Polymeeripinnoitteen aiheuttamat itseherätteiset värähtelyt nipillisessä telasysteemissä

Lukuisissa teollisuussovelluksissa materiaalien, kuten paperin ja teräslevyjen, muokkaamiseen käytettävät pyörivät nippitelat kärsivät aina erilaisten herätteiden synnyttämistä mekaanisista värähtelyistä, jotka voivat aiheuttaa virheitä valmistettaviin tuotteisiin. Tässä työssä tutkittiin viskoelastisia polymeerejä ja polymeeripinnoitteen nipilliseen telasysteemiin synnyttämiä haitallisia itseherätteisiä värähtelyjä. Työn polymeerejä käsittelevässä kirjallisuusosassa luotiin katsaus amorfisten polymeerien fysikaalisiin ominaisuuksiin. Kokeellisessa osuudessa tutkittiin tarkemmin kahden amorfisen telapinnoitepolymeerin termoreologisia ja mekaanisia ominaisuuksia suoritettujen DMTA-mittausten perusteella. Sovittamalla toisen polymeerin master-käyrään yleistetty lineaarisen standardiaineen malli saatiin selville polymeerin mekaaniset parametrit ja approksimaatio sen relaksaatiospektrille. Telapinnoitteen nipilliseen systeemiin synnyttämiä itseherätteisiä värähtelyjä ja niiden seurauksia tarkasteltiin kahdelle telalle ja polymeeripinnoitteelle kehitetyn analyyttisen mallin ja numeeristen laskujen avulla. Pinnoite mallinnettiin lineaarisen standardiaineen mukaisesti. Telasysteemin parametrit määritettiin DMTA-mittaustuloksista ja systeemiä vastaavasta koelaitteesta kokeellisella moodianalyysillä ja elementtimenetelmällä. Numeerisesta stabiilisuusanalyysistä ja liikeyhtälöiden integroinneista saadut tulokset kertovat telapinnoitteen aaltomaisista deformaatiomuodoista ja niiden synnyttämistä taajuusalueittain esiintyvistä epästabiileista värähtelyistä. Telasysteemi on epästabiili pinnoitedeformaatiokuvion systeemiin aiheuttaman herätevoiman taajuuden ollessa lähellä systeemin korkeampaa ominaistaajuutta. Numeerisista tuloksista voitiin ennustaa nopean ja hitaan barringin olemassaolo.

Applications and Markets of Linear Motors

A steady increase in practical industrial applications has secured a place for linear motors. They provide high dynamics and high positioning accuracy of the motor, high reliability and durability of all components of the system. Machines with linear motors have very big perspectives in modern industry. This thesis enables to understand what a linear motor is, where they are used and what situation there is on their market nowadays. It can help to understand reasonability of applying linear motors on manufacture and benefits of its application.

VOC emissions and control techniques in softwood veneer dryers

The objective in this Master’s Thesis was to determine VOC emissions from veneer drying in softwood plywood manufacturing. Emissions from plywood industry have become an important factor because of the tightened regulations worldwide. In this Thesis is researched quality and quantity of the VOCs from softwood veneer drying. One of the main objectives was to find out suitable cleaning techniques for softwood VOC emissions. In introduction part is presented veneer drying machines, wood mechanical and chemical properties. VOC control techniques and specified VOC limits are introduced also in the introduction part. Plywood mills have not had interest to VOC emissions previously nevertheless nowadays plywood mills worldwide must consider reduction of the emissions. This Thesis includes measuring of emissions from softwood veneer dryer, analyzation of measured test results and reviewing results. Different air conditions inside of the dryer were considered during planning of the measurements. Results of the emissions measurements were compared to the established laws. Results from this Thesis were softwood veneer dryer emissions in different air conditions. Emission control techniques were also studied for softwood veneer dryer emissions for further specific research.

Learning Robot Motions from Visual Sensing

Learning from demonstration becomes increasingly popular as an efficient way of robot programming. Not only a scientific interest acts as an inspiration in this case but also the possibility of producing the machines that would find application in different areas of life: robots helping with daily routine at home, high performance automata in industries or friendly toys for children. One way to teach a robot to fulfill complex tasks is to start with simple training exercises, combining them to form more difficult behavior. The objective of the Master’s thesis work was to study robot programming with visual input. Dynamic movement primitives (DMPs) were chosen as a tool for motion learning and generation. Assuming a movement to be a spring system influenced by an external force, making this system move, DMPs represent the motion as a set of non-linear differential equations. During the experiments the properties of DMP, such as temporal and spacial invariance, were examined. The effect of the DMP parameters, including spring coefficient, damping factor, temporal scaling, on the trajectory generated were studied.

