SIMULATION OF AMB SUPPORTED ROTOR DURING DROP ON RETAINER BEARINGS

The active magnetic bearings present a new technology which has many advantages compared to traditional bearing designs. Active magnetic bearings, however, require retainer bearings order to prevent damages in the event of a component, power or a control loop failure. In the dropdown situation, when the rotor drops from the magnetic bearings to the retainer bearings, the design parameters of the retainer bearings have a significant influence on the behaviour of the rotor. In this study, the dynamics of an active magnetic bearings supported electric motor during rotor drop on retainer bearings is studied using a multibody simulation approach. Various design parameters of retainer bearings are studied using a simulation model while results are compared with those found in literature. The retainer bearings are modelled using a detailed ball bearing model, which accounts damping and stiffness properties, oil film and friction between races and rolling elements. The model of the ball bearings includes inertia description of rollingelements. The model of the magnetic bearing system contains unbalances of the rotor and stiffness and damping properties of support. In this study, a computationally efficient contact model between the rotor and the retainer bearings is proposed. In addition, this work introduces information for the design of physicalprototype and its retainer bearings.

Dynamic Simulations of Rotors during Drop on Retainer Bearings

The active magnetic bearings have recently been intensively developed because of noncontact support having several advantages compared to conventional bearings. Due to improved materials, strategies of control, and electrical components, the performance and reliability of the active magnetic bearings are improving. However, additional bearings, retainer bearings, still have a vital role in the applications of the active magnetic bearings. The most crucial moment when the retainer bearings are needed is when the rotor drops from the active magnetic bearings on the retainer bearings due to component or power failure. Without appropriate knowledge of the retainer bearings, there is a chance that an active magnetic bearing supported rotor system will be fatal in a drop-down situation. This study introduces a detailed simulation model of a rotor system in order to describe a rotor drop-down situation on the retainer bearings. The introduced simulation model couples a finite element model with component mode synthesis and detailed bearing models. In this study, electrical components and electromechanical forces are not in the focus. The research looks at the theoretical background of the finite element method with component mode synthesis that can be used in the dynamic analysis of flexible rotors. The retainer bearings are described by using two ball bearing models, which include damping and stiffness properties, oil film, inertia of rolling elements and friction between races and rolling elements. Thefirst bearing model assumes that the cage of the bearing is ideal and that the cage holds the balls in their predefined positions precisely. The second bearing model is an extension of the first model and describes the behavior of the cageless bearing. In the bearing model, each ball is described by using two degrees of freedom. The models introduced in this study are verified with a corresponding actual structure. By using verified bearing models, the effects of the parameters of the rotor system onits dynamics during emergency stops are examined. As shown in this study, the misalignment of the retainer bearings has a significant influence on the behavior of the rotor system in a drop-down situation. In this study, a stability map of the rotor system as a function of rotational speed of the rotor and the misalignment of the retainer bearings is presented. In addition, the effects of parameters of the simulation procedure and the rotor system on the dynamics of system are studied.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Numerical and ExperimentalModelling of Gas Flow and Heat Transfer in the Air Gap of An Electric Machine

