Paperikoneen hyötysuhteen parantaminen kunnossapidon keinoin

Stora Enson Kotkan tehtaiden paperikone yksi on pieni erikoislaatuja tekevä paperikone, jonka hy6tysuhteen parantamiseen on etsitty keinoja kunnossapidon toimesta. Kansainvälisen kilpailun kiristyessä sekä raaka aineiden ja energian kallistuessa paperikoneen hy6tysuhteen tulee olla korkealla tasolla. Tämän diplomity6n kirjallisuusosassa on perehdytty yleisesti kunnossapidon käsitteisiin ja toimintatapoihin. Vikaantumisen osiossa on pyritty l6ytamaan mekanismi laakereiden vikaantumiseen ja kunnonvalvonnalla keinot laakereiden vikaantumisen ehkäisyyn. Työn käytännön osiossa tutkittiin paperikoneen häiriökirjauksia vuosilta 2006 ja 2007 tehtaan toiminnanohjausjärjestelmistä. Samanaikaisesti selvitettiin toimenpidekirjauksia ja tehtyjä korjauksia samoihin kohteisiin, joissa vikaantumista tapahtuu. Tavoitteena oli selvittää syyt suuriin hairi6seisokkiaikoihin sekä analysoida suunniteltujen ja suunnittelemattomien seisokkien suhdetta. Tutkimuksessa havaittiin häiriökirjauksien puutteellisuus ja kirjauksien merkitys häiriöiden ennaltaehkäisyssä.

Hitsauskoneen kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen

Teollisuuden kasvavien laatuvaatimusten johdosta valmistava teollisuus joutuu tiukentamaan laatuvaatimuksiaan täyttääkseen asiakasvaatimukset. Laatujärjestelmät asettavat valmistajille erilaisia vaatimuksia, kuten valmistuksessa käytettävien laitteistojen huoltodokumentaatioiden tuottaminen. Standardi SFS-EN ISO 3834-2 Metallien sulahitsauksen laatuvaatimukset: Kattavat laatuvaatimukset tuo edellä mainitut vaatimukset myös hitsaustuotantoon. Ennakoivaa kunnossapitoa käytetään monilla teollisuuden aloilla, koska tuotannon yllättävät keskeytymiset halutaan ennaltaehkäistä. Käsinhitsaukseen ei ole ollut toistaiseksi työkaluja, jotka mahdollistaisivat ennakoivan kunnossapidon hitsauskoneille. Kemppi Oy kehittää hitsauksen monitorointiratkaisua, jonka yhtenä päämääränä on kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen hitsauslaitteistolle. Järjestelmä ottaa huomioon myös laatujärjestelmien asettamat vaatimukset hitsauskoneiden huoltodokumentaation tuottamisesta. Diplomityön tavoitteena oli tehdä vaatimusmäärittely hitsauskoneiden kunnonvalvontajärjestelmälle. Tässä diplomityössä perehdyttiin kunnossapidon ja vikaantumisen lajeihin, laatujärjestelmiin sekä hitsauslaitteistoon. Tutkimuksessa syvennyttiin hitsauskoneiden kunnossapidon ja vikaantumistapauksien kautta suunnitteilla olevan järjestelmän tarpeisiin. Haastatteluiden avulla kartoitettiin hitsauslaitteiden kunnonvalvontajärjestelmältä vaadittavia piirteitä, järjestelmälle asetettavia vaatimuksia sekä järjestelmän monitorointikohteita. Tutkimuksen pohjalta laadittuun vaatimusmäärittelyyn saatiin muodostettua toiminnalliset vaatimukset, joista muodostetaan tuotekehityksen aikana tuotteen ominaisuudet. Lisäksi vaatimusmäärittelyyn luotiin käyttäjäryhmät, käyttötapaukset sekä alustavat monitorointikohteet. Vaatimusten täyttämiseksi kunnonvalvontajärjestelmään on suunnitteilla myös laitetietokanta, johon sisällytetään hitsauslaitteille suoritettujen huoltojen ja validointien tiedot. Varsinaisen tuotekehitystyön alkaessa nyt laadittua vaatimusmäärittelyä tullaan käyttämään suuntaviivojen näyttäjänä projektissa.