Electric propulsion system in a modern sports car

In this thesis an electric propulsion system is designed on a device level using Cadence ORCAD. The vehicle belongs to the Helsinki Metropolia University of Applied Sci-ences and it is to compete in the Automotive X-Prize competition held in the USA. In this thesis the electric propulsion system and related electric safety measures are designed. Also electro-magnetic compatibility and interferences present in the system are examined by examining the birth mechanisms and transmission paths of interference. Per device effects of interference and solutions to minimize them were examined and proposed. Suitability of permanent magnet synchronous machines for passenger vehicle use was examined by examining the torque production capability of the motor and the torque requirements of the vehicle. Also a short overview of history of electric vehicles is given.

Joustavan särmäyssolun kehittäminen

Tässä diplomityössä esitellään robotisoinnin teoria ja robottisolun oheislaitteet, vaihtoehdot, toiminta ja turvallisuus. Joustavalla tuotantosolulla tarkoitetaan automaattista valmistusjärjestelmää, jossa on useita toisiinsa liitettyjä koneita yhteisellä ohjausjärjestelmällä. Solun komponentteja ovat tuotantolaitteet ja -koneet, ohjausjärjestelmät, valvontalaitteet ja anturit, toimi- ja säätölaitteet sekä ohjelmointijärjestelmä. Joustavaa tuotantosolua voidaan kehittää tehostamalla työntekijöiden koulutusta, ohjelmointia, asetusten tekemistä ja layouttia. Diplomityöhön liittyvä kehitystehtävä koskee heinäveteläisen alihankintakonepajan, Metalliset Oy:n, tuotannon tehostamista robotisoinnin avulla. Metalliset Oy:n joustavan särmäyssolun kehittämiskeinoiksi valittiin nykyisen järjestelmän tehostaminen, uuden tuotantosolun luominen olemassa olevia laitteita hyödyntäen ja tulevaisuuden tuotantosolun kehittäminen. Vertailussa parhaimmaksi osoittautui uuden tuotantosolun luominen olemassa olevia laitteita hyödyntäen.

Tuotannon tunnuslukujen analysointi ja kehittäminen kourukoneilla

Sisäisen suorituskyvyn tehostaminen on yrityksille jatkuvan kehityksen prosessi. Diplomityön tarkoituksena oli selvittää Paroc Oy Ab:n kourukoneiden suorituskykymittarit sekä analysoida ja kehittää niitä. Lisäksi selvitettiin suorituskykyä kuvaavat raporttimallit eri tuotantopaikkakunnilta ja kehitettiin niitä. Teoriaosuudessa kerrotaan, mitä suorituskyvyllä tarkoitetaan sekä käydään läpi sen eri osa-alueita. Siinä esitetään myös suorituskyvyn mittaamista sekä kuinka mittareita suunnitellaan ja rakennetaan. Työn painopiste on kuitenkin empiirisessä osuudessa, jossa ensin kerrotaan työn kohteena olevien kourukoneiden tuotantoprosessi ja tämän jälkeen paneudutaan suorituskykymittareihin ja niiden analysointiin sekä raporttimalleihin. Lopuksi esitetään työn aikana esille nousseita kehitysehdotuksia. Tunnuslukujen selvittämisen tuloksena havaittiin, että kirjallisuus tukee käytössä olevia mittareita. Työssä kerättiin tuotantodataa kourukoneilta usean vuoden aikajaksolta. Datasta valmisteltiin mallit, joita käytettiin mittarien analysointiin. Analysoinnin tuloksena kävi ilmi, että mittarien tarjoama tieto oli joiltakin osin puutteellista ja näin ollen päätöksentekijälle harhaanjohtavaa. Raporttimallit eivät olleet yhtenäisiä paikkakuntien välillä, mikä toi epävarmuutta tuloksiin laskentaperiaatteiden osalta. Työn lopputuloksena tehtiin käytössä oleville suorituskykymittareille kehitysehdotuksia tarkemman ja laadukkaamman tiedon takaamiseksi. Työssä esitettiin myös uusia mittariehdotuksia. Raporttimallit yhtenäistettiin uuden tuotannonohjausjärjestelmän tuomien mahdollisuuksien myötä.

