aalto1 untyped-item.component.html
Experimental evaluation of torsional wire rope isolators
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
61
Series
Abstract
Rotating machines are essential for our society. They are used in applications, such as electricity production and propulsion for maritime vessels. Torsional vibrations are a critical concern in these machines. Unlike other forms of vibration, torsional vibrations typically exhibit low damping and can be difficult to detect during operation. Excessive vibrations can cause fatigue failures and degrade performance and efficiency of machines. Passive vibration control methods, such as dampers and isolators, can be used to attenuate torsional vibrations. Isolators have low dynamic stiffness, which reduces transmission of vibrations. Wire rope isolators have been found effective for attenuating translational vibrations. They exhibit nonlinear stiffness and damping properties, which can be beneficial in vibration attenuation. Still, a wire rope-based torsional vibration isolator has not been thoroughly explored in the literature.
In this thesis, an experimental evaluation of torsional wire rope isolator prototypes is performed. In addition, a test bench for evaluating the isolators was designed and built. The test bench consisted of two synchronous motors, two torque transducers, two encoders, and one force transducer. This setup made it possible to replicate various loading conditions, and perform precise measurements at each end of the torsional wire rope isolators. A simulation model was created to verify the behavior of the physical test bench with a rigid connection. Three different isolator prototypes were considered. The isolators were evaluated under various operating speeds, static loads, excitation frequencies and amplitudes. Measurements from the test bench with the rigid coupling were used as a baseline. The torsional vibration isolators were found effective at isolating vibrations above the first natural frequency. In addition, they provided sufficient damping at resonance. Analyses of hysteretic behavior found that the torsional wire rope isolators experience a strong nonlinear softening behavior. Axial loads were induced into the system by the isolators. These were of significant magnitude for larger static loads, but also for small dynamic loads, making this design unsuitable for practical applications. However, the concept demonstrates great potential, provided that future refinements are made.
Roterande maskiner spelar en kritisk roll i dagens samhälle. De används bland annat inom elproduktion och som drivkraft i fartyg. Torsionsvibrationer utgör ett viktigt problem för dessa stora rotorsystem. Till skillnad från andra typer av vibrationer uppvisar torsionsvibrationer ofta låg dämpning och kan vara svåra att upptäcka under drift. Kraftiga vibrationer uppstår vid resonans och kan orsaka trötthetsskador i komponenter samt försämra maskinernas prestanda och effektivitet. Passiva metoder för vibrationskontroll, såsom dämpare och isolatorer, kan användas för att minska på vibrationerna. Isolatorer har låg dynamisk styvhet, vilket minskar vibrationsöverföring. Vajerdämpare har visat sig vara effektiva för att dämpa och isolera axiala vibrationer. De uppvisar icke linjärt styvhets- och dämpningsbeteende, vilket kan vara fördelaktigt inom vibrationsdämpning. En vajer-baserad isolator för torsionsvibrationer har däremot inte undersökts i litteraturen.
I detta arbete utförs en experimentell utvärdering av vajerdämpare prototyper för isolering av torsionsvibrationer. Dessutom planeras och byggs en testbänk för att utvärdera isolatorerna. Testbänken består av två synkronmotorer, två vridmomentgivare, två rotationsgivare och en kraftgivare. Denna uppsättning gör det möjligt att återskapa olika typer av belastningsförhållanden och att genomföra noggranna mätningar vid bägge sida av isolatorn. En simuleringsmodell av testbänken skapades för att verifiera mätningar genomförda med en styv koppling. Tre olika isolatorprototyper, baserade på en nuvarande design inom industrin, konstruerades. Isolatorerna utvärderas under varierande driftshastigheter, statiska belastningar, belastnings frekvenser och amplituder. Mätningar med den styva kopplingen användes som referensmätning. Torsionsvibrationsisolatorerna visade sig vara effektiva för att isolera vibrationer som överskrider den första naturliga frekvensen. Dessutom hade de god dämpningsförmåga vid resonans. Analys av isolatorernas dynamiska egenskaper visade att torsionsvibrationsisolatorerna upplever ett starkt icke-linjärt mjukningsbeteende. Axiella krafter noterades i systemet till följd av isolatorerna. Dessa var av betydande storlek för större statiska laster, men även för mindre dynamiska belastningar. vilket gör denna design olämplig för praktiska applikationer. Konceptet visar dock stor potential, förutsatt att framtida designförbättringar genomförs.
Description
Supervisor
Viitala, RaineThesis advisor
Rytömaa, SamuliMalmi, Olli