This dissertation presents an experimental and theoretical study of subsynchronous rotordynamic instability in rotors caused by interference and shrink fit interfaces. The experimental studies show the presence of strong unstable subsynchronous vibrations in two different rotor setups with interference and shrink fit interfaces that were operated above their first critical speeds. The unstable vibrations occur at the first natural frequency of the rotor-bearing system. The instability caused complete wreckage of the test rig in one of the setups showing that these vibrations are potentially dangerous to the safe operation of rotating machines. The two different rotor setups that are studied are a single-disk rotor mounted on a uniform diameter shaft and a two-disk rotor with an aluminum sleeve shrink fitted to it at the outer surface of the two disks. In the single-disk rotor, an adjustable interference arrangement between the disk and the shaft is obtained through a tapered sleeve arrangement, which acts as the interference fit joint. The unstable sub-synchronous vibrations originate from slippage in the shrink fit and the interference fit interfaces that develop friction forces, which act as destabilizing cross-coupled moments when the rotor is operated above its first critical speed. The unique contribution offered through this work is the experimental validation of a physically correct model of internal friction which models the destabilizing mechanism as a system of cross-coupled internal moments at the shrink fit interface. The dissertation describes stability simulations of various test rotor setups using the correct internal moments model. A commercial finite-element based software called XLTRCTM is used to perform rotordynamic simulations for stability studies. The method of stability study is the computation of eigenvalues of the rotor-bearing system. A negative real part of the eigenvalue indicates instability. The simulations include the test rotors that were experimentally observed as stable and unstable with shrink and interference fit interfaces in their assemblies. The dissertation also describes the simulations of various imagined rotor configurations with shrink fit interfaces, and seeks to explain how configurations differ on rotordynamic stability depending upon several rotor-bearing parameters such as geometry and elastic properties, as well as upon the amount of internal friction parameters, which differ from configuration to configuration.

In cold forming operations, tool geometry has a direct influence on the product quality, forming force, load acting on dies and tool life. Finite element method provides a means to analyse these parameters to predict forming defects and die failures. In this study, shrink fitting the components of a bolt forming die is modelled and the finite element results are compared with the analytical solutions and experiments. In order to perform die stress analyses, deformable die models are implemented in the forging simulations. Furthermore, effect of using rigid and deformable dies on the stress distributions in the tools, forming force and product dimensions are examined. Some applications of tool geometry improvements and optimization of prestressing are presented in the case studies. In the second part of the study, the appropriate friction model for the cold forming operation of bolts is investigated. For this purpose, ring compression and forward rod extrusion tests are conducted. Dimensional variations and deformation forces are compared with the finite element simulations performed for different friction models and constants. The results of shrink fit analyses of die prestressing are in good agreement with the elasticity formulations and real applications. In the studied bolt production cases, after improving the die stress distributions by using FE simulations, longer tool lives are achieved. Finally, for more accurate results, Coulomb friction model is determined as an appropiate model for bolt forming analyses.

No description available.

No description available.

Pressverbindungen gehören zu den klassischen Maschinenelementen und werden insbesondere in der Antriebstechnik häufig eingesetzt. Zur sicheren und zugleich wirtschaftlichen Auslegung derartiger Verbindungen unter zyklischen Lasten fehlen generell gültige sowie abgesicherte normative Vorgaben bzw. Richtlinien für den Anwender. Insbesondere ist dies dann zutreffend, wenn Geometrien vorkommen, für welche keine Tabellen- bzw. Erfahrungswerte existieren. In dieser Arbeit werden ausführliche experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit von Pressverbindungen einer Standardgeometrie vorgestellt. Im Fokus der Untersuchungen steht die Dauer-, Zeit- und Betriebsfestigkeit der biege- sowie torsionsbelasteten Verbindung. Auf Basis der erzielten Festigkeiten und Lebensdauerwerte erfolgt die Ableitung normspezifischer Kennwerte für die Praxis. Weiterhin steht die Übertragung der erzielten Ergebnisse auf andere Pressverbindungs-Geometrien, wie beispielsweise die Verbindung mit Wellenabsatz, im Vordergrund. Hierbei wird das Verhalten hinsichtlich der Kerbwirkung im Vergleich zu gekerbten Wellen sowie zu anderen reibdauerbeanspruchten Verbindungen untersucht. Zudem erfolgt eine ausführliche Analyse simulationsspezifischer Einflussgrößen auf die Beanspruchungshöhe der Pressverbindung. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein neues Auslegungskonzept erarbeitet und an Ergebnissen aus der Literatur gespiegelt.