Ehkäisevän mekaanisen kunnossapidon nykytilanne, kehittäminen ja raportointi paperi- ja kartonkitehtaalla

Työn tarkoituksena on tutkia Empower Oy:n tuottamaa Storan Enson Anjalankosken paperi- ja kartonkitehtaiden ehkäisevää kunnossapitoa. Työ rajataan koskemaan mekaanista kunnossapitoa. Kunnossapitopalveluliiketoiminta asettaa vaatimuksia toiminnan raportoimiselle. Kuukausittain toimitettavaan asiakasraporttiin haluttiin lisätä kohta ehkäisevästä kunnossapidosta. Ongelmaksi muodostui kuitenkin se, mitä ja miten siitä tulisi raportoida. Työn teoriaosassa käydään läpi pintapuolisesti palveluliiketoimintaa. Kunnossapidosta on esitetty perusteoriaa, vikaantumismallit, kunnossapidon tunnusluvut ja kunnossapidon vaikutus tuotannon kokonaistehokkuuteen. Tämän jälkeen käydään läpi kunnossapitolajit ja keskitytään nimenomaan ehkäisevään kunnossapitoon. Ehkäisevä kunnossapito on jaettu karkeasti jaksotettuun ja kuntoon perustuvaan kunnossapitoon. Ehkäisevässä kunnossapidossa painotetaan oman toiminnan analysointia ja pyrkimystä jatkuvaan parantamiseen. Kunnossapidon toimintamalleja on tarkasteltu, jotta ymmärrettäisiin syyt, miksi kunnossapitoa tehdään ja mihin sillä pyritään. Työssä käydään läpi Inkeroisissa tehtävien ennakkohuoltotöiden teoriaa ja tarkastellaan tehtävien käytännön suorittamista. Lopuksi pohditaan ehkäisevän kunnossapidon raportointiin käytettävää tunnuslukua ja esitetään parannusehdotus nykyiseen raportointiin.

Älykäs kunnossapito

Valmistuksen ajatusmallin siirtyessä kohti kestävän kehityksen yhteiskuntaa, on kunnossapidon roolin täytynyt siirtyä kohti elinkaarilähtöistä ajattelua. Uusien ajattelutapojen lisäksi älykkäiden teknologioiden kehittymisen sekä liiketoiminnan integraation tarpeen lisääntymisen myötä on kehittynyt uusi kunnossapidon konsepti, älykäs kunnossapito. Työn tavoitteena on esitellä älykästä kunnossapitoa ja sen kehitystä eri näkökulmista, selvittää sen teollista käyttöä ja tutkimusta sekä arvioida sen ominaisuuksia ja tulevaisuutta. Työ on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston tuotantotalouden koulutusohjelmalle. 2000-luvun alussa ensimmäisen kerran kirjallisuudessa esiintyneellä konseptilla on useita määrittelyjä, jotka vaihtelevat tarkasteltavan näkökulman mukaan. Älykkään kunnossapidon voidaan kuitenkin nähdä perustuvan älykkäillä teknologioilla toteutettuun laitteiden ja komponenttien valvontaan sekä kunnossapidon integraatioon tuotannon kanssa. Työn merkittävimpinä tuloksina voidaan pitää älykkään kunnossapidon ominaisuuksia, käyttöä sekä kyvykkyyksiä ja haasteita. Älykäs kunnossapito on kestävän kehityksen edistäjä, strateginen päätöksenteon apuväline sekä kilpailukyvyn parantaja. Suurista hyödyistä huolimatta ei sen käyttö ole vielä teollisuudessa suurta.

Pyörivien sähkökäyttöjen ennakoiva kunnossapito reaaliaikaisen värähtelymittauksen avulla

Teollisuuden pyörivien sähkökäyttöjen ennakoivaan kunnossapitoon investoidaan jatkuvasti enemmän ja enemmän, jotta käytönaikaisia sähkökäyttöjen rikkoontumisia saataisiin ehkäistyksi. Lisäksi huoltojen ajoittamista halutaan optimoida siten, että suunniteltujen tuotantoseisokkien aikana saataisiin tehdyksi oleelliset ja tarpeelliset huoltotoimenpiteet. Pyörivien sähkökäyttöjen kunnonvalvontamenetelmiä ja -tapoja on erilaisia ja yhtenä vaihtoehtona voisi olla reaaliaikainen värähtelymittaus. Tässä diplomityössä tarkastellaan kunnossapidon käsitteitä, värähtelymittaukseen liittyviä suureita ja menetelmiä, sekä reaaliaikaisen värähtelymittauksen hyödyntämistä teollisuudessa.