This work deals with the cooling of high-speed electric machines, such as motors and generators, through an air gap. It consists of numerical and experimental modelling of gas flow and heat transfer in an annular channel. Velocity and temperature profiles are modelled in the air gap of a high-speed testmachine. Local and mean heat transfer coefficients and total friction coefficients are attained for a smooth rotor-stator combination at a large velocity range. The aim is to solve the heat transfer numerically and experimentally. The FINFLO software, developed at Helsinki University of Technology, has been used in the flow solution, and the commercial IGG and Field view programs for the grid generation and post processing. The annular channel is discretized as a sector mesh. Calculation is performed with constant mass flow rate on six rotational speeds. The effect of turbulence is calculated using three turbulence models. The friction coefficient and velocity factor are attained via total friction power. The first part of experimental section consists of finding the proper sensors and calibrating them in a straight pipe. After preliminary tests, a RdF-sensor is glued on the walls of stator and rotor surfaces. Telemetry is needed to be able to measure the heat transfer coefficients at the rotor. The mean heat transfer coefficients are measured in a test machine on four cooling air mass flow rates at a wide Couette Reynolds number range. The calculated values concerning the friction and heat transfer coefficients are compared with measured and semi-empirical data. Heat is transferred from the hotter stator and rotor surfaces to the coolerair flow in the air gap, not from the rotor to the stator via the air gap, althought the stator temperature is lower than the rotor temperature. The calculatedfriction coefficients fits well with the semi-empirical equations and precedingmeasurements. On constant mass flow rate the rotor heat transfer coefficient attains a saturation point at a higher rotational speed, while the heat transfer coefficient of the stator grows uniformly. The magnitudes of the heat transfer coefficients are almost constant with different turbulence models. The calibrationof sensors in a straight pipe is only an advisory step in the selection process. Telemetry is tested in the pipe conditions and compared to the same measurements with a plain sensor. The magnitudes of the measured data and the data from the semi-empirical equation are higher for the heat transfer coefficients than thenumerical data considered on the velocity range. Friction and heat transfer coefficients are presented in a large velocity range in the report. The goals are reached acceptably using numerical and experimental research. The next challenge is to achieve results for grooved stator-rotor combinations. The work contains also results for an air gap with a grooved stator with 36 slots. The velocity field by the numerical method does not match in every respect the estimated flow mode. The absence of secondary Taylor vortices is evident when using time averagednumerical simulation.

Modeling dynamic behavior in tilting pad gas journal bearings

Thisresearch deals with the dynamic modeling of gas lubricated tilting pad journal bearings provided with spring supported pads, including experimental verification of the computation. On the basis of a mathematical model of a film bearing, a computer program has been developed, which can be used for the simulation of a special type of tilting pad gas journal bearing supported by a rotary spring under different loading conditions time dependently (transient running conditions due to geometry variations in time externally imposed). On the basis of literature, different transformations have been used in the model to achieve simpler calculation. The numerical simulation is used to solve a non-stationary case of a gasfilm. The simulation results were compared with literature results in a stationary case (steady running conditions) and they were found to be equal. In addition to this, comparisons were made with a number of stationary and non-stationary bearing tests, which were performed at Lappeenranta University of Technology using bearings designed with the simulation program. A study was also made using numerical simulation and literature to establish the influence of the different bearing parameters on the stability of the bearing. Comparison work was done with literature on tilting pad gas bearings. This bearing type is rarely used. One literature reference has studied the same bearing type as that used in LUT. A new design of tilting pad gas bearing is introduced. It is based on a stainless steel body and electron beam welding of the bearing parts. It has good operation characteristics and is easier to tune and faster to manufacture than traditional constructions. It is also suitable for large serial production.

Dynamic analysis of belt-drives using the absolute nodal coordinate formulation

Belt-drive systems have been and still are the most commonly used power transmission form in various applications of different scale and use. The peculiar features of the dynamics of the belt-drives include highly nonlinear deformation,large rigid body motion, a dynamical contact through a dry friction interface between the belt and pulleys with sticking and slipping zones, cyclic tension of the belt during the operation and creeping of the belt against the pulleys. The life of the belt-drive is critically related on these features, and therefore, amodel which can be used to study the correlations between the initial values and the responses of the belt-drives is a valuable source of information for the development process of the belt-drives. Traditionally, the finite element models of the belt-drives consist of a large number of elements thatmay lead to computational inefficiency. In this research, the beneficial features of the absolute nodal coordinate formulation are utilized in the modeling of the belt-drives in order to fulfill the following requirements for the successful and efficient analysis of the belt-drive systems: the exact modeling of the rigid body inertia during an arbitrary rigid body motion, the consideration of theeffect of the shear deformation, the exact description of the highly nonlinear deformations and a simple and realistic description of the contact. The use of distributed contact forces and high order beam and plate elements based on the absolute nodal coordinate formulation are applied to the modeling of the belt-drives in two- and three-dimensional cases. According to the numerical results, a realistic behavior of the belt-drives can be obtained with a significantly smaller number of elements and degrees of freedom in comparison to the previously published finite element models of belt-drives. The results of theexamples demonstrate the functionality and suitability of the absolute nodal coordinate formulation for the computationally efficient and realistic modeling ofbelt-drives. This study also introduces an approach to avoid the problems related to the use of the continuum mechanics approach in the definition of elastic forces on the absolute nodal coordinate formulation. This approach is applied to a new computationally efficient two-dimensional shear deformable beam element based on the absolute nodal coordinate formulation. The proposed beam element uses a linear displacement field neglecting higher-order terms and a reduced number of nodal coordinates, which leads to fewer degrees of freedom in a finite element.