Kestomagneettigeneraattorin lämmönsiirron mallinnus tuulivoimakäytössä

Pyörivien sähkökoneiden suunnittelussa terminen suunnittelu on yhtä tärkeää kuin sähköinen ja mekaaninen suunnittelukin. Tässä diplomityössä tarkoituksena on kehittää ilmajäähdytteisten kestomagneettigeneraattorien laskentaan soveltuva lämmönsiirtymismalli, jolla staattorin lämpötilajakauma voitaisiin selvittää. Kehitetty lämmönsiirtymismalli perustuu kolmiulotteiseen äärellisen erotuksen (finite difference) menetelmään. Malli ottaa huomioon lämmönjohtumisen staattorin aktiiviosissa ja konvektion jäähdytysilmavirtaan. Mallissa on myös yksinkertainen painehäviölaskenta jäähdytysjärjestelmän komponenttien mitoittamista varten. Laskentamallilla lasketaan esimerkkitapauksena 4,3 MW:n kestomagneettigeneraattorin jäähdytystä eri toimintapisteissä. Tuloksia verrataan CFD-mallinnuksen antamiin tuloksiin sekä kokeellisten mittausten antamiin tuloksiin.

Permanent Magnet Synchronous Machine for Parallel Hybrid Vehicle

The aim of this thesis is to describe hybrid drive design problems, the advantages and difficulties related to the drive. A review of possible hybrid constructions, benefits of parallel, series and series-parallel hybrids is done. In the thesis analytical and finite element calculations of permanent magnet synchronous machines with embedded magnets were done. The finite element calculations were done using Cedrat’s Flux 2D software. This machine is planned to be used as a motor-generator in a low power parallel hybrid vehicle. The boundary conditions for the design were found from Lucas-TVS Ltd., India. Design Requirements, briefly: • The system DC voltage level is 120 V, which implies Uphase = 49 V (RMS) in a three phase system. • The power output of 10 kW at base speed 1500 rpm (Torque of 65 Nm) is desired. • The maximum outer diameter should not be more than 250 mm, and the maximum core length should not exceed 40 mm. The main difficulties which the author met were the dimensional restrictions. After having designed and analyzed several possible constructions they were compared and the final design selected. Dimensioned and detailed design is performed. Effects of different parameters, such as the number of poles, number of turns and magnetic geometry are discussed. The best modification offers considerable reduction of volume.

The Effects of Some Furnish and Paper Structure Related Factors on Wet Web Tensile and Relaxation Characteristics

The objective of this thesis was to identify the effects of different factors on the tension and tension relaxation of wet paper web after high-speed straining. The study was motivated by the plausible connection between wet web mechanical properties and wet web runnability on paper machines shown by previous studies. The mechanical properties of wet paper were examined using a fast tensile test rig with a strain rate of 1000%/s. Most of the tests were carried out with laboratory handsheets, but samples from a pilot paper machine were also used. The tension relaxation of paper was evaluated as the tension remaining after 0.475 s of relaxation (residual tension). The tensile and relaxation properties of wet webs were found to be strongly dependent on the quality and amount of fines. With low fines content, the tensile strength and residual tension of wet paper was mainly determined by the mechanical interactions between fibres at their contact points. As the fines strengthen the mechanical interaction in the network, the fibre properties also become important. Fibre deformations caused by the mechanical treatment of pulp were shown to reduce the mechanical properties of both dry and wet paper. However, the effect was significantly higher for wet paper. An increase of filler content from 10% to 25% greatly reduced the tensile strength of dry paper, but did not significantly impair wet web tensile strength or residual tension. Increased filler content in wet web was shown to increase the dryness of the wet web after the press section, which partly compensates for the reduction of fibrous material in the web. It is also presumable that fillers increase entanglement friction between fibres, which is beneficial for wet web strength. Different contaminants present in white water during sheet formation resulted in lowered surface tension and increased dryness after wet pressing. The addition of different contaminants reduced the tensile strength of the dry paper. The reduction of dry paper tensile strength could not be explained by the reduced surface tension, but rather on the tendency of different contaminants to interfere with the inter-fibre bonding. Additionally, wet web strength was not affected by the changes in the surface tension of white water or possible changes in the hydrophilicity of fibres caused by the addition of different contaminants. The spraying of different polymers on wet paper before wet pressing had a significant effect on both dry and wet web tensile strength, whereas wet web elastic modulus and residual tension were basically not affected. We suggest that the increase of dry and wet paper strength could be affected by the molecular level interactions between these chemicals and fibres. The most significant increases in dry and wet paper strength were achieved with a dual application of anionic and cationic polymers. Furthermore, selectively adding papermaking chemicals to different fibre fractions (as opposed to adding chemicals to the whole pulp) improved the wet web mechanical properties and the drainage of the pulp suspension.

