Venttiili- ja toimilaitetehtaan tuotannon suunnittelu

Venttiili- ja toimilaitetehtaassa kokoonpannaan erilaisia venttiilityyppejä sekä toimi- laitteita. Koko Metso Automationin Helsingin tehtaiden tuotantotilanteen muuttuessa käynnistettiin kehitysprojekti, jonka tarkoituksena oli uudenaikaistaa venttiilien ja toimilaitteiden valmistus vastaamaan nykypäivän vaatimuksia. Laajamittaisen osa- valmistuksen ulkoistuksen ja tuotteiston muutoksen vuoksi tuotannon uudelleen- järjestäminen oli välttämätöntä. Diplomityön tarkoituksena oli suunnitella venttiili- ja toimilaitetehtaan layout sekä uutta tuotantotilannetta vastaavat toimintatavat. Haasteena oli kolmen hyvin erilailla toimivan tuotetehtaan yhdistäminen yhdeksi kokonaisuudeksi, jossa kunkin tehtaan parhaat toimintatavat yhdistyvät. Nykyinen tuotanto ja valmistusmäärät kartoitettiin ja analysoitiin, minkä jälkeen tuotannon suunnittelu uusiin tiloihin käynnistettiin. Työ jaettiin järjestelmällisesti osiin teorian ja käytännön osuuksien kesken siten, että teoria tukee työn käytännön- osuutta. Apuna käytettiin useita erilaisia materiaalivirtojen kartoitusmenetelmiä, lukuisia mittareita, selvityksiä, ennusteita ja erilaisia malleja tulevasta tuotannosta. Layout suunniteltiin käytössäolevaan tehdashalliin, mikä aiheutti runsaasti haasteita ja rajoitteita. Aikataulu tehtiin tarkasti siten, että muuttojärjestys lyötiin lukkoon, mutta kuormitustilanne ja koneiden siirrot aiheuttivat muutoksia aikataulussa. Tavoite tuotannon häiriöttömyydestä toteutui hyvin aikataulun kustannuksella. Käytännönosuudessa tarkasteltiin erityisesti kapasiteetin joustavuutta kuormituksen vaihdellessa sekä kehitettiin toimintatavat, joilla se hallitaan. Lisäksi tutkimuksen aikana käynnistettiin useita kehitysprojekteja työn tulosten pohjalta. Näitä olivat erilaiset varaston hallintaan sekä solujen itseohjautuvuuteen liittyvät asiat. Diplomityön tuloksena saatiin uusi layout sekä sitä tukeva uusi toimintatapa, solujen itseohjautuvuuden kehittäminen käynnistettiin, varastojen hallinnan osittainen ulkoistaminen aloitettiin. Lisäksi tuotannolle kehitettiin lukuisia seurantamittareita. Layoutprojekti toteutettiin loppuun diplomityön aikana

Polttomoottorin sähkömekaaninen venttiilinohjaus

Työssä tarkastellaanpolttomoottorin venttiilitoimilaitteen toteuttamista sähkömekaanisesti. Tähän mennessä kehitetyt ratkaisut ja rakennetut prototyypit soveltuvat pääosin henkilöautojen vapaasti hengittävien ottomoottoreiden venttiilien ohjaukseen. Venttiilien sähkömekaanisen ohjauksen soveltuvuutta suuriin polttomoottoreihin kuten esimerkiksi voimalaitosdieseleihin on myös tarkasteltu, mutta ongelmaksi muodostuu riittävän suuren magneettisen voiman kehittäminen magneettivuon reitillä esiintyvän suuren ilmavälin takia. Työssä esitetään valmiita ja kehitteillä olevia ratkaisuja polttomoottorin venttiilien ohjaukseen sähkömekaanisesti. Lisäksi käsitellään parannusmahdollisuuksia jo valmiisiin ratkaisuihin ja käydään läpi sähkömekaanisen venttiilinohjauksen ongelmakohtia. Suomeksi ei ole kovin paljon julkaistua materiaalia polttomoottorin venttiilien sähkömekaanisesta ohjauksesta, joten työ tukeutuu pääosin Internetissä julkaistuihin artikkeleihin sekä sähköpostin välityksellä käytyihin keskusteluihin niiden tahojen kanssa, jotka tutkivat ja kehittävät polttomoottorinsähkömekaanista venttiilien ohjausta. Venttiilien sähkömekaanisen ohjauksen tutkiminen tällä hetkellä jakautuu pääpainotteisesti sähkömagneettisen osuuden ja säätöteknisen osuuden tutkimiseen ja kehittämiseen. Työssä ei mennä näiden aihepiirien syvälliseen analysointiin vaan esitetään tämän hetkisentutkimuksen painopisteet ja lähdeviitteet aihepiiriä syventäviin julkaisuihin.

