Vibration control of a four-chamber hydraulic cylinder system with a variable volume Helmholtz resonator

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-10-09
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
105
Series
Abstract
Vibrations can cause a multitude of different problems in hydraulic applications. An example occurs in the paper winder, where vibrations can cause quality problems in the paper being cut. The aim of this study was to investigate the possibility to control such vibrations in a four-chamber hydraulic cylinder system with the help of a variable volume Helmholtz resonator. The theoretical natural frequency range for the system without the resonator was derived to be around 19–35 Hz. Thereafter, an experimental set-up was developed, and measurements were done for seven different main cylinder piston positions, at five different load frequencies, and 19 different resonator volumes. It was found that the resonator was able to reduce the vibrational amplitudes by up to almost 69% in the best cases, while the resonator was also able to increase vibration amplitudes by up to roughly 78% in worst cases. Furthermore, the different main cylinder piston position, load frequency, resonator volume combinations significantly affected the pressure pulsation amplitudes, which could be reduced up to almost 99% but also increased by 87% depending on the combination. The natural frequency range of the system was noted to be narrower compared to the theoretical range. The resonator volume seemed to have a more significant effect on the system response compared to the position of the main cylinder piston. Furthermore, the phase difference between the main cylinder- and resonator side pressure pulsations plateaued close to 180-degrees, thus proving the resonator effect. The results suggest that a Helmholtz resonator can significantly reduce or increase vibrations in a hydraulic cylinder system depending upon how it is tuned. Therefore, the results highlight the importance of extensive knowledge about the system before implementing the resonator. However, an optimally tuned resonator can be a powerful tool to remove vibrations in industrial applications.

Värähtelyt voivat aiheuttaa monenlaisia ongelmia hydraulijärjestelmissä. Esimerkiksi paperitehtaan pituusleikkurin leikkaaman paperin laatu saattaa kärsiä värähtelyjen johdosta. Tämän työn tavoite on tarkastella muuttuvatilavuuksisen Helmholtz-resonaattorin kykyä hallita tämänlaisia värähtelyjä nelikammiohydraulisylinterijärjestelmässä. Systeemin laskennallinen ominaistaajuusalue pääteltiin olevan noin 19–35 Hz. Tämän jälkeen kehitettiin ja rakennettiin koepenkki ja mittauksia tehtiin seitsemällä eri pääsylinterin männän asemalla, viidellä eri kuormataajudella ja 19 eri resonaattorin tilavuudella. Tulokset osoittavat, että resonaattorin avulla värinäamplitudeja pystyttiin laskemaan jopa 69 % parhaissa tapauksissa, mutta myös kasvattaa noin 78 % huonoimmissa tapauksissa. Tämän lisäksi eri pääsylinterin männän asema, kuormataajuus, resonaattorin tilavuus kombinaatioilla pystyttiin vaikuttamaan painevärähtelyjen amplitudeihin huomattavasti. Painevärähähtelyjen amplitudeja pystyttiin laskemaan noin 99 %, mutta myös kasvattamaan noin 87 % riippuen kombinaatiosta. Tulokset osoittavat myös, että järjestelmän ominaistaajuusalue on kapeampi verrattuna teoreettiseen alueeseen. Resonaattorin tilavuudella oli suurempi vaikutus järjestelmän vasteeseen kuin pääsylinterin männän asemalla. Tuloksista kävi myös ilmi, että painevärähtelyjen vaihe-ero resonaattorin sekä pääsylinterin välillä tasaantui noin 180-asteeseen, mikä todisti resonaattori-ilmiön. Tulokset osoittavat, että Helmholtz-resonaattorin avulla on mahdollista sekä laskea, että kasvattaa värinäamplitudeja huomattavasti riippuen säädöstä. Tämän vuoksi laajamittainen tieto järjestelmän käyttäytymisestä on oleellista ennen resonaattorin käyttöönottoa. Optimaalisesti säädetty Helmholtz-resonaattori on kuitenkin tehokas laite teollisuussovelluksissa esiintyvän värinän hallitsemiseen.
Description
Supervisor
Kuosmanen, Petri
Thesis advisor
Kajaste, Jyrki
Keywords
Helmholtz resonator, vibration, resonance, four-chamber cylinder, stiffness, vibration control
Other note
Citation