Effect of Mechanical and Geometric Mismatching on Fatigue and Damage of Welded Joints

The future of high technology welded constructions will be characterised by higher strength materials and improved weld quality with respect to fatigue resistance. The expected implementation of high quality high strength steel welds will require that more attention be given to the issues of crack initiation and mechanical mismatching. Experiments and finite element analyses were performed within the framework of continuum damage mechanics to investigate the effect of mismatching of welded joints on void nucleation and coalescence during monotonic loading. It was found that the damage of undermatched joints mainly occurred in the sandwich layer and the damageresistance of the joints decreases with the decrease of the sandwich layer width. The damage of over-matched joints mainly occurred in the base metal adjacent to the sandwich layer and the damage resistance of the joints increases with thedecrease of the sandwich layer width. The mechanisms of the initiation of the micro voids/cracks were found to be cracking of the inclusions or the embrittled second phase, and the debonding of the inclusions from the matrix. Experimental fatigue crack growth rate testing showed that the fatigue life of under-matched central crack panel specimens is longer than that of over-matched and even-matched specimens. Further investigation by the elastic-plastic finite element analysis indicated that fatigue crack closure, which originated from the inhomogeneousyielding adjacent to the crack tip, played an important role in the fatigue crack propagation. The applicability of the J integral concept to the mismatched specimens with crack extension under cyclic loading was assessed. The concept of fatigue class used by the International Institute of Welding was introduced in the parametric numerical analysis of several welded joints. The effect of weld geometry and load condition on fatigue strength of ferrite-pearlite steel joints was systematically evaluated based on linear elastic fracture mechanics. Joint types included lap joints, angle joints and butt joints. Various combinations of the tensile and bending loads were considered during the evaluation with the emphasis focused on the existence of both root and toe cracks. For a lap joint with asmall lack-of-penetration, a reasonably large weld leg and smaller flank angle were recommended for engineering practice in order to achieve higher fatigue strength. It was found that the fatigue strength of the angle joint depended strongly on the location and orientation of the preexisting crack-like welding defects, even if the joint was welded with full penetration. It is commonly believed that the double sided butt welds can have significantly higher fatigue strength than that of a single sided welds, but fatigue crack initiation and propagation can originate from the weld root if the welding procedure results in a partial penetration. It is clearly shown that the fatigue strength of the butt joint could be improved remarkably by ensuring full penetration. Nevertheless, increasing the fatigue strength of a butt joint by increasing the size of the weld is an uneconomical alternative.

Dynamic drag modeling of submerged aquatic vegetation canopy flows

Vegetation has a profound effect on flow and sediment transport processes in natural rivers, by increasing both skin friction and form drag. The increase in drag introduces a drag discontinuity between the in-canopy flow and the flow above, which leads to the development of an inflection point in the velocity profile, resembling a free shear layer. Therefore, drag acts as the primary driver for the entire canopy system. Most current numerical hydraulic models which incorporate vegetation rely either on simple, static plant forms, or canopy-scaled drag terms. However, it is suggested that these are insufficient as vegetation canopies represent complex, dynamic, porous blockages within the flow, which are subject to spatially and temporally dynamic drag forces. Here we present a dynamic drag methodology within a CFD framework. Preliminary results for a benchmark cylinder case highlight the accuracy of the method, and suggest its applicability to more complex cases.