Possibilities and challenges in utilization of information provided by Industrial Internet applications

Global digitalization has affected also industrial sector. A trend called Industrial Internet has been present for some years and established relatively steady position in businesses. Industrial Internet is also referred with the terminology Industry 4.0 and in consumer businesses IoT (Internet of Things). Eventually, trend consists of many traditionally proven technologies and concepts, such as condition monitoring, remote services, predictive maintenance and Internet customer portals. All these technologies and information related to them are estimated to change the rules of business in industrial sector. This may result even a new industrial revolution. This research has its focus on Industrial Internet products, services and applications. The study analyses four case companies and their digital service offerings. According to this analysis the comparison of these services is done to find out if there is still space for companies to gain competitive advantage through differentiation with these state of the art solutions. One of the case companies, Case Company Ltd., is working as a primary case company and a subscriber of this particular research. The research and results are analyzed primarily from this company’s perspective and need. In empirical part, the research clarifies how Case Company Ltd. has allocated its development resources through last five years. These allocations in certain categories are then compared to other case companies’ current customer offering and conclusions are made how the approach of different companies differ from each other. Existing theoretical knowledge of Industrial Internet is about to find its shape. In this research we take a look how the case company analysis and findings correlate with the existing knowledge and literature of the topic.

Recurrence Quantification Analysis of System Signals for Detecting Tool and Chatter in Turning

In this thesis, the applications of the recurrence quantification analysis in metal cutting operation in a lathe, with specific objective to detect tool wear and chatter, are presented.This study is based on the discovery that process dynamics in a lathe is low dimensional chaotic. It implies that the machine dynamics is controllable using principles of chaos theory. This understanding is to revolutionize the feature extraction methodologies used in condition monitoring systems as conventional linear methods or models are incapable of capturing the critical and strange behaviors associated with the metal cutting process.As sensor based approaches provide an automated and cost effective way to monitor and control, an efficient feature extraction methodology based on nonlinear time series analysis is much more demanding. The task here is more complex when the information has to be deduced solely from sensor signals since traditional methods do not address the issue of how to treat noise present in real-world processes and its non-stationarity. In an effort to get over these two issues to the maximum possible, this thesis adopts the recurrence quantification analysis methodology in the study since this feature extraction technique is found to be robust against noise and stationarity in the signals.The work consists of two different sets of experiments in a lathe; set-I and set-2. The experiment, set-I, study the influence of tool wear on the RQA variables whereas the set-2 is carried out to identify the sensitive RQA variables to machine tool chatter followed by its validation in actual cutting. To obtain the bounds of the spectrum of the significant RQA variable values, in set-i, a fresh tool and a worn tool are used for cutting. The first part of the set-2 experiments uses a stepped shaft in order to create chatter at a known location. And the second part uses a conical section having a uniform taper along the axis for creating chatter to onset at some distance from the smaller end by gradually increasing the depth of cut while keeping the spindle speed and feed rate constant.The study concludes by revealing the dependence of certain RQA variables; percent determinism, percent recurrence and entropy, to tool wear and chatter unambiguously. The performances of the results establish this methodology to be viable for detection of tool wear and chatter in metal cutting operation in a lathe. The key reason is that the dynamics of the system under study have been nonlinear and the recurrence quantification analysis can characterize them adequately.This work establishes that principles and practice of machining can be considerably benefited and advanced from using nonlinear dynamics and chaos theory.

