This paper contains various vibration analysis of multi-stage shaft shape such as the bending, torsional and axial vibration. The shaft system is modeled as Timoshenko beam with the transverse shear and rotary inertia effect and the equation of motion is derived by Hamilton's principle with considering clamped-free boundary condition. Then, eigenvalue problem of discrete equation of motion for multi-stage shaft model is solved and got results of the natural frequency through the numerical analysis. Obtained numerical analysis results through Matlab program were compared with those of FEM analysis to verify the results. This study suggests that design of shaft system be consider torsional and axial vibration as well as bending vibration.
A multi-contact tooth meshing model for helical gear pairs considering bearing and shaft deformations is proposed. First, to easily incorporate into the system model, the complicated Harris' bearing force-displacement relationship is simplified applying a linear least square curve fit. Then, effects of shaft and bearing flexibilities on the helical gear meshing behavior are implemented through transformation matrices which contain the helical gear orientation and spatial displacement under loads. Finally, true contact lines between conjugated teeth are approximated applying a modified meshing equation that includes the influence of tooth flank displacement on the tooth contact induced by shaft and bearing displacements. Based on the model, the bearing's force-displacement relation is examined, and the effects of shaft deformation and external load on the multi-contact tooth mesh load distribution are also analyzed. The advantage of this work is, unlike previous works to search true contact lines through time-consuming iterative strategy, to determine true contact lines between conjugated teeth directly with presentation of deformations of bearings and shafts.
Modem reciprocating air compressors have tendency to a multi-stage W-type or V-type cylinder arrangement for the purpose of high outlet pressure, compactness and low vibration and noise. A valid counter weight calculation method using the complex expression is proposed for reducing the inertia forces of the compressor. Counter weight removes only 1st forward whirl component. Counter weight formulations are applied to the six various compressor structures which are (a) 1 cylinder single-throw crank shaft, (b) 2 cylinder single-throw crank shaft (c) 2 cylinder double-throw clank shaft, (d) 3 cylinder single-throw crank shaft, (e) 4 cylinder single-throw crank shaft and (f) 4 cylinder double-throw crank shaft. The improvement of performance is verified through available vibration test.
Turbine-generator torsional response is caused by interaction between electrical transient air-gap torque and mechanical characteristics of turbine-generator shafts. If torsional shaft torque exceeds a certain threshold, the loss of fatigue life may occur and, in the end, it is possible to happen permanent shaft failure. Therefore, it is required to understand the torsional response for reliable operation and protection of turbine-generator shaft system. In this paper, we introduced multi-mass modeling method of turbine-generator shaft system using mechanical-electrical analogy and state-space equation to verify the transient torsional response based on ElectroMagnetic Transient Program (EMTP). These simple realization methods for turbine-generator shaft torsional response could be helpful to understand torsional interaction phenomena and develop the transient torque reduction countermeasures for turbine-generator shaft system.
In this study, numerical analyses were conducted to investigate the load transfer mechanisms and dynamic responses between the vertical shaft and the surrounding soil using a dynamic analysis method and a pseudo-static method (called response displacement method, RDM). Numerical solutions were verified against data from the literature. A series of parametric studies was performed with three different transient motions and various surrounding soils. The results showed that the soil stratigraphy and excitation motions significantly influenced the dynamic behavior of the vertical shaft. Maximum values of the shear force and bending moment occurred near an interface between the soil layers. In addition, deformations and load distributions of the vertical shaft were highly influenced by the amplified seismic waves on the vertical shaft constructed in multi-layered soils. Throughout the comparison results between the dynamic analysis method and the RDM, the results from the dynamic analyses showed good agreement with those from the RDM calculated by a double-cosine method.
This paper presents an efficient dynamic modeling method for multi-stepped rotor system using effective spring elements to take into account the structural weakening effect due to the steps. This paper demonstrates that the Timoshenko shaft model give rise to a significant error in the case of multi-stepped rotors. An effective bending spring model is introduced to represent the structural weakening effect in the presence of steps. The proposed modeling method is validated through a series of simulations and experiments. Finally, a spindle is dealt with as an analysis example.
An immune system has powerful abilities such as memory, recognition and learning how to respond to invading antigens, and has been applied to many engineering algorithms in recent year. In this pap er, the combined optimization algorithm (Immune- Genetic Algorithm: IGA) is proposed for multi-optimization problems by introducing the capability of the immune system that controls the proliferation of clones to the genetic algorithm. The optimizing ability of the proposed combined algorithm is identified by comparing the result of optimization with simple genetic algorithm for two dimensional multi-peak function which have many local optimums. Also the new combined algorithm is applied to minimize the total weight of the shaft and the transmitted forces at the bearings. The inner diameter oil the shaft and the bearing stiffness are chosen as the design variables. The dynamic characteristics are determined by applying the generalized FEM. The results show that the combined algorithm and reduce both the weight of the shaft and the transmitted forces at the bearing with dynamic conatriants.
The mathematical modeling on the free vibration and stability of a multi-stepped shaft of turbo compressor is performed in this study. The multi-stepped shaft is modeled as a non-uniform Timoshenko beam supported by anisotropic bearings. It is assumed that the shaft is spinning with constant speed about its longitudinal axis and subjected to a conservative axial force induced by front and rear impellers attached to the shaft. The structural model incorporates non-classical features such as transverse shear and rotary inertia. A structural coupling between vertical and lateral motions is induced by Coriolis acceleration terms. The governing equations are derived via Hamilton's variational principle and the equations are transformed to the standard form of an eigenvalue problem. The implications of combined gyroscopic effect, conservative axial force, bearing stiffness and damping are revealed and a number of pertinent conclusions are outlined. In this study analytical results are compared with those from ANSYS finite element analysis and experimental modal testing.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제7권1호
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pp.49-63
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1983
Coupled transverse shaft vibrations have become the target of great concern in high powered ships such as container ships. Due to increasing ship's dimensions and high propulsive power, resonance frequencies of the propeller shaft system tend to decrease and can appear in some cases within the operating speed range of engine. In this connection, the coupled free transverse vibrations of shaft system in two planes are theoretically investigated. This shaft system carries a number of discs and is flexibly supported by a number of bearing stiffness are considered for the calculation. Transfer matrix method is applied to calculate the shaft responses in both planes. A digital computer program is developed to calculate the shaft responses of the coupled transverse vibrations in two planes. An experimental model shaft system is made. It is composed of a disc, shafts, ball bearings thrust bearings and flexible bearing supports. The shaft system is excited by an electrical magnet, and shaft vibration responses in two planes are measured with the strain gage system. From these measurements, the natural frequencies of the shaft system in both planes are found out. The developed program is also used to calculate the shaft vibration responses of experimental model shaft system. From the results of these calculations, the natural frequencies of shaft system in two planes are derived. Theoretical predictions of model shaft natural frequencies show good agreements with its esperimental measurements.
In order to minimize straightness error of deflected shaft, a geometric adaptive straightness controller system is studied. A multi-step straightening and a three-point bending process have been developed for the geometric adaptive straightness controller. Load-deflection relationship, on-line identification of variations of material properties, on-line springback prediction, and real-time hydraulic control methodology are studied for the three-point bending process. By deflection pattern analysis and fuzzy self-learning method in the multi-step straightening process, a straightening point and direction, desired permanent deflection and supporting condition are determined. An automatic straightening machine has been fabricated for rack bars by using the developed ideas. Validity of the proposed system is verified through experiments.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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