurikytkimien toimintaa ja ominaisuuksia erilaisissa kiehutusvesireaktorin käyttötilanteissa. Koelaitteistot tarvitsivat toimiakseen automaatiojärjestelmät, jotka suunniteltiin pääosin noudattamalla suunnittelun elinkaarimallia sekä automaatiosuunnittelun sisältökokonaisuuksia. Automaatiojärjestelmien suunnittelu aloitettiin määrittelemällä koejärjestelyjen asettamat vaatimukset, jonka jälkeen tehtiin teknologiavalinnat. Seuraavaksi suunniteltiin automaatiojärjestelmien logiikkaohjelmistot, joiden kuvaukseen tämä työ pääasiassa keskittyy. Logiikkaohjelmistot toteutettiin graafisella National Instruments LabView -ohjelmointikielellä. Logiikkaohjelmistojen tuli hoitaa tiedonkeruuta, käyttöautomaatiota, turvallisuustehtäviä sekä kokeisiin liittyviä erikoistehtäviä. Ohjelmistot saatiin esikokeiden aikana toimimaan halutusti, ja varsinaiset kokeet voitiin suorittaa ilman merkittäviä ongelmia.

Trukkitraktorin rungon suunnittelu ja laskenta

Tässä työssä suunniteltiin lappeenrantalaisen Astex Oy:n tilauksesta liikkuvan työkoneen runkorakenne. Työ tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa. Suunniteltava rakenne kuului linkkuohjattuun, noin 5000 kg painoiseen trukkitraktoriin. Lähtökohtana rakenteen suunnittelulle olivat tilaajan asettamat rakenteen geometriaan ja suorituskykyyn liittyvät reunaehdot ja rajoitteet. Uuden rakenteen suunnittelussa hyödynnettiin myös tilaajatahon kehittelemää vastaavan tyyppistä prototyyppirakennetta. Rakenteen suunnitteluprosessi koostui neljästä eri vaiheesta. Suunniteltavan rakenteen lähtökohtana olleelle prototyyppirakenteelle suoritettiin koneen käytönaikaisia venymäliuskamittauksia rakenteen kuormitushistorian selvittämiseksi. Mittauksista saatujen tulosten perusteella määritettiin kuormitukset uudelle suunniteltavalle rakenteelle. Määritettyjä kuormituksia hyödyntäen ideoitiin, suunniteltiin ja mallinnettiin uusi tilaajan vaatimuksia vastaava rakenne. Uudelle rakenteelle suoritettiin lujuusanalyysit FE-analyysiä hyödyntäen. Uuden rakenteen suunnittelussa kiinnitettiin huomiota rakenteen hyvään valmistettavuuteen ja suunniteltiin rakenneratkaisut tilaajataholle mahdollisimman optimaalisiksi. Suunnittelu- ja mallinnustyö tehtiin Solidworks 2014 ohjelmistolla. Rakenteen lujuustekniset tarkastelut sisälsivät rakennedetaljien analyyttistä mitoitusta ja laskentaa. FE-laskennalla selvitettiin rakenteen ääri- ja väsymiskestävyys. Laskenta sisälsi koko rakenteen globaaleja tarkasteluja, sekä eri kriittisten rakennedetaljien yksityiskohtaisempia analyysejä. FE-laskennan pääpaino oli rakenteen väsymisanalyyseissä, jotka toteutettiin Hot-Spot- ja särönkasvumenetelmillä. Rakenteen FE-analyysien suorittamisessa käytettiin Femap, NxNastran ja Abaqus-ohjelmistoja.

Laserhitsattavan tuotteen suunnittelu

Tässä työssä tarkastellaan laserhitsattavan tuotteen suunnittelua ja sen tuotekehitykseen liittyviä tekijöitä. Tuotteen suunnittelua käsitellään valmistuksellisesta näkökulmasta, eli siitä, kuinka tuotteen suunnittelussa voidaan ottaa huomioon tuotteen valmistus- ja kokoonpanoystävällisyys. Laserhitsattavan tuotteen suunnittelua käsitellään myös tuotteen ominaisuuksien kannalta, eli kuinka lopullisesta tuotteesta saadaan mahdollisimman laadukas ja kilpailukykyinen. Suomen kaarihitsausosaaminen on kansainvälisesti korkealuokkaista, mutta laserhitsaus eroaa perinteisistä kaarihitsausprosesseista paljon. Kun laserilla hitsattavaa tuotetta suunnitellaan, ovat menetelmäkohtaiset suunnittelusäännöt erilaiset kuin kaarihitsauksessa. Laserhitsaus vaatii teknisesti pajalta enemmän, mutta se myös avaa uusia ovia tuotesuunnittelulle ja mahdollistaa tuotteita, jotka olisivat perinteisillä menetelmillä hankalia tai mahdottomia valmistaa. Oikein käyttöönotettuna laserhitsauksella voidaan päästä matalampiin valmistuskustannuksiin. Kustannustehokkaaseen tuotantoon päästäkseen täytyy kuitenkin ymmärtää tuotteen kustannusrakenne. Työn lopussa tarkastellaan ja vertaillaan perinteisen ja laserhitsatun tuotteen kustannuksia ja kustannusrakennetta.