Expresiones para la determinación del factor de fricción en ríos de fuerte pendiente

Con base en una selección de 145 datos pertenecientes a ríos de montaña de fuerte pendiente (³ 1%) se han desarrollado cinco expresiones para determinar el factor de fricción de Darcy-Weisbach. La primera expresión se fundamenta en la aplicación para flujo turbulento rugoso en lámina libre de la ley semilogarítmica de Prandtl-Kárman, que es función de la sumersión relativa (relación entre el calado medio y la rugosidad equivalente). La segunda y tercera corresponden a correciones de la primera para flujo macrorrugoso, propuestas por Thompson y Campbell (1979) y Aguirre-Pe y Fuentes (1990) respectivamente. La cuarta ecuación consiste una en potencia de la sumersión relativa, mientras que la quinta corrige la fórmula anterior incorporando una potencia de la pendiente, tal y como propugnan Meunier (1989) y Rickenmann (1990). Las expresiones derivadas presentan un ajuste significativo, si se tienen en cuenta las limitaciones hidrométricas existentes en ríos de material grueso y fuerte pendiente. Destaca el mayor ajuste conseguido con las ecuaciones con las ecuaciones del tipo potencial frente a las del tipo semilogarítmico. Se ha encontrado, asimismo, una capacidad de predicción ligeramente superior en aquellas expresiones que incluyen modificaciones respecto a la ecuación original, ecuaciones del tipo segundo, tercero y quinto anteriormente indicado.

Joustava hitsausautomaatio piensarjatuotannossa

Kustannuspaineet, tuotteiden laatuvaatimukset ja lisääntyvässä määrin myös ammattitaitoisen työvoiman pula lisäävät robotisoinnin käyttötarvetta hitsauksessa. Tämä työ on tehty edellä mainituista lähtökohdista ja käsittelee robottihitsausjärjestelmän suunnitteluprojektia, joustavaa hitsausautomaatiota ja robotiikan soveltamista. Näkökohtana on Savonia-ammattikorkeakoulun sekä Pohjois-Savon alueen yritysten tutkimus-, kehitys- ja koulutustoiminnan tarpeet. Joustavuus on hitsausjärjestelmän päätavoite, jolla pyritään vastaamaan asiakasohjautuvan yksittäis- ja piensarjatuotannon haasteisiin. Ratkaisua yksittäis- ja piensarjatuotteiden kokonaistaloudelliseen hitsaukseen on haettu hitsausrobotin rinnalle lisätyllä apurobotilla, jonka päätehtävä on kappaleenkäsittely, mutta sitä voidaan käyttää myös mm. robotisoituun leikkauksen ja särmäykseen. Tavallisuudesta poikkeavaa järjestelmäratkaisua on perusteltu sillä, että ohjaus- ja ohjelmointitekniikan sekä kehittyneen anturoinnin myötä on robottien käytettävyys parantunut ja aiempaa haasteellisempien robottijärjestelmien toteuttaminen on tullut näin mahdolliseksi. Lisäksi virtuaalimallinnus, simulointi ja etäohjelmointi ovat työkaluja, joita voidaan käyttää mm. tuotannon laadun ja tehokkuuden parantamiseen. Työssä esitetty robottiaseman suunnittelu alkaa järjestelmän määrittelystä, vaatimuslistan laadinnasta sekä visioinnista ja päättyy kolmen järjestelmävaihtoehdon vertailuun. Esitetyillä järjestelmävaihtoehdoilla on haettu mahdollisuutta yhdistää yleensä erillisinä toteutettuja työvaiheita yhteiseen soluun. Tuotannon joustavuus on ollut tuotantokapasiteettia tärkeämpi laitteistokokoonpanon valintaperuste.

