Vibration analysis of the press section of a paper machine

Abstract

The aim of this thesis was to determine whether it is possible to calculate the damping of structure and how to increase damping easily. Main focus was on damping vibrations with low frequencies. The best methods found were frictional damping and material damping by adding rubber.

Literature and articles were studied to find different damping mechanisms useful in this work and the methods that are used to calculate these damping methods. On frictional damping the literature study was focused on what factors affect frictional damping and on good ways to increase it. On the study of material damping the main issues were factors that affect rubber damping and how the placement of rubber material acts on its effectiveness of damping. Some of the studied calculations of damping methods were analytical and some were based on Finite Element Method. Some methods were applicable to use in FEM -software Abaqus.

Two test devices were made. Their combined eigenfrequency was close to those harmful frequencies of a paper machine press section. In the tests vibration was induced by a impact hammer. The tests were varied by adjusting the bolt preload and changing the number of bolts used to clamp structure. A FEM model was created with the same dimensions as the test pieces. This was then used in order to recreate results that the tests gave. Dynamic model was used.

Results of the measurements are presented as figures which have the damping as a function of the amplitude of the vibration. Damping was calculated for each vibration. Results of FEM modelling are as pictures of displacement, different stress distributions and figures that have the damping calculated from displacement pictures. Fourier transformation was used to find out the vibration frequencies and their powers.

The results from measured tests and FE model are almost the same. The used coefficient of friction could have been different but no reliable true value was available. In this thesis and in literature it has been found that FEM calculations are able to produce reliable results from damping. FE -calculations take long to complete but the gain from calculations is significant.

Työn tavoitteena oli selvittää onko mahdollista laskennallisesti arvioida värähtelevän rakenteen vaimennusta ja kuinka vaimennusta saataisiin lisättyä herkästi värähteleviin rakenteisiin paperikoneen puristinosalla. Työn haastavuutta lisää se, että puristinosa on hyvin kompakti eikä mahdollisuuksia rakenteiden muuttamiseen ole paljon. Vaimennusta voidaan lisätä rakenteisiin useilla tavoilla. Työssä keskityttiin alhaisilla värähtely taajuuksilla hyvin vaimentaviin menetelmiin, joita ovat kitkavaimennus ja materiaalivaimennus käyttämällä kumia vaimentavana materiaalina.

Työssä tutkittiin kirjallisuudesta ja artikkeleista löytyviä vaimennusmenetelmiä ja näiden laskentaan käytettyjä työkaluja. Vaimennusmenetelmistä tutkittiin lähemmin kitkavaimennukseen vaikuttavia tekijöitä ja vaimennuksen kasvattamiseen hyväksi havaittuja tapoja. Materiaalivaimennuksen tutkinnassa keskityttiin vaimennukseen vaikuttavien ominaisuuksien käyttäytymiseen eri tilanteissa ja vaimentavan materiaalin sijoitteluun rakenteessa. Tutkituista laskentamenetelmistä osa perustui analyyttiseen laskentaan ja osa oli soveltuvia elementtimenetelmälaskentaan ja niitä oli mahdollista käyttää tässä työssä käytettävissä olevalla ohjelmalla, Abaquksella.

Työssä tehtiin koekappaleet, joiden ominaistaajuus oli lähellä puristinosan tavallisia häiriötaajuuksia, ja niille suoritettiin iskukokeita. Kokeita tehtiin useilla konfiguraatioilla kitkavaimennuksella ja kumia lisäten kontaktipintojen väliin. Mittauksissa varioitiin pulttien esikireyttä ja määrää. Samaisista koekappaleista tehtiin laskentamalli, jonka avulla pyrittiin toistamaan mittauksissa saadut tulokset. Laskenta tehtiin dynaamisella mallilla Abaquksella.

Työn tulokset esitetään kuvaajina, joissa on laskettu vaimennukset jokaisessa tapauksessa peräkkäisten heilahdusten välille. Abaquksella saadut tulokset ovat siirtymäkuvaajat, rakenteen jännitysjakaumien kuvaajat ja lasketut vaimennukset kuvaajassa. Mittaustulosten tarkemmassa analyysissä tutkittiin Fourier muunnoksen avulla heränneet värähtelytaajuudet ja niiden vaikuttavuudet.

Mitatut ja laskennassa saadut tulokset olivat hyvin samansuuntaiset. Laskentaan arvioitu kitkakerroin olisi voinut olla hieman erisuuruinen, mutta tarkkaa arvoa ei ollut saatavilla. Sekä tässä työssä että kirjallisuudessa on havaittu että FEM-laskennalla on mahdollista tuottaa tarkkoja kuvauksia vaimennuksesta. Laskenta vaatii paljon aikaa mutta sillä saavutettava hyöty on huomattava.