שימוש בחומרים חכמים בעיצוב החלפה של שפט עבור עומסים דינמיים

מבוא לחומרים חכמים ועיצוב שיקוף הסתגלות

פירים מכניים הם היסוד להובלת חשמל כמעט בכל מכונה מסתובבת, מטורפות רוח ומנועי מטוסים ועד קווי ייצור רכב ומשאבות תעשייתיות. עיצוב פיר מסורתי מתמקד כוח סטטי וחיי עייפות, אבל הנדסה מודרנית דורשת יכולת הסתגלות תחת עומסים דינמיים - מקודמת לספירק, מהירויות רוטציה משתנות, רכיבה על אופניים תרמיים ומשטרים רטט שיכולים להשתנות על ידי סדרים של חומרים חכמים מציעים נתיב מעבר לתכנון פסיבי, המאפשרים, אשר יכולים לשפר את השינויים באופן פעיל, שינויים קלים, כדי לשפר את החומרים המשתנים, שינויים קלים, או שינוי יעיל של זמן, כדי לשפר את החומרים המשתנים, או שינוי יעיל, כדי לשפר את החומרים המשתנים, כדי לשפר את החומרים המשתנים באופן פעיל, כדי לשפר את החומרים המשתנים, כדי לשפר את החומרים המשתנים, שינויים דרמטי, שינויים קלים, או שינוי יעיל, כלומר, שינויים קלים, שינויים קלים, כלומר, שינויים קלים, שינויים קלים, שינויים קלים, שינויים קלים, שינויים קלים, שינויים קלים, שינויים יעיל, או שינוי יעיל, שינויים קלים, כלומר, שינויים קלים, שינויים קלים, שינויים קלים, כדי לשפר את החומרים של חומרים יצירתיים, שינויים קלים, ותהליכי לחץ יעיל של חומרים גמישים, כדי לשפר את החומרים המשתנים באופן פעיל, כדי לשפר את החומרים המשתנים

יסודות של חומרים חכמים

חומרים חכמים, הנקראים גם חומרים אינטליגנטיים או מגיבים, מציגים שינוי ⁇ באחד או יותר נכסים - כגון צורה, קשיחות, נוקשות, חריפות, או התנגדות חשמלית - כאשר נחשפים לגירוי חיצוני.המריצים יכולים להיות תרמיים, מכניים, חשמל או מגנטיים.

כיתות מפתח של חומרים חכמים עבור יישומים Shaft

כמה סוגים של חומרים חכמים נחקרו עבור עיצוב פיר.הבטיחים ביותר כוללים סגסוגת זיכרון צורה (SMAs), קרמיקה אדזואלקטרית ופולימרים, נוזל מגנטית ואסטומרס, ונוזלים אלקטרורהייולוגיים (ER) כל מחלקה מציעה יכולות ייחודיות ומסחריים.

• (FLT:0)Shape Memory Alloys (SMAs)cioFLT:1 ⁇ מתכת אלה, כגון Nitinol (Nitinol) יכול לשחזר צורה מוגדרת מראש כאשר מחומם מעל טמפרטורה טרנספורמציה (טמפרטורה לסיים גבוהה יותר) בעיצוב פיר, אלמנטים SMA ניתן לטבול כמו חוטים, שרוולים, או שכבות מורכבות כדי לשנות נוקשות או לגרום עיוות מבוקר בתגובה לשינויים בטמפרטורה או פעילות.
• (FLT:0) חומרים מזינים חשמליים (FLT:1 - Piezoelectricקרמיקה (למשל, PZT - להוביל zirconate titanate) ופולימרים (PVDF) לייצר מטען חשמלי למתח מכני החל (אפקט ישיר) ו deform כאשר שדה חשמלי מוחל (אפקט הפוך).
• (FLT:0 Magnetorheological (MR) חומרים מובנים 1) - MR נוזלים ו elastomers מכילים חלקיקים דמויי ferromagnetic בגודל מיקרוn מפוזרים בנוזל המוביל או ממטריקס גומי. בנוכחות שדה מגנטי, חלקיקים מתאימים לשרשרת, להגדיל באופן דרמטי את הלחץ של החומר ואת הדחף מולקולקטי.
• (FLT:0) אלקטרואורהאולוגית (ER) פלואושרטואלים 1) - בדומה לעקרון לנוזלי MR אך מופעלים על ידי שדות חשמליים, נוזלים משתנים מולטי ומתח התשואות.הם פחות נפוצים בעיצוב פיר עקב דרישות מתח גבוהות יותר וכוח הרהר נמוך יותר, אך נשארים נושא למחקר עבור מערכות הסתגלות בעלות כוח נמוכה.