Tulistimien valmistuslinjan automatisointi ja kehittäminen

Diplomityössä kehitettiin Warkaus Works Oy:n tulistimien valmistuslinjan tuotantoa. Työn tavoitteena oli lyhentää läpimenoaika puoleen nykyisestä, kasvattaa tuotantokapasiteettiä, parantaa tuottavuutta ja toimitusvarmuutta. Työn teoriaosassa käsiteltiin erilaisia tuotannon kehittämiskeinoja, tuotannon analysointisystematiikkaa sekä automatisointiprojektin teoriaa. Työn kokeellisessa osassa selvitettiin tuotannon nykytila, jotta osattaisiin puuttua oikeisiin asioihin ja saataisiin vertailulähtökohta. Työssä selvitettiin tuotannon uudelleenvirtauttamisella saavutettavat hyödyt. Tuotannon kehittäminen painottui käsivaiheiden automatisointiin. Työssä selvitettiin eri automatisointi vaihtoehtoja. Työn tuloksena löydettiin tulistinputkien jatkohitsaukseen automatisointiratkaisu, jonka avulla käsinhitsattavien saumojen määrä rakenteessa parhaimmillaan puolittuu. Ratkaisun avulla läpimenoaikaa saadaan lyhennettyä ja tuotantokapasiteettiä nostettua ja tuottavuutta parannettua.

Puhallinpyörien kaarijuoton taloudellisuusanalyysi

Työssä selvitettiin Fläkt Woods Groupin toimeksiannosta, onko kannattavaa vaihtaa ilmastointipuhaltimissa käytettävien puhallinpyörien valmistusmenetelmä MIG-hitsauksesta kaarijuottoon. Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa suoritetuissa tutkimuksissa oli saavutettu noin 3-5 -kertainen liitosnopeus MIG-hitsaukseen verrattuna. Koska kaarijuotto voidaan tehdä tavallisella MIG-hitsauslaitteistolla, ei menetelmän käyttöönotto aiheuta merkittäviä lisäinvestointeja. Suurin kustannuserä onkin kaarijuotossa käytettävä alumiinipronssilanka, jonka hinta asetti kyseenalaiseksi menetelmän vaihtamisen. Käytännössä kaarijuotolla saavutettiin noin 2-kertainen liitosnopeus. Pääasialliset syyt, jotka aiheuttivat liitosnopeuden jäämisen pieneksi, liittyivät kaarijuoton suureen parametriherkkyyteen ja puhallinpyörän vaikeaan geometriaan. Tehdyt kokeet osoittivat, että puhallinpyöräkoon kasvaessa kaarijuotto onnistuu paremmin. Käyttämällä kaarijuottoa vain suurimpiin puhallinpyöriin päästäisiin myös hitsausta vastaaviin kannattavuuslukuihin, vaikka kapasiteettilisäys jäisi melko vaatimattomaksi. Tällöin myös teknisten ongelmien määrä jäisi mahdollisimman vähäiseksi. Osittainenkin kaarijuoton käyttöönotto olisi hyödyllistä, sillä näin saataisiin käyttökokemuksia ja tietämystä kaarijuoton käyttäytymisestä. Nämä tiedot ovat tärkeitä, mikäli kaarijuotto osoittautuu kannattavaksi esimerkiksi hitsauspituuden kasvaessa tai jos alumiinipronssilangan hinta laskee.