The McTronX research group at the North–West University designs and develops Active Magnetic Bearings (AMBs). The group’s focus shifted to the design and development of AMB supported drive systems. This includes the electromagnetic and mechanical design of the electric machine, AMBs, auxiliary bearings as well as the development of the control system. The research group is currently developing an AMB supported high speed Induction Machine (IM) drive system that will facilitate tests in order to verify the design capability of the group. The research presented in this thesis describes the mechanical design and manufacturing of a high speed IM rotor section. The design includes; selecting the IM rotor topology, material selection, detail stress analysis and selecting appropriate manufacturing and assembly procedures. A comprehensive literature study identifies six main design considerations during the mechanical design of a high speed IM rotor section. These considerations include; magnetic core selection, rotor cage design, shaft design, shaft/magnetic core connection, stress due to operation at elevated temperatures and design for manufacture and assemble (DFMA). A critical overview of the literature leads to some design decisions being made and is used as a starting point for the detail design. The design choices include using a laminated cage rotor with a shrink fit for the shaft/magnetic core connection. Throughout the detail design an iterative process was followed incorporating both electromagnetic and mechanical considerations to deliver a good design solution. The first step of the iterative design process was, roughly calculating the material strengths required for first iteration material selection followed by more detailed interference fit calculations. From the detail stress analysis it became apparent that the stress in the IM rotor section cannot be calculated accurately using analytical methods. Consequently, a systematically verified and validated Finite Element Analysis (FEA) model was used to calculate the interferences required for each component. The detail stress analysis of the assembly also determined the allowable manufacturing dimensional tolerances. From the detail stress analysis it was found that the available lamination and squirrel cage material strengths were inadequate for the design speed specification of 27,000 r/min. The analysis showed that a maximum operating speed of 19,000 r/min can be achieved while complying with the minimum factor of safety (FOS) of 2. Each component was manufactured to the prescribed dimensional tolerances and the IM rotor section was assembled. With the failure of the first assembly process, machine experts were consulted and a revised process was implemented. The revised process entailed manufacturing five small lamination stacks and assembling the stack and squirrel cage afterwards. The end ring/conductive bar connection utilises interference fits due to the fact that the materials could not be welded. The process was successful and the IM rotor section was shrink fitted onto the shaft. However, after final machining of the rotor’s outer diameter (OD), inspections revealed axial displacement of the end rings and a revised FEA was implemented to simulate the effect. The results indicated a minimum FOS 0.6 at very small sections and with further analytical investigation it was shown that the minimum FOS was reduced to only 1.34. Although the calculations indicated the FOS was below the minimum prescribed FOS ? 2, the rotor spin tests were scheduled to continue as planned. The main reasons being that the lowest FOS is at very small areas and is located at non critical structural positions. The fact that the rotor speed was incrementally increased and multiple parameters were monitored, which could detect early signs of failure, further supported the decision. In testing the rotor was successfully spun up to 19,000 r/min and 27 rotor delevitation test were conducted at speeds of up to 10,000 r/min. After continuous testing a secondary rotor inspection was conducted and no visible changes could be detected. The lessons learnt leads to mechanical design and manufacturing recommendations and the research required to realise a 27,000 r/min rotor design. / Thesis (M.Ing. (Mechanical Engineering))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2011.