An improved reliability Cuk based solar inverter with sliding mode control

Many photovoltaic inverter designs make use of a buck based switched mode power supply (SMPS) to produce a rectified sinusoidal waveform. This waveform is then unfolded by a low frequency switching structure to produce a fully sinusoidal waveform. The Cuk SMPS could offer advantages over the buck in such applications. Unfortunately the Cuk converter is considered to be difficult to control using classical methods. Correct closed loop design is essential for stable operation of Cuk converters. Due to these stability issues, Cuk converter based designs often require stiff low bandwidth control loops. In order to achieve this stable closed loop performance, traditional designs invariably need large, unreliable electrolytic capacitors. In this paper, an inverter with a sliding mode control approach is presented which enables the designer to make use of the Cuk converters advantages, while ameliorating control difficulties. This control method allows the selection of passive components based predominantly on ripple and reliability specifications while requiring only one state reference signal. This allows much smaller, more reliable non-electrolytic capacitors to be used. A prototype inverter has been constructed and results obtained which demonstrate the design flexibility of the Cuk topology when coupled with sliding mode control.

Detecting Plants on Railway Embankments

This paper investigates problems concerning vegetation along railways and proposes automatic means of detecting ground vegetation. Digital images of railway embankments have been acquired and used for the purpose. The current work mainly proposes two algorithms to be able to achieve automation. Initially a vegetation detection algorithm has been investigated for the purpose of detecting vegetation. Further a rail detection algorithm that is capable of identifying the rails and eventually the valid sampling area has been investigated. Results achieved in the current work report satisfactory (qualitative) detection rates.

Speed estimation for induction motor using neural networks method

This work presents an alternative approach based on neural network method in order to estimate speed of induction motors, using the measurement of primary variables such as voltage and current. Induction motors are very common in many sectors of the industry and assume an important role in the national energy policy. The nowadays methodologies, which are used in diagnosis, condition monitoring and dimensioning of these motors, are based on measure of the speed variable. However, the direct measure of this variable compromises the system control and starting circuit of an electric machinery, reducing its robustness and increasing the implementation costs. Simulation results and experimental data are presented to validate the proposed approach. © 2003-2012 IEEE.

Implementação de técnicas de processamento de sinais para o monitoramento da condição de mancais de rolamento

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Fault detection in rotating machines by vibration signal processing techniques

Machines with moving parts give rise to vibrations and consequently noise. The setting up and the status of each machine yield to a peculiar vibration signature. Therefore, a change in the vibration signature, due to a change in the machine state, can be used to detect incipient defects before they become critical. This is the goal of condition monitoring, in which the informations obtained from a machine signature are used in order to detect faults at an early stage. There are a large number of signal processing techniques that can be used in order to extract interesting information from a measured vibration signal. This study seeks to detect rotating machine defects using a range of techniques including synchronous time averaging, Hilbert transform-based demodulation, continuous wavelet transform, Wigner-Ville distribution and spectral correlation density function. The detection and the diagnostic capability of these techniques are discussed and compared on the basis of experimental results concerning gear tooth faults, i.e. fatigue crack at the tooth root and tooth spalls of different sizes, as well as assembly faults in diesel engine. Moreover, the sensitivity to fault severity is assessed by the application of these signal processing techniques to gear tooth faults of different sizes.

Entwicklung textiler Maschinenelemente für den Einsatz in Windkraftanlagen und Seilwinden

Es sollen hochfeste, gewichtreduzierte Zug- und Tragmittel aus hochmodularen (HM) und hochfesten (HT) Fasern validiert und dabei sowohl runde als auch flache, riemenartige Strukturen untersucht werden. Dadurch sind effizientere Fördersysteme und die Überwindung technischer Grenzen möglich. Darüber hinaus soll das Hauptkriterium für ein breites Anwendungsspektrum geschaffen werden: ein anerkanntes, zerstörungsfreies Prüfverfahren, mit dem der Austausch- bzw. Wartungszeitpunkt des textilen Tragmittels bestimmt werden kann. Können die o. g. Punkte erfolgreich bearbeitet werden, erfolgt eine Ausdehnung der textilen Strukturen in den Bereich kraftübertragender Maschinenelemente. Anhand von Feldversuchen in fördertechnischen Anlagen im Bergbau/ Intralogistik soll erstmals der vollständige Nachweis geführt werden, dass derartige textile Strukturen in technischen Anwendungen eingesetzt werden können. Der Nachweis umfasst die Validierung einer Vielzahl von Einzelschwerpunkten wie die Entwicklung einer Endlos-Herstellungstechnologie bzw. Endverbindung, die Tragmitteldimensionierung, die Erbringung von Festigkeitsnachweisen, die Erarbeitung von Vorschriften und die Erprobung der Verfahren zur Zustandsüberwachung.