ROBOTTIHITSAUKSEN KÄYTTÖÖNOTON EDELLYTYKSET ASIAKASOHJAUTUVASSA YKSITTÄIS- JA PIENSARJATUOTANNOSSA

Diplomityö koostuu teoria- ja tutkimusosasta. Teoriaosassa on käsitelty robottihitsaus-järjestelmän hankinnan edellytyksiä asiakasohjautuvan yksittäis- ja piensarjatuotannon lähtökohdista. Tarkastelun osa-alueita ovat asiakasohjautuva tuotanto, robottihitsaus yksittäis- ja piensarjatuotannossa, robottien ohjelmointimenetelmät, robottihitsauksen laatu ja laadunvarmistus, tehokkuus, tuottavuus, kannattavuus, robottihitsattavan tuotteen ja robottihitsausjärjestelmän suunnittelu, robottihitsausaseman turvallisuus sekä robotti-järjestelmän toteutus ja käyttöönotto. Teoriaosa on koottu siten, että sitä voidaan käyttää myös oppimateriaalina. Siinä esitetään myös sovellusesimerkki Imatran ammattikoululla toteutetusta robottihitsausaseman turvallisuusrakenneratkaisusta, jonka on suunnitellut ja toteuttanut diplomityön laatija. Diplomityön tutkimusosassa selvitetään kyselytutkimuksen avulla robottihitsauksen käyt-töönoton edellytyksiä asiakasohjautuvassa yksittäis- ja piensarjatuotannossa eteläkarjalai-sissa konepaja- ja metallialan yrityksissä. Tutkimukseen mukaan valituille 25 yritykselle ja yrityksistä valituille vastuuhenkilöille lähetettiin kirjallinen kyselytutkimus, johon vastaus saatiin 17 yritykseltä. Diplomityön tavoitteena oli selvittää robottihitsauksen käyttöönoton edellytyksiä. Tutkimuksella haettiin tietoja myös muusta yritysten suunnittelemasta hitsaus-tuotannon kehittämisestä kuten mekanisoinnista ja sen nykytilasta sekä muista mahdollisista hitsaukseen liittyvistä hankkeista. Tutkimustulosten perusteella on todettavissa, että Etelä-Karjalassa toimivista asiakas-ohjautuvista yksittäis- ja piensarjatuotantoa harjoittavista konepaja- ja metallialan yri-tyksistä löytyy yrityksiä, jotka ovat kiinnostuneita robottihitsausjärjestelmän hankinnasta, mutta saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että edellytyksiä siihen ei vielä näyttäisi olevan. Syiksi robottihitsausjärjestelmän hankinnan edellytysten puuttumiseen voidaan mainita muun muassa sopimaton tuoterakenne, liian yksilölliset tuotteet ja pienet sarjat, joilla ei ole toistuvuutta. Lisäksi yritykset toimivat pelkästään alihankintayrityksinä eikä niillä ole omaa tuotetta. Robottihitsausjärjestelmän hankinta voisi olla mahdollista niissä yrityksissä, jotka ovat verkottuneet, toimivat vakaavaraisesti ja joiden viennistä osa suuntautuu välillisesti tai välittömästi ulkomaille. Yhteistyöverkkojen voidaan olettaa parantavan robottihitsaus-järjestelmän hankinnan mahdollisuuksia. Tällöin kustannuksia voidaan jakaa usealle eri yritykselle ja siten voidaan tehostaa myös järjestelmän käyttöastetta sekä hankkia uusia asiakkaita. Kaksi yrityksistä on harkinnut joko oman tai leasing-robottihitsausjärjestelmän hankintaa. Ongelmina robottihitsausjärjestelmän yhteishankinnalle pidettiin esim. kenen tiloihin järjestelmä hankitaan, kuka huolehtii kunnossapidosta, miten palkat maksetaan työntekijöille ja miten käytössä oleva työaika jaetaan eri yrityksille. Diplomityön johtopäätökset ja suositukset osassa esitetään muutamia jatkotoimenpide-ehdotuksia siitä, kuinka tiettyjen yritysten osalta voitaisiin robottihitsauksen käyttöönottoa edistää. Tutkimuksen tuloksena saatua tietoa hyödynnetään muun muassa Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimus- ja koulutushankkeissa sekä toisen asteen kone- ja metallitekniikan koulutuksen suunnittelussa ja toteutuksessa.