Virtuaalitekniikoiden ja riskianalyysin käyttö kivenmurskainten tuotekehityksessä

Tässä työssä keskitytään Metso Mineralsin valmistamien tuotteiden suunnitteluympäristöön ja erityisesti sen kehittämismahdollisuuksiin uusien teknologioiden avulla. Käyttövarmuuden parantamiseksi yksi potentiaalisimmista keinoista on parantaa laitteiden huollettavuutta. Tyypillisesti huollettavuuden verifiointi tapahtuu vasta prototyyppien testauksessa työmaaolosuhteissa, jolloin havaittujen ongelmien muuttaminen on hankalaa. Siksi huollettavuuteen tulisi kiinnittää enemmän huomiota jo tuotekehitysvaiheessa. Tässä työssä selvitetään virtuaalitekniikoiden tarjoamia mahdollisuuksia em. asioiden parantamiseksi. Työn toisena osakokonaisuutena tutkitaan riskianalyysien kehittämismahdollisuuksia. Tavoitteena on kehittää toimiva menetelmä riskianalyysin suorittamiseen virtuaaliprototyyppien avulla ja testata kaupallisten riskianalyysiin tarkoitettujen sovellusten käyttöä. Lopuksi tarkastellaan vielä uusien menetelmien integrointia osaksi tuotekehitysprosessia. Tehtyjen Case-tutkimusten perusteella havaittiin, että virtuaaliympäristöjen ja -tekniikoiden avulla saavutetaan hyötyä tuotekehityksen varhaisessa vaiheessa. Kyselytutkimuksesta saadun palautteen perusteella virtuaalitekniikoiden sovelluksille annettiin asteikolla 1–5 yleisarvosanaksi keskimäärin kolme. Virtuaalitekniikoiden ja riskianalyysien yhteiskäyttöä testattiin onnistuneesti, mutta tämä vaatii vielä kehittämistä.

Rasitusten älykäs seuranta

Tässä diplomityössä käsitellään monikappalesysteeminä mallinnetun toimilaitteen tai mekaanisen systeemin kappaleissa vaikuttavien rasitusten, siirtymien ja jännitysten laskentamenetelmiä. Työhön sisällytettyjen menetelmien valinta on toteutettu 2000-luvulla virtuaalisuunnittelua käsittelevissä tiedelehdissä julkaistujen artikkelien pohjalta. Työn tarkoituksena on muodostaa kirjallisuuskatsaus uusien laskentamenetelmien ominaisuuksista ja metodiikasta, mitä voidaan tarvittaessa soveltaa virtuaalisuunnittelun tarpeisiin. Kaksi esiteltävistä menetelmistä on optimointimenetelmiä (RBDO ja ESL). Muissa menetelmissä käsitellään muun muassa venymien rekonstruointia ja hankauskitkasta komponentteihin kohdistuvia jännityksiä. Moving frame-menetelmässä sovelletaan kelluvan koordinaatiston periaatetta, yksi menetelmistä perustuu selkeästi osarakennetekniikkaan ja yhdessä kappaleiden joustokäyttäytymistä mallinnetaan muotofunktioiden avulla. Lisäksi on kolme soveltavaa esimerkkiä rasitusten seurannasta teollisuuskoneissa. Laskentamenetelmät ovat luonteeltaan ja sovelluskelpoisuudeltaan erilaisia. Optimointimenetelmät ovat parhaimmillaan rakenteiden jatkokehitystyössä, siinä missä muut menetelmät soveltuvat joko olemassa olevien rakenteiden mallintamiseen tai kokonaan uusien systeemien suunnittelutyökaluiksi. Tätä eroavuutta voidaan pitää hyvänä asiana, jotta voidaan valita parhaiten omiin tarkoituksiin soveltuva menetelmä.