The McTronX research group at the North–West University designs and develops Active Magnetic Bearings (AMBs). The group’s focus shifted to the design and development of AMB supported drive systems. This includes the electromagnetic and mechanical design of the electric machine, AMBs, auxiliary bearings as well as the development of the control system. The research group is currently developing an AMB supported high speed Induction Machine (IM) drive system that will facilitate tests in order to verify the design capability of the group. The research presented in this thesis describes the mechanical design and manufacturing of a high speed IM rotor section. The design includes; selecting the IM rotor topology, material selection, detail stress analysis and selecting appropriate manufacturing and assembly procedures. A comprehensive literature study identifies six main design considerations during the mechanical design of a high speed IM rotor section. These considerations include; magnetic core selection, rotor cage design, shaft design, shaft/magnetic core connection, stress due to operation at elevated temperatures and design for manufacture and assemble (DFMA). A critical overview of the literature leads to some design decisions being made and is used as a starting point for the detail design. The design choices include using a laminated cage rotor with a shrink fit for the shaft/magnetic core connection. Throughout the detail design an iterative process was followed incorporating both electromagnetic and mechanical considerations to deliver a good design solution. The first step of the iterative design process was, roughly calculating the material strengths required for first iteration material selection followed by more detailed interference fit calculations. From the detail stress analysis it became apparent that the stress in the IM rotor section cannot be calculated accurately using analytical methods. Consequently, a systematically verified and validated Finite Element Analysis (FEA) model was used to calculate the interferences required for each component. The detail stress analysis of the assembly also determined the allowable manufacturing dimensional tolerances. From the detail stress analysis it was found that the available lamination and squirrel cage material strengths were inadequate for the design speed specification of 27,000 r/min. The analysis showed that a maximum operating speed of 19,000 r/min can be achieved while complying with the minimum factor of safety (FOS) of 2. Each component was manufactured to the prescribed dimensional tolerances and the IM rotor section was assembled. With the failure of the first assembly process, machine experts were consulted and a revised process was implemented. The revised process entailed manufacturing five small lamination stacks and assembling the stack and squirrel cage afterwards. The end ring/conductive bar connection utilises interference fits due to the fact that the materials could not be welded. The process was successful and the IM rotor section was shrink fitted onto the shaft. However, after final machining of the rotor’s outer diameter (OD), inspections revealed axial displacement of the end rings and a revised FEA was implemented to simulate the effect. The results indicated a minimum FOS 0.6 at very small sections and with further analytical investigation it was shown that the minimum FOS was reduced to only 1.34. Although the calculations indicated the FOS was below the minimum prescribed FOS ? 2, the rotor spin tests were scheduled to continue as planned. The main reasons being that the lowest FOS is at very small areas and is located at non critical structural positions. The fact that the rotor speed was incrementally increased and multiple parameters were monitored, which could detect early signs of failure, further supported the decision. In testing the rotor was successfully spun up to 19,000 r/min and 27 rotor delevitation test were conducted at speeds of up to 10,000 r/min. After continuous testing a secondary rotor inspection was conducted and no visible changes could be detected. The lessons learnt leads to mechanical design and manufacturing recommendations and the research required to realise a 27,000 r/min rotor design. / Thesis (M.Ing. (Mechanical Engineering))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2011.

