JultikaUniversity of Oulu repository

Dynamic characteristics of a paper machine roll have been widely investigated for decades. Vibration of the rolls decrease the paper quality and excites the structures of the paper machine. Therefore, vibration must be avoided and kept at its minimum. Vibration of a rotor develops periodic radial bearing forces, which are connected to the amplitude and the frequency of the vibration. Vibration based forces are unnecessary dynamic forces, which increase the bearing load in addition to unavoidable rotor mass and the external loads of the process. This experimental study presents the amplitudes of the dynamic bearing force caused by a vibrating rotor and enables further measurements and research about the correlation between the radial bearing force and e.g. acceleration data. During the research knowledge about the dynamic behavior of the rotor and developed forces can be increased. The improved knowledge leads to a lower bearing force level, which decreases the oversizing of the structures, enables the design of lighter and more cost-effective structures, extends the lifespan of the machine and improves the quality of the end product. The dynamic radial bearing force amplitudes of a paper machine roll are merely available through simulation models, since physical force sensors are not mounted on the paper machines. Typically, the monitoring of a paper machine is focused on the vibrations of the paper machine rolls, since it is more relevant for to the quality of the paper than the amplitudes of force. Vibration troubleshooting and monitoring tasks have typically been realized through the easy-installed accelerometer measurements. The force measurement of the paper machine roll can produce similar information about the behavior of the rotor and its vibrations as acceleration measurement in addition to the radial force amplitudes. However, utilization of force measurements in vibration monitoring was not found based on a literature survey. The radial bearing force measurement was accomplished by building a test rig and a measurement device for an industrial-size paper machine roll. The radial bearing forces were measured as close as possible to the action point of the load to produce reliable results. The results present the force measurement data, which were acquired with the calibrated and verified measurement device implemented during this study. The measured results revealed the forces affecting on both ends of the test roll. The data was analyzed with Fast Fourier Transform (FFT) to present the forces in the frequency domain and to investigate their harmonic components. The measured forces, which were divided into harmonic components, could be discovered and destabilizing excitations could be defined more efficiently. Based on the present study high harmonic components could be distinguished with the force measurement. The results were compared with two reference measurements, which utilize acceleration and position sensors. The results cannot be generalized, since the measuring results consider only the roll of this research. The roll, the bearings, the bearing support and the foundation form the rotating system, which is always individual. Parameters and excitations affecting to the behavior of the roll are different in every roll. However, the similar behavior can be assumed to be on other flexible rotors as well and those can be measured with similar methods as the present study. In further research additional knowledge about the behavior of the roll and correlations between force, position and acceleration can be achieved for both the scientific and practical engineering purposes with the dynamic bearing force measurement and a simultaneous acceleration or position measurement.

Paperikoneen telan värähtelyominaisuuksia on tutkittu laajasti jo vuosikymmeniä. Värähtely heikentää paperin laatua ja aiheuttaa herätettä paperikoneen rakenteisiin. Tästä johtuen värähtely yritetään pitää minimaalisena. Roottorin värähtely aiheuttaa jaksollisia laakerivoimia, jotka ovat yhteydessä värähtelyyn. Värähtelyn aiheuttamat voimat ovat ei-toivottuja dynaamisia voimia, jotka lisäävät laakerivoimia välttämättömän roottorimassan ja muiden prosessista aiheutuvien rasitusten lisäksi. Tämä kokeellinen tutkimus keskittyy värähtelevän roottorin aiheuttamiin dynaamisiin voimiin ja mahdollistaa myöhemmän mittaamisen ja korrelaatioiden tutkimisen laakerivoimien ja esimerkiksi kiihtyvyysmittauksen välillä. Tietoa roottorin dynaamisesta käyttäytymisestä ja syntyvistä voimista voidaan parantaa tällä tutkimuksella. Paperikoneen telan dynaamisten ominaisuuksien parempi tunteminen vähentää rakenteiden ylimitoitusta, mikä mahdollistaa rakenteiden suunnittelun kevyemmäksi ja halvemmaksi, lisää koneen käyttöikää ja parantaa lopputuotteen laatua. Telan värähtelyn aiheuttamia dynaamisia laakerinvoimia on saatavilla vain simuloimalla, mikä tarkoittaa, että fyysisiä voima-antureita ei ole asennettuina paperikoneissa. Yleensä paperikoneen anturointi keskittyy paperikoneen telojen värähtelyyn, sillä se on isompi tekijä paperin laaduntarkkailussa kuin voimamittaus. Värähtelymittaukseen perustuvaa vianetsintää ja prosessivalvontaa on tehty tyypillisesti helposti kiinnitettävillä kiihtyvyysantureilla. Voimamittaus pystyy tuottamaan saman informaation roottorin käyttäytymisestä ja sen värähtelystä kuin kiihtyvyysmittaus laakerivoimien lisäksi. Kuitenkaan, voimamittausta ei käytetä värähtelymittauksiin kirjallisuusselvityksen mukaan. Laakerivoimamittaus suoritetaan rakentamalla koepenkki sekä mittalaite teollisuudessa käytettävälle paperikoneen telalle. Laakerivoimat pyritään mittaamaan mahdollisimman läheltä voimanvaikutuspistettä, että saavutettaisiin mahdollisimman luotettava tulos. Mittatulokset saatiin kalibroidulla ja verifioidulla mittalaitteella, joka oli rakennettu tämän työn aikana. Mittaustulokset paljastivat telan laakereihin syntyvät voimat kummassakin päässä telaa. Tulokset analysoitiin käyttäen nopeaa Fourierin muunnosta (FFT), jotta voimat saatiin taajuustasoon harmonisten komponenttien tutkimiseksi. Mitatut voimat ja niiden amplitudit, jotka olivat esitettyinä harmonisina komponentteina, voitiin löytää ja telan värähtelyä aiheuttavat herätteet voitiin rajata tehokkaammin. Tämän tutkimuksen perusteella voitiin huomata, että korkeat harmoniset taajuudet voitiin havaita voimamittauksella. Tuloksia verrattiin kahteen referenssimittaukseen, jotka oli toteutettu kiihtyvyys- ja paikka-antureilla. Tuloksia ei voitu yleistää, sillä mittaustulokset koskevat vain tämän tutkimuksen telaa. Tela, laakerit, laakerin tuenta ja perusta muodostivat pyörivän systeemin, mikä on aina yksilöllinen. Parametrit ja herätteet, jotka vaikuttavat telan käyttäytymiseen muuttuvat joka telassa. Kuitenkin samanlaista käyttäytymistä voidaan olettaa olevan myös toisissa joustavissa roottoreissa ja ne voidaan mitata samalla tavalla kuin tässä tutkimuksessa. Myöhemmässä tutkimuksessa voidaan saavuttaa lisäarvoa ja korrelaatioita laakerivoiman, siirtymämittauksen ja kiihtyvyysmittauksen välillä tieteellisiin ja käytännön tarkoituksiin dynaamisella laakerivoimamittauksella.