עקרונות עיצוב גניבת שוחד

פיר הסתגלות הוא לא מרכיב מונוליטי אלא מערכת המשלבת אלמנטים חומריים חכמים, חיישנים, אקטוטורים ואלגוריתם שליטה.עיקרון הליבה הוא לזהות תנאי עומס דינמי - תנודות מסובכות, רגעים מתפתלים, תנודות רציונאליים, עקירות מאוחרות יותר - ולהגיב על ידי שינוי הנוקשות של הפיר, לחות או גיאומטריה כדי לשמור על ביצועים אופטימליים.

מדוע טעינות דינמיות דורשות הסתגלות

רוטינג פירים ניסיון מגוון של עומסים דינמיים.באופנוע רכב, מומנט יכול לקפוץ במהלך שינויים הילוכים או אירועים כביש גסים.בפיר רוטטור מסוק, כוחות אווירודינמיקה ליצור במהירות שונה רגעים מתפתלים.במהירויות מהירות גבוהה, מהירויות קריטיות ורטיחות חוזרים מדי עם טמפרטורה וטלטלטל. a קבוע פיר לא יכול להיות אופטימלי עבור כל התנאים - יכול להיות מתאים נמוך מדי (מפסה) כדי להפחית מהירויות גבוהות מדי).

המונחים: shape Memory Alloys in Shafts

סגסוגת זיכרון צורה מציעה מנגנון משכנע במיוחד עבור פירים אדפטיים כי הם יכולים לייצר זנים גדולים להתאושש (עד 8% עבור SMAs) ועומס פעולה גבוה. בעיצוב פיר, SMAs ניתן להשתמש במספר תצורה.

המונחים: different-Stiffness

על ידי הטמעת חוטי SMA או ribbons לאורך ציר הפיר או הלילית, הנוקשות הטוררית הכוללת ניתן לשנות את זה. כאשר SMA הוא בשלב מרטן הטמפרטורות הנמוך שלה, זה רך יחסית ודוכסי; נוקשות זה מעל הטרנספורמציה (למשל, באמצעות חימום התנגדות מזרם) הופך אותו לכדי atenus, אשר יכול להפחית את טווח הבקרה הספציפית של מערכת חימום.

תיקון עצמי ושחיתות

מיסקנות בין פירים מחוברים (למשל, בהפיכה) גורמת לתנודות, ללבוש, ואובדן כוח. SMA Actuators יכול להשתלב בהפיכה גמישה כדי לתקן באופן פעיל חוסר הבנה.כאשר חיישנים לזהות סטייה, אלמנטים SMA מחומם לייצר התקף מבוקר או תנועה צירית, תוך מימוש הפיראטים.

מחקר: SMA- Based Torsional Damper

מחקר שנערך על ידי מדענים מאוניברסיטת מרילנד הראה לחל גולגולת מבוסס SMA עבור מסוקים מנועי.הלחר השתמש קבוצה של חוטים NTi מאומנים מראש עטוף סביב הפיכה פירלינג.תחת פעולה רגילה, החוטים נשארו במרטן, מתן עומסים נמוכים. במהלך מבחנים עתירי לחות גבוהים (למשל, רוטט או להב), החוטים היו מחוממים, מעבר במהירות ל קיבולת מוגברת של 400%.

חומרים Piezoelectric עבור Active Vibration Control ו- Monitoring

חומרים Piezoelectric מאפשרים שני פונקציות חיוניות פירים אדפטיים: רגישה ופעולה. התגובה המהירה שלהם (מיקרו שניות) הופכת אותם אידיאליים עבור שליטה בתדר גבוה.