Kaksifaasijäähdytysjärjestelmään liittyvien pumppujen vertailu ja kehittäminen sarjatuotannon tarpeisiin

Tehoelektroniikalta vaaditaan nykyään parempaa suorituskykyä entistä pienemmässä tilassa. Tämä luo haasteen riittävälle jäähdytykselle. Eräs ratkaisu on käyttää kaksifaasijäähdytystä, jolla aikaansaadaan tehokas lämmönsiirto komponenttien pinnalta. Lämmönsiirtonesteinä voidaan käyttää kylmäaineita tai muita alhaisessa lämpötilassa kiehuvia nesteitä. Tällaisille nesteille on tyypillistä alhainen höyrynpaine sekä matala viskositeetti. Nämä ominaisuudet tuovat haasteita nesteen pumppaukseen. Tässä työssä tarkastellaan R-134A:ta sekä Novec 7000:ta, perehdytään niiden fysikaalisiin ominaisuuksiin sekä materiaaliyhteensopivuuksiin ja näiden tietojen pohjalta etsitään sopivaa pumpputyyppiä kaksifaasijäähdytysjärjestelmään. Tehoelektroniikan jäähdytysjärjestelmän pumpun on oltava edullinen muuhun järjestelmään nähden. Tyypillinen kiertopumppu nestejäähdytysjärjestelmässä on pieni keskipakopumppu. Alhaisen kiehumispisteen vuoksi kavitointiriski kasvaa ja tämä voi vahingoittaa pumppua. Myös matala viskositeetti tuo haasteita vuotoherkkyyden kasvamisen myötä, joten mekaanisilla aksiaalitiivisteillä varustetut pumput eivät ole pitkäikäisiä. Kylmäainejärjestelmiin tarkoitetut pumput ovat arvokkaita, eikä näin ollen sovellu edullisiin jäähdytysjärjestelmiin. Tässä työssä käydään läpi erilaisia pumpputyyppejä, jotka voisivat soveltua pitkäikäiseen pumppaukseen ilman huoltotöitä. Näiden tietojen perusteella kehitetään edullista ja pitkäikäistä pumppua pieniin kaksifaasijäähdytysjärjestelmiin nesteiden fysikaaliset ominaisuudet huomioon ottaen. Kehitetyn pumpun ominaisuuksia ja kustannuksia vertaillaan kaupallisiin ratkaisuihin ottaen huomioon sarjavalmistus. Itse valmistettuna pienelle sisäryntöiselle hammaspyöräpumpulle jää hintaa alle kymmenesosa markkinoilta löytyviin kylmäaineille soveltuviin pumppuun.

Pinoamislaitteen suunnittelu vetokoneen jälkeiselle linjalle

Työn tavoitteena oli suunnitella vetokoneen linjalle pinoamislaite. Laitteen tehtävänä on pinota yksittäin vetokoneelta tulevista tuotteista asiakasvaatimusten mukaisia pinoja. Laitteen suunnittelu toteutettiin käyttämällä systemaattisen koneensuunnittelun metodia. Diplomityö rajattiin koskemaan laitteen mekaanisten ratkaisujen suunnittelua. Suunnittelussa huomioitiin linjan asettamat vaatimukset, jotka koskevat sekä tuotantomäärää että tilojen käyttöä. Laitteen suunnittelussa ja mallinnuksessa käytettiin Solidworksin 3D-mallinnusohjelmaa. Mallinnettuja ratkaisuvaihtoehtoja verrattiin keskenään. Parhaiten vaatimusluettelossa esitetyt vaatimukset täyttänyt ratkaisumalli valittiin kehitettäväksi. Suunnitellusta laitteesta valmistettiin työpiirustukset sekä kokoonpanokuvat.

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.

Direct-Driven Interior Magnet Permanent Magnet Synchronous Motors for a Full Electric Sports Car

The design process of direct-driven permanent magnet synchronous machines (PMSMs) for a full electric 4 ´ 4 sports car is presented. The rotor structure of the machine consists of two permanent magnet layers embedded inside the rotor laminations thus resulting in some inverse saliency, where the q-axis inductance is larger than the d-axis one. An integer slot stator winding was selected to fully take advantage of the additional reluctance torque. The performance characteristics of the designed PMSMs were calculated by applying a twodimensional finite element method. Cross-saturation between the d- and q-axes was taken into account in the calculation of the synchronous inductances. The calculation results are validated by measurements.

