Vibration mitigation methods for industrial machinery

Abstract

Mechanical vibrations are an everyday challenge for industrial machinery, leading to machine wear, excessive noise and unplanned maintenance. Current megatrends drive the designs towards lighter machines that operate over a wider speed range for increased energy and material efficiency. These trends create challenges that are not solvable with traditional vibration mitigation methods. The industrial environment presents an additional set of challenges that limits the applicability of many advanced vibration mitigation solutions. This dissertation presents robust methods and analysis tools for efficient design of machinery.

Wire rope isolators have attracted research attention due to their excellent vibration isolation performance combined with mechanical robustness. Highly nonlinear behavior has limited their application due to the complex modeling methods presented in literature. The first publication presents an amplitude-based linearization scheme and experimental identification method for the wire rope isolators. The identified model was shown to accurately capture the nonlinear behavior and provided good agreement with base excitation experiments.

The second publication focused on a nonlinear tuned mass damper based on the wire rope isolators, which has not been previously studied in literature. The behavior was studied using the simulation model presented in the first article using two different cases. While the overall performance of the wire rope tuned mass damper was not on the same level as a well-tuned linear tuned mass damper, it was shown to be less susceptible to mistuning.

Many researchers have proposed different methods for semi-active vibration control using stiffness adjustment methods. Most of them have neglected the design of control algorithms for such devices and focused only on simple systems. The third publication proposed a method combining resonance detuning and avoidance using a stiffness adjustment device that alters the natural frequencies. This was achieved by formulating the vibration problem into a response map and using a path finding algorithm to find the optimal path from one operating speed to another. The proposed control algorithm was verified using full-scale measurements on a 720 kg test rotor exhibiting multiple resonance frequencies in the operational speed range. The control algorithm led to reduced time spent near resonance and overall vibration levels.

Teollisuuden koneiden mekaaniset värähtelyt ovat arkipäiväinen haaste, joka johtaa koneen kulumiseen, liialliseen meluun ja suunnittelemattomaan huoltoon. Nykyiset megatrendit ohjaavat suunnittelua kohti kevyempiä koneita, jotka toimivat laajemmalla nopeusalueella energian ja materiaalin tehokkuuden lisäämiseksi. Nämä trendit luovat haasteita, joita perinteiset värähtelyn vaimentamismenetelmät eivät pysty ratkaisemaan. Teollisuusympäristö tuo mukanaan lisäksi haasteita, jotka rajoittavat monien edistyneiden värähtelyn vähentämismenetelmien soveltuvuutta. Tämä väitöskirja esittelee tehokkaita menetelmiä ja analysointityökaluja koneiden suunnittelun tueksi.

Vaijerieristimet ovat herättäneet tutkimuskiinnostusta erinomaisen värähtelyn eristämiskykynsä ja mekaanisen kestävyytensä ansiosta. Niiden epälineaarinen käyttäytyminen on rajoittanut niiden käyttöä, koska kirjallisuudessa esitetyt mallinnusmenetelmät ovat monimutkaisia. Ensimmäisessä julkaisussa esitellään värähtelyamplitudiin perustuva linearisointimenetelmä ja kokeellinen identifiointimenetelmä vaijerieristimille. Laskennallinen malli kykeni kuvaamaan epälineaarista käytöstä ja tarjosi hyvän vastaavuuden alustaherätekoeasetelmassa.

Toinen julkaisu keskittyi epälineaariseen vaijerieristimiin perustuvaan viritettyyn massavaimentimeen, jollaista ei ole aiemmin tutkittu kirjallisuudessa. Vaimentimen käyttäytymistä tutkittiin ensimmäisessä artikkelissa esitetyn simulaatiomallin avulla, kahdessa eri tapauksessa. Vaikka vaijeriviritetyn massavaimentimen kokonaissuorituskyky ei ollut samalla tasolla kuin hyvin viritetyn lineaarisen massavaimentimen, se osoittautui vähemmän alttiiksi viritysvirheelle.

Monet tutkijat ovat ehdottaneet erilaisia menetelmiä puoliaktiivisen värähtelyn hallintaan jäykkyyden säätömenetelmillä. Useimmat ovat jättäneet huomioimatta ohjausalgoritmien suunnittelun tällaisille laitteille ja keskittyneet vain yksinkertaisiin järjestelmiin. Kolmas julkaisu esittää menetelmän, joka yhdistää resonanssin vääristämisen ja välttämisen jäykkyyden säätölaitteella, joka muuttaa ominaistaajuuksia. Tämä saavutettiin esittämällä värähtelyongelma vastekarttana ja käyttämällä polunetsintäalgoritmia optimaalisen polun löytämiseksi yhdestä käyttöpisteestä toiseen. Esitetyn ohjausalgoritmin toiminta todennettiin täysikokoisella 720 kg:n testiroottorilla, jolla oli useita resonanssitaajuuksia käyttöalueellaan. Ohjausalgoritmi johti vähentyneeseen aikaan resonanssin lähellä ja pienempiin kokonaisvärähtelytasoihin.