ההרחבה Active Vibration Damping

⁇ Piezoelectric מתחבר משטח פיר או מוטבעים בשכבות מורכבות לייצר מתח כאשר מתוחים. כי מתח יכול לשמש על ידי מעגל בקרה כדי לנהוג את אותם כתמים (או מעשים נפרדים) כדי ליישם כוח נגדי.זה מה שנקרא FLT:0active לחיבית של LT:1 יכול להפחית את הרטט על ידי 10-20B בלהקות ממוקדות במהירות גבוהה עבור ספין-מדומים, צ'אטים מתוחים, לחץ על פני השטח פעיל.

ניטור בריאותי (SHM)

אותם אלמנטים אדזואלקטריים ניתן להשתמש כחיישנים עבור ניטור בזמן אמת.על ידי מדידה התגובה החשמלית זנים דינמיים, מערכת הבקרה יכולה לזהות סדקים, החלמה, או השפלה. לדוגמה, שינוי בתדירות מודולית או יחס לחות של הפיר מצביע על נזק.תחזוקה מבוססת מצב זה מפחיתה זמן לא מחוספסת ותיקון עלויות.

דוגמה: Piezoelectric Shaft עבור Turbomachinery

צוות ב GE Global Research פיתח פיר טורבו-טיפוס עם חיישנים ⁇ ופועלים משובצים.המערכת הצליחה להפחית את וריאציות של הבהרת קצה הלהב על ידי התאמת קו הפיר בתגובה לצמיחה תרמית וצנטריפוגית, שיפור יעילות המנוע עד 0.5% בתנאי ההפלגה.החיישנים זיהו סדקים בשלבים מוקדמים בפיר, עלולים למנוע כישלונות קטסטרופליים.

גישות מגנטיות ואלקטרוראולוגיות

חומרים MR ו ER מציעים פרדיגמה שונה: הם משנים את התכונות התרולוגיות שלהם (בעיקר מולטי לחץ מניב) כמעט באופן מיידי כאשר נחשפים לשדה. בעיצוב פיר, חומרים אלה בדרך כלל אינם משמשים כמו הפיר עצמו, אלא כגורם פעיל בנשאות, לחים, או תומכים בכך שלשלוט בתגובה הדינמית של הפיר.

מדמים מבוססי MR-Fluid-based Variable Dampers for Shafts

במכונות מסתובבות, לחיצי לסחוט-סרט משמשים בדרך כלל לשליטה ברטט רוטטור. על ידי החלפת השמן הקונבנציונלי עם נוזל MR וליישם שדה מגנטי בעל שליטה, את המקדם לחה של הלח ניתן לכוונו בזמן אמת.זה יעיל במיוחד עבור לעבור דרך מהירויות קריטיות במהלך ההפעלה וסגורה, שבו רטט גבוה יכול לגרום נזקי לחות גבוהים יותר קרוב למהירויות קריטיות וממקסימות במהירות נורמלית של פעילות גופנית.

מר אלסטומר נושך

MR elastomers (MREs) מורכב חלקיקים מגנטיים מפוזרים במריצה גומי מוצק. כאשר שדה מגנטי מוחל, ה- Shear Modulus עולה באופן משמעותי (עד 50% שינוי) ניתן להשתמש MREs כמו כריות מסתבכות או תמיכה אלמנטים. עבור פיר נתמך על ידי שיחים MRE, שינוי השדה המגנטי משנה את התמיכה, שינוי המהירויות הקריטיות של רוטטור מ 15% תדרים בשימוש ב-ידי MRER.

אתגרים ושילוב

בעוד הפוטנציאל של חומרים חכמים ברור, שילוב אותם לתוך מערכת פיר אמין, מוכן ייצור הוא לא טריוויאלי.

כוח ו Wiring

רוב המטעים החומריים החכמים דורשים חשמל (התחממות עבור SMAs, מתח עבור ⁇ electrics, זרם עבור אלקטרומגנטים במערכות MR). חוטי רינג באמצעות פיר רוטינג דורש טבעות חלקות או העברת חשמל אלחוטי, הוספת מורכבות ונקודות כשל פוטנציאלי. עבור פירים מהירים במהירות גבוהה, טבעות חלקלק יכול להציג חיכוך וללבוש. חוקרים הם חוקרים הם חקרומונים אינדוקטיביים וקוצר אנרגיה משורר משורר לחיישנים קטנים ומופעים.