Vor allem in gasisolierten Schaltanlagen und Leitungen werden zylindrische Leiter aus Aluminium mit großen Durchmessern für den Energietransport eingesetzt. Um die Leiter mit anderen Bauteilen zu verbinden, werden i. d. R. lösbare Steckverbindungen mit federnden Kontaktelementen genutzt. Es ist zu prüfen, ob die Steckverbindungen in vielen Fällen durch nicht lösbare stromführende Verbindungen ersetzt werden können. Dadurch soll vorrangig die Kosten- aber auch die Energieeffizienz sowie die Zuverlässigkeit der gasisolierten Anlagen erhöht werden. Betriebserfahrungen lagen für diese Verbindungen bisher nicht vor. Deshalb ist zuerst sicherzustellen, dass diese, über die Lebenszeit der Anlagen von mehreren Jahrzehnten Dauerströme im Kiloampere-Bereich langzeitstabil führen können. Um nicht lösbare stromführende Verbindungen mit zylindrischen Leitern aus Aluminium herzustellen, können verschiedene Fügetechnologien eingesetzt werden. Im Rahmen der Arbeit werden das Längs- und Querpressen sowie das elektromagnetische Umformen zum Herstellen nicht lösbarer Verbindungen betrachtet. Das elektrische Kontakt- und Langzeitverhalten, der mit diesen Fügetechnologien hergestellten Verbindungen, wurde bisher nur unzureichend untersucht. Es wurde daher das elektrische Kontaktverhalten der zylindrischen Verbindungen abhängig von verschiedenen Fügeparametern experimentell ermittelt. Aus den Ergebnissen wurden Empfehlungen zur Vorbehandlung und zum Fügevorgang beim Längs- und Querpressen sowie zur Form der Innenteile beim elektromagnetischen Umformen erarbeitet. Mit mechanischen Modellen auf Basis der Finite-Elemente-Methode wurde der Fügevorgang beim Längs- und Querpressen nachgebildet. Ein Zusammenhang zwischen dem Kraftschluss in den Verbindungen und dem ermittelten Kontaktverhalten der Verbindungen konnte damit hergestellt werden. Um das elektrische Langzeitverhalten der Verbindungen zu bewerten, wurden diese bei thermischer und elektrisch-thermischer Belastung unter normaler Atmosphäre für eine Zeit von mindestens 20.000 h untersucht. Dabei zeigten die Verbindungen mit unbeschichteten Kontaktpartnern, im Gegensatz zu Verbindungen mit einem silberbeschichteten und einem unbeschichteten Kontaktpartner, ein sehr stabiles Langzeitverhalten. Die sehr große scheinbare Kontaktfläche und die relativ geringe mittlere mechanische Spannung sind für die untersuchten zylindrischen Verbindungen charakteristisch. Mit dem Kontaktwiderstandsbelag wurde ein elektrisches Vergleichs- und Bewertungskriterium für kraftschlüssige Flächenkontakte eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass das Kontaktverhalten quergepresster Verbindungen mit dem von Stromschienen mit deutlich kleinerer Kontaktfläche bei homogener Verteilung der Kontaktkraft vergleichbar und somit skalierbar ist.:1 Einleitung 2 Theorie zum stromführenden Verbinden von zylindrischen Leitern 2.1 Lösbares Verbinden 2.2 Nicht lösbares Verbinden 2.3 Kontakt- und Langzeitverhalten 3 Fügetechnologien für zylindrische Leiter 3.1 Pressen 3.1.1 Längspressen 3.1.2 Querpressen 3.1.3 Auslegen von längs- und quergepressten Verbindungen nach DIN 7190-1 3.2 Elektromagnetisches Umformen 4 Aufgabenstellung 5 Elektrisches Kontaktverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Messen der Kontakt- und Verbindungswiderstände 5.1.2 Genauigkeit der Widerstandsmessung mit dem Mikroohmmeter 5.2 Fügen der Verbindungen 5.2.1 Längspressen 5.2.2 Querpressen 5.2.3 Elektromagnetisches Umformen 5.3 Experimentelle Untersuchungen 5.3.1 Einfluss der Vorbehandlung beim Längs- und Querpressen auf den Widerstand 5.3.2 Anfangswert des Widerstands nach dem Fügen 5.3.3 Charakterisieren der Eigenschaften der Kontaktflächen 5.4 Berechnen des Fügevorgangs von längs- und quergepressten Verbindungen 5.4.1 FE-Modell der Fügeprozesse 5.4.2 Materialmodell und Materialverhalten der eingesetzten Leiterwerkstoffe 5.4.3 Qualitatives Verifizieren der FEM-Berechnungen 5.4.4 Kontaktkraft und mechanische Spannung in der Kontaktfläche 5.5 Metallographische Untersuchungen 6 Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 6.1 Versuche im Wärmeschrank 6.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.1.2 Versuchsergebnisse 6.2 Versuche bei Belastung mit Wechselstrom 6.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.2.2 Versuchsergebnisse 6.3 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Kontakt- und Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 7 Verbindungen mit zylindrischen Leitern im Vergleich zu anderen Flächenkontakten 7.1 Bestimmen eines Bewertungs- und Vergleichskriteriums 7.2 Einfluss der erhöhten mechanischen Spannungen im Randbereich auf das elektrische Kontaktverhalten zylindrischer Verbindungen 7.3 Versuche bei flächiger Krafteinwirkung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang / Especially in Gas Insulated Switchgears and Gas Insulated Lines (GIS/GIL), cylindrical aluminum conductors with huge diameters are used for transportation of energy. To connect the conductors with other parts of the system, separable connections with contact elements are the common and most used solution. In many cases, the separable connections can be replaced with permanent connections in order to reduce costs as well as operating power losses and to increase the reliability. Until now, there had been no data of operating experience for these connections. Therefore a stable long-term behavior of the connections during the projected lifetime of the assets needs to be ensured. Different joining technologies can be used to set up these permanent electrical connections with cylindrical aluminum conductors. This work focuses on the press- and shrink-fit technology as well as the electromagnetic forming. Until now the electrical contact- and long-term behavior