Robottihitsauksen tehokas käyttöönotto

Työn tavoitteena oli selvittää uuden robottihitsaussolun käyttöönotto siten, että se tapahtuu mahdollisimman tehokkaasti ja taloudellisesti. Uudella robotilla on tarkoitus hitsata nykyisin käsinhitsattavia kauhakuormaajien takarunkoja sekä alihankintana tilattavia kauhoja. Tuotannon kotiuttamisella alihankinnasta ja hitsauksen robotisoinnilla pyritään nostamaan omaa tuotantovolyymiä ja pienentämään valmistuskustannuksia. Työn teoriaosuudessa selvitettiin tyypilliset robotiikkaan liittyvät asiat, kuten robotit, niiden ohjaus ja ohjelmointi sekä perusteet hitsauksen robotisoinnista. Lisäksi käsiteltiin hitsattavan tuotteen suunnittelu- ja valmistusnäkökohtia ja hitsauksen kustannuslaskennan perusteet. Työn käytännön osuudessa tehtiin kartoitus kahden valitun takarunkomallin soveltuvuudesta robottihitsaukseen ja muutosehdotuksia, joilla voidaan parantaa runkojen robottihitsattavuutta. Lisäksi käytiin läpi hitsauksen nykytilanne osavalmistuksesta aina hitsauksen jälkeiseen viimeistelyyn. Hitsauksen kustannusten selvittämistä varten tehtiin taulukkolaskentaohjelma, jolla tehtiin esimerkkinä kuvitteellinen kustannussäätölaskelma. Tuottavuusmittari laadittiin niin, että sillä voidaan mitata sekä robotin että kokohitsaustapahtuman tehokkuutta pitkällä ja lyhyellä aikavälillä. Näiden lisäksi laadittiin sisäinen ohje robottihitsattavien kappaleiden silloitukseen sekä suunnittelijoille ohjeistus huomioitavista asioista suunniteltaessa kappaletta robottihitsaukseen.

Lämmönsiirron numeerinen laskenta profiloidulle kanavalle.

Työn tavoitteena oli tutkia aaltomaisen profiloinnin vaikutusta suorien jäähdytyskanavien lämmönsiirtoon ja painehäviöön. Erilaisia profiileja oli kymmenen kappaletta ja ne olivat 5mm leveitä ja 30cm pitkiä kukin. Ne laskettiin kolmeulotteisina tapauksina FINFLO-virtausratkaisijalla kolmella eri Reynoldsin luvulla, jotka vastasivat laminaarista, osittain turbulenttista ja lähes kokonaan turbulenttista virtausta. Lämmönsiirtoaine oli kuiva +30°C ilma ja profiloinnin toteutustapa oli toisiaan sivuavat ympyräkaaret kolmella erilaisella säteen arvolla ja kolmella erilaisella aallonpituuden arvolla. Lisäksi laskettiin saman levyisen tasokanavan arvot jokaisella Reynoldsin luvulla kaksiulotteisina tapauksina. Näitä profiloimattomia kanavia pidettiin referenssitapauksina. Tuloksena havaittiin että profiloimalla saadaan yksiselitteisesti suurempi lämpöteho ulos samasta tilavuudesta. Lämmönsiirtokerroin kasvaa profiloinnin avulla parhaimmillaan n. 20% käytetystä turbulenssimallista tai lämmönsiirtokertoimen määritelmästä riippumatta. Painehäviö kasvaa myös aina, mutta kitkakerroin voi hieman pienentyä. Profiilin varsinaisena hyvyyskriteerinä pidettiin lämmönsiirtokertoimen ja kitkakertoimen suhdetta h/f. Se osoittautui riippuvaksi Reynoldsin luvusta ja turbulenssimallista; ASM ja Chien k-έ -mallit ennustavat transitioetäisyyden eri tavalla. Laminaarisilla virtauksilla h/f :n vaihtelu oli vähäistä; suhde vaihteli vain ±5% eri profiilien kesken. ASM-mallilla havaittiin sekundääripyörteilyä, ehkä siksi että se mallintaa anisotrooppisen turbulenssin. Chien k-έ malli ennusti suuremman ja aikaisemmin alkavan turbulenttisuuden kuin ASM. Lisäksi havaittiin mm. että tietyillä profiileilla muodostuu kanavan kapeimpaan kohtaan selvä virtausnopeuden paikallinen minimi seinämän läheisyyden takia.