Evaluación de la profundidad de la fisuración superficial descendente en pavimentos asfálticos mediante técnicas de ultrasonidos. Validación teórico-práctica y modelos

La fisuración iniciada en la superficie de los pavimentos asfálticos constituye uno de los más frecuentes e importantes modos de deterioro que tienen lugar en los firmes bituminosos, como han demostrado los estudios teóricos y experimentales llevados a cabo en la última década. Sin embargo, este mecanismo de fallo no ha sido considerado por los métodos tradicionales de diseño de estos firmes. El concepto de firmes de larga duración se fundamenta en un adecuado seguimiento del proceso de avance en profundidad de estos deterioros y la intervención en el momento más apropiado para conseguir mantenerlos confinados como fisuras de profundidad parcial en la capa superficial más fácilmente accesible y reparable, de manera que pueda prolongarse la durabilidad y funcionalidad del firme y reducir los costes generalizados de su ciclo de vida. Por lo tanto, para la selección de la estrategia óptima de conservación de los firmes resulta esencial disponer de metodologías que posibiliten la identificación precisa in situ de la fisuración descendente, su seguimiento y control, y que además permitan una determinación fiable y con alto rendimiento de su profundidad y extensión. En esta Tesis Doctoral se presentan los resultados obtenidos mediante la investigación sistemática de laboratorio e in situ llevada a cabo para la obtención de datos sobre fisuración descendente en firmes asfálticos y para el estudio de procedimientos de evaluación de la profundidad de este tipo de fisuras empleando técnicas de ultrasonidos. Dichos resultados han permitido comprobar que la metodología no destructiva propuesta, de rápida ejecución, bajo coste y sencilla implementación (principalmente empleada hasta el momento en estructuras metálicas y de hormigón, debido a las dificultades que introduce la naturaleza viscoelástica de los materiales bituminosos) puede ser aplicada con suficiente fiabilidad y repetibilidad sobre firmes asfálticos. Las medidas resultan asimismo independientes del espesor total del firme. Además, permite resolver algunos de los inconvenientes frecuentes que presentan otros métodos de diagnóstico de las fisuras de pavimentos, tales como la extracción de testigos (sistema destructivo, de alto coste y prolongados tiempos de interrupción del tráfico) o algunas otras técnicas no destructivas como las basadas en medidas de deflexiones o el georradar, las cuales no resultan suficientemente precisas para la investigación de fisuras superficiales. Para ello se han realizado varias campañas de ensayos sobre probetas de laboratorio en las que se han estudiado diferentes condiciones empíricas como, por ejemplo, distintos tipos de mezclas bituminosas en caliente (AC, SMA y PA), espesores de firme y adherencias entre capas, temperaturas, texturas superficiales, materiales de relleno y agua en el interior de las grietas, posición de los sensores y un amplio rango de posibles profundidades de fisura. Los métodos empleados se basan en la realización de varias medidas de velocidad o de tiempo de transmisión del pulso ultrasónico sobre una única cara o superficie accesible del material, de manera que resulte posible obtener un coeficiente de transmisión de la señal (mediciones relativas o autocompensadas). Las mediciones se han realizado a bajas frecuencias de excitación mediante dos equipos de ultrasonidos diferentes dotados, en un caso, de transductores de contacto puntual seco (DPC) y siendo en el otro instrumento de contacto plano a través de un material especialmente seleccionado para el acoplamiento (CPC). Ello ha permitido superar algunos de los tradicionales inconvenientes que presenta el uso de los transductores convencionales y no precisar preparación previa de las superficies. La técnica de autocalibración empleada elimina los errores sistemáticos y la necesidad de una calibración local previa, demostrando el potencial de esta tecnología. Los resultados experimentales han sido comparados con modelos teóricos simplificados que simulan la propagación de las ondas ultrasónicas en estos materiales bituminosos fisurados, los cuales han sido deducidos previamente mediante un planteamiento analítico y han permitido la correcta interpretación de dichos datos empíricos. Posteriormente, estos modelos se han calibrado mediante los resultados de laboratorio, proporcionándose sus expresiones matemáticas generalizadas y gráficas para su uso rutinario en las aplicaciones prácticas. Mediante los ensayos con ultrasonidos efectuados en campañas llevadas a cabo in situ, acompañados de la extracción de testigos del firme, se han podido evaluar los modelos propuestos. El máximo error relativo promedio en la estimación de la profundidad de las fisuras al aplicar dichos modelos no ha superado