of connections joined through these technologies had not yet been sufficiently investigated. Therefore, the electrical contact behavior of the cylindrical connections was determined experimentally regarding different joining parameters. From these results, recommendations for the pretreatment and the joining processes when using press- and shrink-fit technologies as well as suggestions regarding the shape of the inserts when using electromagnetic forming were derived. Mechanical models based on the finite element method were used to calculate the joining processes of the press- and shrink-fit technologies. Through these models, a relation between the contact force and the contact behavior of the connections could be established. To evaluate the electrical long-term behavior, the connections were investigated under thermal- and electrical-thermal load for a minimum of 20,000 h within normal atmosphere. As a result, the connections with uncoated contact partners showed very stable long-term behavior compared to those connections with one silver-plated and one uncoated contact partner. Typical for the investigated cylindrical connections are the very large apparent contact area and the comparatively low average mechanical stress. The resistance of contact layer was established as an electrical criteria to compare and evaluate force closure based connections. It could be shown that the contact behavior of shrink-fit connections is comparable to that of joints with busbars, loaded with a homogenous distributed contact force, which have much smaller contact areas. The contact behavior is therefore scalable.:1 Einleitung 2 Theorie zum stromführenden Verbinden von zylindrischen Leitern 2.1 Lösbares Verbinden 2.2 Nicht lösbares Verbinden 2.3 Kontakt- und Langzeitverhalten 3 Fügetechnologien für zylindrische Leiter 3.1 Pressen 3.1.1 Längspressen 3.1.2 Querpressen 3.1.3 Auslegen von längs- und quergepressten Verbindungen nach DIN 7190-1 3.2 Elektromagnetisches Umformen 4 Aufgabenstellung 5 Elektrisches Kontaktverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Messen der Kontakt- und Verbindungswiderstände 5.1.2 Genauigkeit der Widerstandsmessung mit dem Mikroohmmeter 5.2 Fügen der Verbindungen 5.2.1 Längspressen 5.2.2 Querpressen 5.2.3 Elektromagnetisches Umformen 5.3 Experimentelle Untersuchungen 5.3.1 Einfluss der Vorbehandlung beim Längs- und Querpressen auf den Widerstand 5.3.2 Anfangswert des Widerstands nach dem Fügen 5.3.3 Charakterisieren der Eigenschaften der Kontaktflächen 5.4 Berechnen des Fügevorgangs von längs- und quergepressten Verbindungen 5.4.1 FE-Modell der Fügeprozesse 5.4.2 Materialmodell und Materialverhalten der eingesetzten Leiterwerkstoffe 5.4.3 Qualitatives Verifizieren der FEM-Berechnungen 5.4.4 Kontaktkraft und mechanische Spannung in der Kontaktfläche 5.5 Metallographische Untersuchungen 6 Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 6.1 Versuche im Wärmeschrank 6.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.1.2 Versuchsergebnisse 6.2 Versuche bei Belastung mit Wechselstrom 6.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.2.2 Versuchsergebnisse 6.3 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Kontakt- und Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 7 Verbindungen mit zylindrischen Leitern im Vergleich zu anderen Flächenkontakten 7.1 Bestimmen eines Bewertungs- und Vergleichskriteriums 7.2 Einfluss der erhöhten mechanischen Spannungen im Randbereich auf das elektrische Kontaktverhalten zylindrischer Verbindungen 7.3 Versuche bei flächiger Krafteinwirkung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang

Pressverbindungen gehören zu den klassischen Maschinenelementen und werden insbesondere in der Antriebstechnik häufig eingesetzt. Zur sicheren und zugleich wirtschaftlichen Auslegung derartiger Verbindungen unter zyklischen Lasten fehlen generell gültige sowie abgesicherte normative Vorgaben bzw. Richtlinien für den Anwender. Insbesondere ist dies dann zutreffend, wenn Geometrien vorkommen, für welche keine Tabellen- bzw. Erfahrungswerte existieren. In dieser Arbeit werden ausführliche experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit von Pressverbindungen einer Standardgeometrie vorgestellt. Im Fokus der Untersuchungen steht die Dauer-, Zeit- und Betriebsfestigkeit der biege- sowie torsionsbelasteten Verbindung. Auf Basis der erzielten Festigkeiten und Lebensdauerwerte erfolgt die Ableitung normspezifischer Kennwerte für die Praxis. Weiterhin steht die Übertragung der erzielten Ergebnisse auf andere Pressverbindungs-Geometrien, wie beispielsweise die Verbindung mit Wellenabsatz, im Vordergrund. Hierbei wird das Verhalten hinsichtlich der Kerbwirkung im Vergleich zu gekerbten Wellen sowie zu anderen reibdauerbeanspruchten Verbindungen untersucht. Zudem erfolgt eine ausführliche Analyse simulationsspezifischer Einflussgrößen auf die Beanspruchungshöhe der Pressverbindung. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein neues Auslegungskonzept erarbeitet und an Ergebnissen aus der Literatur gespiegelt.