עייפות ויציבות של חומרים חכמים

SMAs רגישים לעייפות סדק לאחר מחזורים תרמיים רבים, במיוחד תחת לחץ גבוה. קרמיקה Piezoelectric יכול לנקב לאורך זמן או סדק תחת לחץ גבוה. MR נוזלים עשויים לעבור משקעים חלקיקים או agglomeration לאחר שימוש ממושך. חומר מדע מתקדם כדי לשפר את חיי העייפות, כגון שימוש ⁇ SMAs או nanostructured adceramics.

מערכת בקרה מורכבת

פיר הסתגלות דורש אלגוריתם בקרה שמעבד נתונים של חיישן (vibration, מומנט, טמפרטורה) וקובע את התגובה המבצעית אופטימלית בזמן אמת.עבור מערכות רוטינג, רוחב הפס של הבקרה חייב להיות גבוה מספיק כדי להתמודד עם העומסים המהירים ביותר משתנה (למשל, הילוכים תדרי כיס בתיבת הילוכים).

יתרונות Over Passive Designs

למרות האתגרים האינטגרציה, פירים אדפטיים מציעים יתרונות מכריעים בהשוואה פירים פסיביים קונבנציונליים.

• (ב) ניתן לכוון את הפיר לכל תנאי הפעלה, להפחית את הלחץ העליון ולהימנע מחזר.
• (FLT:0) אספקת עלויות תחזוקה (FLT:1) - שליטה ברטט ActiveRatation ו-SHM מאפשר תחזוקה חיזויית, צמצום זמני השבתה והחלפת חלק.
• (ב) ,0) שירות חיים חיים חיים של LT:1 - על ידי צמצום ריכוזי רטט וסטרס, חיי עייפות ניתן להרחיב על ידי גורם של שניים או יותר ביישומים מסוימים.
• (FLT:0) שיפור האנרגיה EfficiencyFLT:1) - אופטימיזציה של נוקשות פיר ולחיצת פחית את אובדן האנרגיה מרטטט וחיכוך, פוטנציאל לשפר את יעילות המערכת הכוללת ב 1–3%.
• (FLT:0) ניטור מצב בזמן אמת (Time Condition MonitoringFLT:1) - חיישנים Embedded מספקים נתונים רציף על בריאות פיר, המאפשרים הפעלה בטוחה יותר ושיפורים עיצוביים מונעים על ידי נתונים.
• (FLT:0Weight ReductionveFLT:1) - פיר אדפטי יכול להיות מתוכנן בהיר יותר מאשר פיר פסיבי שחייב לעמוד בעומסי התמחור הגרועים ביותר, כי המערכת ההסתגלות יכולה לפעול באופן פעיל נגד עומסי יתר.

יישום אמיתי בעולם ומחקרי מקרה תעשייתי

בעוד שעדיין טכנולוגיה מתפתחת, פירים אדפטיים באמצעות חומרים חכמים עברו מעבר למעבדה ליישומים תעשייתיים ואווירקליים נבחרים.

Helicopter Rotor Shaft עם MR Dampers

מסוק כבד של סיקורסקי CH-53K קינג סטליון משתמש במליצי נוזל MR במערכת התמיכה העיקרית שלה פיר רוטטור.הלחים להסתגל לחיחות נגד התחדשות הקרקע ועומסים אווירודינמיקה מהירים.המערכת כבר בשירות במשך יותר מעשור, מה שמדגים את האמינות טכנולוגיית MR בתנאים קשים.

ספין-המהירות הגבוהה ביותר מ-Making Spindles

כמה מכונות בונה כלי, כולל DMG מורי ומאקונו, מציעים ספינים עם רטט אדזואלקטרי אופציונלי לחות. אלה ספינדלס להשתמש ⁇ חשמליות מוטבעת הפיר עולה כדי לדכא צ'אט חוזר במהלך מהירויות גבוהות.הטכנולוגיה הגדילה את שיעור הסרת המתכת על ידי עד 30% טיטניום ו Superoy מאצ'ין.