Venttiilien kunnossapidon optimointi

Tässä työssä tarkastellaan venttiilien kunnossapitoa ja erityisesti niiden kunnonvalvontaa. Työssä on kerrottu perusteita venttiileiden kunnonvalvonnan suorittamiseksi, venttiili- ja toimilaitevikojen perussyistä ja niiden havaitsemisesta. Työn pääpaino on kuitenkin kunnonvalvontamenetelmissä ja niiden käytössä. Mittauksia venttiilivuodon havaitsemiseksi suoritettiin akustisen emission, ultraäänen ja lämpötilan pistemittauksen avulla. Venttiilien yleistä kuntoa määritettiin värähtelyn, venymäliuskojen ja laitoksella jo toimivan moottoritoimilaitteen virtamittauksen avulla. Työssä on annettu suuntaviivat tulosten tulkitsemiselle, mutta yksityiskohtainen ja tarkempi tulosten tulkinnan määrittäminen jätetään laitoksen henkilökunnasta sille henkilölle joka mittauksia tulee tekemään tai jonka työnkuvaan muuten kuuluu kyseisten tulosten tulkitseminen.

Digitaaliventtiilillä ohjattu hydraulinen paikoitusakseli

Tässä diplomityössä on tutkittu, miten digitaalinen elektroniikka vaikuttaa hydraulisen paikoitusakselin toimintaan. Tätä varten työn mittauslaitteistossa käytettiin kahta mekaniikaltaan samanlaista Moogin 4/3-suuntaventtiiliä, joista toisen elektroniikka oli analoginen ja toisen digitaalinen. Digitaalielektroniikalla toteutettua venttiiliä käytettiin CANopen-väylässä. Mittauksia varten rakennettu servosylinteri kiinnitettiin testipenkkiin, jossa oikean massakuorman sijasta käytettiin servosylinterin kuormittamiseen kaksipuolisella männänvarrella varustettua hydraulisylinteriä. Kuormittavan sylinterin kammiopaineita säädettiin kahdella paineenalennusventtiilillä ja kahdella sähköisesti esiohjatulla 4/3-suuntaventtiilillä. Käytetty menetelmä on yksinkertainen toteuttaa, mutta se poistaa järjestelmästä oikean massakuorman aiheuttamat värähtelyt sekä hitausvoimat. Asemamittaukset suoritettiin suurin piirtein testattavien venttiileiden nimellisvirtauksella yhteensä yhdeksällä eri paineyhdistelmällä. Samalla mitattiin myös molempien sylintereiden kammiopaineet, sekä yhdessä tapauksessa servosylinteriä käyttävän koneikon painevaihtelut yhden ohjelmakierron aikana. Lisäksi mitattiin vielä kuinka järjestelmä toimi, kun siinä käytettiin suurimpia mahdollisia tilavuusvirtauksia.

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.

Mittakuvatoiminnan asiakaslähtöisyyden kehittäminen

Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää tämän päivän mittakuviin liittyviä asiakastarpeita Metso Automaation Virtauksensäätöratkaisut -liiketoimintalinjassa. Mittakuvat ovat tärkeä osa asiakkaalle tuotteen yhteydessä toimitettavaa dokumenttipakettia, joihin on kohdistettu yhä enemmän vaatimuksia viime vuosien aikana. Tutkimuksen keskeisenä tavoitteena oli ymmärtää 3D-mittakuvien merkitys Metson liiketoiminnassa, tunnistaa tämän päivän mittakuviin liittyvät asiakastarpeet, sekä luoda tunnistettujen asiakastarpeiden pohjalta kehittämissuunnitelma mittakuvatoiminnalle. Työssä toteutettiin teoreettinen kirjallisuusselvitys 3D-mallintamisesta sekä empiirinen tutkimusosuus asiakastarpeiden tunnistamisesta. Venttiiliyhdistelmä -mittakuviin liittyvät asiakastarpeet kerättiin haastatteluiden sekä verkkokyselyn avulla. Työssä haastateltiin Metson asiantuntijoita, Metson asiakkaita sekä CAD-järjestelmien toimittajia. Työn keskeisimpänä tuloksena esitettiin mittakuvatoiminnan kehittämissuunnitelma, jonka perustana oli mittakuviin liittyvä asiakastarvekartoitus, arvio Metson mittakuvatyökaluista sekä tulokset 3D-mittakuvien data- ja järjestelmävaatimuksista. Kehittämissuunnitelmassa kuvattiin, miten mittakuvatoimintaa tulee kehittää kokonaisvaltaisesti lähitulevaisuudessa. Tulokset antavat hyvän perustan laadukkaamman ja asiakaslähtöisemmän toiminnan kehittämiselle.