Stiffness characteristics of hydraulic cylinder system subjected to dynamic loading

Abstract

The purpose of this thesis is to determine the stiffness characteristics of a hydraulic cylinder system subjected to dynamic loads. The hydraulic cylinder system consists of a differential hydraulic cylinder with one-way flow control valves in both pressure lines and the configuration is used as a constant velocity actuator system in a paper machine. The hydraulic cylinder system was built and tested under sinusoidal loads with frequencies ranging from 10 to 30 Hz.

The stiffness characteristics of hydraulic cylinders are highly nonlinear and, in some cases, hard to predict accurately. The stiffnesses of hydraulic cylinders are composed of a multitude of components, and often determining the stiffnesses requires experimental testing. Examining the dynamic response of a hydraulic cylinder system inevitably leads to experimental testing due to the complexity of the system and due to the difficulty of finding details of system parameters.

In rotating machinery, such as paper machines, oscillatory loads occur according to their running speeds. The oscillatory loads often translate to the actuators the machine through structures, which limits the running speeds. Studying the dynamic response of the actuators used in such machines can enable higher running speeds for the machine, or reduce defective products, increasing productivity.

Tämän diplomityön tarkoituksena on määrittää hydraulisylinterijärjestelmän dynaaminen jäykkyys. Hydraulisylinterijärjestelmä koostuu differentiaalisesta hydraulisylinteristä, sekä tämän molempiin painelinjoihin kytketyistä vastusvastaventtiileistä. Sitä käytetään vakionopeuksisena toimilaitteena osana paperikonetta. Järjestelmää kuormitettiin sinimuotoisilla kuormituksilla, joiden taajuudet vaihtelivat välillä 10–30 Hz.

Hydraulisylinterien jäykkyysominaisuudet ovat epälineaarisia, ja joissain tapauksissa, hankala selvittää tarkasti. Hydraulisylinterien jäykkyys muodostuu monista komponenteista, ja usein tarkkaan määrittelyyn vaaditaan kokeellisia testejä. Dynaamisen vasteen selvittämisessä kokeelliset tutkimukset ovat välttämättömiä järjestelmän monimutkaisuuden ja usein myös tarkkojen systeemiparametrien arvojen puuttumisen johdosta.

Jaksollisia kuormia esiintyy pyörivissä koneissa, kuten paperikoneissa, ja ne määräytyvät pitkälti koneen käyntinopeuden mukaan. Jaksolliset kuormat siirtyvät rakenteiden kautta toimilaitteisiin, mikä rajoittaa käyntinopeuksia. Toimilaitteiden dynaamisen vasteen tutkiminen pyörivissä koneissa voi mahdollistaa suuremmat käyttönopeudet koneelle, tai vähentää viallisia lopputuotteita, parantaen tuottavuutta.