Auringon asemaa seuraavan aurinkopaneelijärjestelmän kehittäminen

Tässä diplomityössä käsitellään Aurinkoa seuraavan aurinkopaneelijärjestelmän kehittämistä Suomen olosuhteisiin. Työ on tehty osana Lappeenrannan teknillisen yliopiston Green Campus-projektia, jossa tarkoituksena on tuottaa yliopistolle energiaa uusiutuvilla menetelmillä ja käyttää niitä apuna tutkimuksessa sekä opetuksessa. Tavoitteena työssä on ymmärtää Auringon seuraamisen hyödyt sekä mahdolliset haitat aurinkopaneeli sovellutuksissa. Aikaisemman tutkimustiedon ollessa vähäistä, on työssä pyritty löytämään laskentamalli tuottavuuden laskentaan riippumatta siitä, missä päin maapalloa aurinkopaneelijärjestelmä sijaitsee. Työ alkaa kirjallisuustutkimuksella, jossa käydään läpi aurinkopaneelien toimintaperiaate, aurinkoenergian ja auringonpaistetuntien suuruusluokat Suomessa, sekä Suomen sääoloista johtuvat vaatimukset aurinkopaneelijärjestelmille. Tämän jälkeen on vertailtu kaupallisia järjestelmiä. Lopuksi järjestelmällistä tuotesuunnittelua hyväksikäyttäen suunnitellaan oma versio Aurinkoa seuraavasta aurinkopaneelijärjestelmästä. Oman suunnitelman järkevyyttä simuloidaan pienoismallilla Matlab-Arduino ympäristössä ja pyritään löytämään mahdollisia heikkouksia. Suomessa aurinkoenergiasta 90 % saadaan maalis – syyskuun aikana. Nykyisillä akkujärjestelmillä aurinkoenergia Suomessa ei sovellu kuin täydentäväksi energianlähteeksi. Aurinkoa seuraamalla voidaan saavuttaa 25-30 % tuottavuuden lisäys kesäaikana verrattuna staattiseen järjestelmään. Talvella hyöty tippuu 0-10 % luokkaan. Pienoismallilla simuloidut ohjaustavat osoittivat, että Aurinkoa on mahdollista seurata ilman sensoreita laskemalla Auringon paikka tähtitieteen kaavoista.

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.

Palveluprosessin kehittäminen kampaamoketjussa

As the competitive situation becomes more intense, companies must strive for growth and the ability to renew themselves. Innovations and the development of services will take an important role in this situation. Involving users in the service design process creates additional value and a chance to stand out from the com-petition. The goal of the target company is to produce high-quality services with the customers' needs in mind. This is why the company wants to develop their services systematically and aims to collect information about the service needs of both their employees and customers, which can be used to develop new and ap-pealing service packages. The aim of the study is to find out what the target company's current service pro-cess is like and how it can be developed further. The work is a case study in which the development process of the new service is followed through according to the approach, process and tools of the service design. Information is collected through focused interviews and a client survey. Participant observation gave a good overview of how employees of the target company react to the development of services. The study also found that the ser-vice path enables the collecting of ideas concerning the practical planning and development of the service process.

Development of Piping Stress Analysis Guideline for Neste Jacobs' Projects

The aim of this research was to develop a piping stress analysis guideline to be widely used in Neste Jacobs Oy’s domestic and foreign projects. The company’s former guideline to performing stress analysis was partial and lacked important features, which were to be fixed through this research. The development of the guideline was based on literature research and gathering of existing knowledge from the experts in piping engineering. Case study method was utilized by performing stress analysis on an existing project with help of the new guideline. Piping components, piping engineering in process industry, and piping stress analysis were studied in the theory section of this research. Also, the existing piping standards were studied and compared with one another. By utilizing the theory found in literature and the vast experience and know-how collected from the company’s employees, a new guideline for stress analysis was developed. The guideline would be widely used in various projects. The purpose of the guideline was to clarify certain issues such as which of the piping would have to be analyzed, how are different material values determined and how will the results be reported. As a result, an extensive and comprehensive guideline for stress analysis was created. The new guideline more clearly defines formerly unclear points and creates clear parameters to performing calculations. The guideline is meant to be used by both new and experienced analysts and with its aid, the calculation process was unified throughout the whole company’s organization. Case study was used to exhibit how the guideline is utilized in practice, and how it benefits the calculation process.