Analysis and Control of Excitation, Field Weakening and Stability in Direct Torque Controlled Electrically Excited Synchronous Motor Drives

Direct torque control (DTC) is a new control method for rotating field electrical machines. DTC controls directly the motor stator flux linkage with the stator voltage, and no stator current controllers are used. With the DTC method very good torque dynamics can be achieved. Until now, DTC has been applied to asynchronous motor drives. The purpose of this work is to analyse the applicability of DTC to electrically excited synchronous motor drives. Compared with asynchronous motor drives, electrically excited synchronous motor drives require an additional control for the rotor field current. The field current control is called excitation control in this study. The dependence of the static and dynamic performance of DTC synchronous motor drives on the excitation control has been analysed and a straightforward excitation control method has been developed and tested. In the field weakening range the stator flux linkage modulus must be reduced in order to keep the electro motive force of the synchronous motor smaller than the stator voltage and in order to maintain a sufficient voltage reserve. The dynamic performance of the DTC synchronous motor drive depends on the stator flux linkage modulus. Another important factor for the dynamic performance in the field weakening range is the excitation control. The field weakening analysis considers both dependencies. A modified excitation control method, which maximises the dynamic performance in the field weakening range, has been developed. In synchronous motor drives the load angle must be kept in a stabile working area in order to avoid loss of synchronism. The traditional vector control methods allow to adjust the load angle of the synchronous motor directly by the stator current control. In the DTC synchronous motor drive the load angle is not a directly controllable variable, but it is formed freely according to the motor’s electromagnetic state and load. The load angle can be limited indirectly by limiting the torque reference. This method is however parameter sensitive and requires a safety margin between the theoretical torque maximum and the actual torque limit. The DTC modulation principle allows however a direct load angle adjustment without any current control. In this work a direct load angle control method has been developed. The method keeps the drive stabile and allows the maximal utilisation of the drive without a safety margin in the torque limitation.

Pyörivien sähkökoneiden kotelointia koskevat standardit ja aksiaalivuokoneen jäähdytyksen kehittäminen

Tämä diplomityö on osa Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja Visedo Oy:n yhteistyöprojektia. Työssä selvitetään pyörivien sähkökoneiden kotelointeja koskevia standardeja ja niiden vaikutukset koneiden suunnittelulle ja valmistukselle. Lisäksi työssä käsitellään aksiaalivuokoneen jäähdytykseen liittyviä ongelmia, kehitetään koneen nykyisiä jäähdytysratkaisuja ja ideoidaan käytettävissä olevia uusia jäähdytysmenetelmiä. Kehitysideoiden rajoitteena toimii koneelta vaadittu kotelointiluokka IP 64 – IP 68 sekä koneelle määritetty kestomagnetoitu aksiaalivuorakenne. Sähkökoneiden kotelointeja koskevien standardien asettamien vaatimusten määrittäminen tapahtui suurilta osin kirjallisuusselvityksenä. Standardien vaikutukset koneiden suunnittelulle ja valmistettavuudelle on selvitetty standardien kotelointien rakenteelle asettamien vaatimusten perusteella. Aksiaalivuokoneen jäähdytysongelmien selvittäminen, käytössä olevien jääh-dytysratkaisujen kehittäminen ja uusien menetelmien ideointi suoritettiin projektiluontoisesti yhdessä eri alojen asiantuntijoista koostuvan jäähdytystyöryhmän kanssa. Työn tuloksena laadittiin Visedo Oy:lle standardikäsikirja, jonka avulla Visedon sähkökoneiden tuoteperheeseen kuuluvien koneiden suunnitteluvaiheessa voidaan varmistaa koneiden standardienmukaisuus. Käsikirjassa on myös esitetty huomioita eri kotelointiluokkien asettamista vaatimuksista koneiden valmistukselle. Aksiaalivuokoneiden jäähdytykseen liittyen tavoitteena oli ratkaista aksiaalivuokoneisiin liittyviä jäähdytysongelmia. Työn tuloksena saa-tiin selville aksiaalivuokoneissa jäähdytyksen kehittämistä vaativat kohteet, laadittiin nykyisten jäähdytysratkaisujen parannusehdotuksia ja kehitettiin täysin uusia jäähdytysmenetelmiä.

Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.