Wind Turbine Drive Shafts

טורבינות רוח שונות ניסיון עומס דינמי מרוחות רוח, זעזועים, והפרעות רשת. חוקרים באוניברסיטה הטכנית של דנמרק בדקו פיר טורבינות רוח בקנה מידה בקנה מידה עם לחל פיגור משולב SMA.הלח מופחת טורק על ידי 60% במהלך אירועים גורים, ירידה בלחיצת כביסה וירידה של אנרגיה.

כיוונים עתידיים ומחקרים עתידיים

השדה מיועד לקידום מהיר, מונע על ידי שיפורים במדעי החומרים, תאומים דיגיטליים, וייצור תוספים.

חומרים חכמים פונקציונליים

חומרים חדשים כגון בצורת פולימרים זיכרון (SMPs), תרכובות מרובות-פררויות, ו- Carbon nanotube (CNT) מבוסס חומרים חכמים מציעים יכולות נוספות.SMPs יכול להשיג אפילו יותר זנים מחלימים מאשר SMAs (עד 100%) אבל יש לנו מודולולוס נמוך יותר, מתאים יישומים קלים.

ייצור גמיש של Smart Shafts

טכניקות הדפסה תלת מימדיות כמו לייזר סלקטיבי התכה וקידוד מאפשרות ייצור ישיר של פירים עם תכונות חומר חכמות מוטבעות - כגון ערוצים פנימיים עבור חוטי SMA או כיסים עבור כתמים אדזואלקטריים.אינטגרציה זו מפחיתה מורכבות ההרכבה ומשפרת הפיכה מכנית בין החומר החכם לבין המבנה. ארגונים כמו המכון Fraunhofer לייצור טכנולוגיה הם חקר אבקת לייזר של NiTi אלמנטים ישירות לתוך פירקה.

מערכות הסתגלות עצמיות

איסוף אנרגיה מרטטט פיר או ⁇ תרמי יכול להפוך פירים אדפטיים באמת אוטונומיים. משככי אנרגיה Piezoelectric צינורות ממוקמים על הפיר יכול כוח נמוך כוח אלחוטי מעגלים שליטה.עבור SMA פועלטורים, הדורש יותר כוח, גנרטורים תרמואלקטריים המשתמשים בחום מנושאות סמוכים יכולים לספק אנרגיה מספקת. פיר מופעל עצמי יכול לפעול במשך חודשים ללא כוח חיצוני, פתח יישומים או מרוחקים כגון סביבות עמוקות או מנגנונים עמוקים.

למידה ממוחשבת לשליטה הסתגלות

Reinforcement למידה ובקרי רשת עצביים יכולים ללמוד את פקודות ההפעלה האופטימליות עבור תנאי עומס לא ידועים או זמן מנוחה ללא צורך מודלים פיזיים מפורטים. גישה זו מבטיחה במיוחד עבור פירים במכונות מהירות משתנה שבו עומסים הם בלתי צפויים.

מסקנה

חומרים חכמים הופכים את עיצוב פיר מגורם סטטי, אחד בגודל של מרכיבים למערכת הסתגלות שמגיבת לעומסים הדינמיים הקיימים במכונות מודרניות. Shape memory ⁇ s מאפשר נוקשות משתנה ועצמיות; חומרים ⁇ אלקטריים מספקים חומרים מתכווצים פעילים ניטור שרירים ובריאות; גישות מגנטיות מאפשרות הסתגלות מהירה ונוקשות.

(ב) לקריאה נוספת על טכנולוגיות ספציפיות, הסקירה של מדע בדיוני של סגסוגת זיכרון צורה 1R.E.S.FLT:2 Nature Research article על שליטה בטטזואלקטרית ב-RruorsFLT 3: 3 מציעה נתונים ניסיוניים אחרונים.עבור יישומי MR נוזל, FLT:4Journal of Sound and VibrationFLT:5 מכיל מספר מחקרים ו-Ricerative Review, ו-R.