el 13%, con un nivel de confianza del 95%, en el conjunto de todos los ensayos realizados. La comprobación in situ de los modelos ha permitido establecer los criterios y las necesarias recomendaciones para su utilización sobre firmes en servicio. La experiencia obtenida posibilita la integración de esta metodología entre las técnicas de auscultación para la gestión de su conservación. Abstract Surface-initiated cracking of asphalt pavements constitutes one of the most frequent and important types of distress that occur in flexible bituminous pavements, as clearly has been demonstrated in the technical and experimental studies done over the past decade. However, this failure mechanism has not been taken into consideration for traditional methods of flexible pavement design. The concept of long-lasting pavements is based on adequate monitoring of the depth and extent of these deteriorations and on intervention at the most appropriate moment so as to contain them in the surface layer in the form of easily-accessible and repairable partial-depth topdown cracks, thereby prolonging the durability and serviceability of the pavement and reducing the overall cost of its life cycle. Therefore, to select the optimal maintenance strategy for perpetual pavements, it becomes essential to have access to methodologies that enable precise on-site identification, monitoring and control of top-down propagated cracks and that also permit a reliable, high-performance determination of the extent and depth of cracking. This PhD Thesis presents the results of systematic laboratory and in situ research carried out to obtain information about top-down cracking in asphalt pavements and to study methods of depth evaluation of this type of cracking using ultrasonic techniques. These results have demonstrated that the proposed non-destructive methodology –cost-effective, fast and easy-to-implement– (mainly used to date for concrete and metal structures, due to the difficulties caused by the viscoelastic nature of bituminous materials) can be applied with sufficient reliability and repeatability to asphalt pavements. Measurements are also independent of the asphalt thickness. Furthermore, it resolves some of the common inconveniences presented by other methods used to evaluate pavement cracking, such as core extraction (a destructive and expensive procedure that requires prolonged traffic interruptions) and other non-destructive techniques, such as those based on deflection measurements or ground-penetrating radar, which are not sufficiently precise to measure surface cracks. To obtain these results, extensive tests were performed on laboratory specimens. Different empirical conditions were studied, such as various types of hot bituminous mixtures (AC, SMA and PA), differing thicknesses of asphalt and adhesions between layers, varied temperatures, surface textures, filling materials and water within the crack, different sensor positions, as well as an ample range of possible crack depths. The methods employed in the study are based on a series of measurements of ultrasonic pulse velocities or transmission times over a single accessible side or surface of the material that make it possible to obtain a signal transmission coefficient (relative or auto-calibrated readings). Measurements were taken at low frequencies by two short-pulse ultrasonic devices: one equipped with dry point contact transducers (DPC) and the other with flat contact transducers that require a specially-selected coupling material (CPC). In this way, some of the traditional inconveniences presented by the use of conventional transducers were overcome and a prior preparation of the surfaces was not required. The auto-compensating technique eliminated systematic errors and the need for previous local calibration, demonstrating the potential for this technology. The experimental results have been compared with simplified theoretical models that simulate ultrasonic wave propagation in cracked bituminous materials, which had been previously deduced using an analytical approach and have permitted the correct interpretation of the aforementioned empirical results. These models were subsequently calibrated using the laboratory results, providing generalized mathematical expressions and graphics for routine use in practical applications. Through a series of on-site ultrasound test campaigns, accompanied by asphalt core extraction, it was possible to evaluate the proposed models, with differences between predicted crack depths and those measured in situ lower than 13% (with a confidence level of 95%). Thereby, the criteria and the necessary recommendations for their implementation on in-service asphalt pavements have been established. The experience obtained through this study makes it possible to integrate this methodology into the evaluation techniques for pavement management systems.