Akıllı Malzeme ve Adaptif bir Shaft Tasarımına Giriş
Mekanik miller neredeyse her dönen makinede güç aktarımı temeldir, rüzgar türbinleri ve uçak motorlarından otomotive giden yol ve endüstriyel pompalar. Geleneksel mil tasarımı, statik güç ve yorgunluk hayatına odaklanır, ancak modern mühendislik talepleri dinamik yükler altında uyum sağlar - karmaşık tonlar, değişken rotasyon hızlar, termal bisiklet ve titreşim rejimleri, bir sonraki performans siparişlerine göre değişebilir. Akıllı malzemeler, bir sonraki yaşam biçimini ve koşulları aktif bir şekilde keşfetmeye yardımcı olur.
Akıllı Malzemenin Temelleri
Akıllı malzemeler, aynı zamanda akıllı veya duyarlı malzemeler de, pasif olarak deformasyon veya başarısız olan geleneksel malzemelerden oluşan bir deterministik değişikliği de ortaya koyar - bir şekilde, sertlik, vizity veya elektrik dirençliliği – sistemin davranışına maruz kaldığı zaman.
Akıllı Malzemenin Şekilleri Shaft Uygulamaları
Birçok akıllı malzeme mili tasarımı için araştırılmıştır. En umut verici şekilde biçim hafıza alaşımları (SMAs), pastazoelektrik seramikleri ve polimerler, magnetorheological (MR) sıvılar ve elastomerler ve elektrorheological (ER) akışkanlar.
- [FONT:0)Shape Memory Alloys (SMAs)) - Bu metal alaşımlar, Nitinol (NiTi) gibi, bir dönüşüm sıcaklığının üzerinde ısıtıldığında önceden tanımlanmış bir şekli geri alabilir (örneğin, bit sıcaklığın üzerinde).In mil tasarımında, SMA elementler teller, kollar veya kompozit tabakalar sıcaklık değişikliklerine veya aktif ısıtmaya yanıt olarak kontrol edilebilir.
- [FONT:0)Piezoelektrik Malzemeler[Dönetici: 1 ) - Piezoelektrik seramikleri (örneğin, PZT - aktif vikontajlar ve polimerler (PVDF), elektriksel bir dengede uygulanan elektriksel bir yük miktarını ve hatta mikro-parçacıklı etki sağlar.
- [FONT:0)Magnetorheological (MR) Malzemeler) - MR sıvıları ve elastomerler, mikron boyutlu ferromantik partiküller bir taşıyıcı sıvı veya kauçuk matrisinde dağılırlar. Manyetik alan varlığında, parçacıklar zincirlere uyum sağlar, malzemenin verim stresini ve vizastik modülellerini dramatik bir şekilde artırabilir.
- [FONT:0)Electrorheological (ER) Akışkanlar[Döneticiler) - MR sıvılarına benzer olarak, elektrik alanları tarafından aktif olarak, ER sıvıları viskobu ve verim stresi azaltırlar. Daha yüksek gerilim gereksinimleri ve daha düşük güç için araştırma konusu kalırlar.
Adaptif bir Shaft Tasarımı Prensipleri
Adaptif bir mil, monolithic bir bileşen değil, ancak akıllı malzeme elementlerini, sensörler, eylemcileri ve kontrol algoritmasını entegre eden bir sistemdir.Ana ilke dinamik yük koşullarını tespit etmektir -torque dalgalanmaları, bükme anları, torsional vizyumları, daha sonra yer değiştirmeleri - ve milinin sertliklerini değiştirmek için yanıt vermek veya geometriyi optimal performansı korumak için.
Neden Dinamik Yükler Adaptabilityability
Bir otomotiv sürücüsünde, tork dişli değişimleri veya kaba yol olayları sırasında hızlanabilir. Bir helikopter rotor milinde, aerodinamik kuvvetler hızla çeşitli bükme anları yaratır (ya da yüksek hızlı bir şekilde şarj edilebilir bir mil ısı ve aşınma ile mekanik özellikleri bir araya getirir).
Şekil Memory Alloys in Shafts
Şekil hafıza alaşımları, özellikle uyarlanmış miller için zorlayıcı bir mekanizma sunar, çünkü büyük kurtarılabilir sular üretebilirler (bazı SMAs için% 8'e kadar) ve yüksek davranış stresi.In mil tasarımında, SMAs birkaç konfigürasyonda kullanılabilir.
Değişkenlik-Stiffness Shafts
SMA telleri veya kurdeleleri milinin eksenleri veya helically, genel torsional sertlik modlanabilir. SMA düşük sıcaklıklı martensite aşamasında olduğunda, nispeten yumuşak ve endüksizdir; ısıtma, işletim aralıklarından daha fazla direnç gösterir veya kuvvetle ısınır.
Kendini kınayan ve Yanlış
Bağlı miller arasındaki yanlışlık (örneğin, bir darbede) vibrasyona neden oluyor, lensler ve güç kaybı. SMA eylemciler, ısıtılmasının aktif olarak yanlış olduğu yerlerde esnek darbelere entegre edilebilir.
Vaka Çalışması: SMA-Based Torsional Damper
Maryland Üniversitesi'ndeki bilim adamları tarafından yapılan araştırmalar, helikopter sürüşleri için SMA tabanlı bir torsional damper gösterdi.The damper, ön eğitilmiş NiTitan telleri etrafında bir mil darbesi ile kapıldı. Normal operasyon altında, teller martensitede kaldı, düşük barajlar sağlayarak.Bu sistem yüksek hacimli tonasyon olayları (örneğin, rotor tezgahları), teller ısıtıldı, ısıtıldı ve yüksek çözünürlükte 300'den fazla baraja geçti.
Aktif Titreşim Kontrolü ve İzleme için Piezoelektrik Malzemeleri
Piezoelektrik malzemeleri, adaptif millerde iki temel işlevi sağlar: algılama ve davranışlama. Hızlı tepkileri (mikrosans) yüksek frekanslı vibrasyon kontrolü için ideal kılar.
Aktif Titreşim Damping
Piezoelektrik yamaları miliye ya da kompozit tabakalarda gömülüdür, vitreuste vitreuslar tarafından 10-20 dB tarafından hedefli frekans gruplarına kadar vitreus azaltılabilir.Bu sözde FLT:0, yüzey bitirmek ve araç yaşamı geliştirmek.
Yapısal Sağlık İzleme (SHM)
Aynı pastazoelektrik elementleri gerçek zamanlı izleme için sensörler olarak kullanılabilir. Dinamik susmalara elektrik tepkisini ölçerek, kontrol sistemi çatlakları, delaminasyonları veya yataklanmayı tespit edebilir. Örneğin, modal frekansı veya barajlama oranındaki bir değişiklik gösterir.Bu koşul tabanlı bakım, bozulmamış SHM sistemleri bile hasarları algılayabilir. GelişmişM sistemleri, sensör dizileri ve zaman zaman zaman zaman zaman-of-flight analizi ile hasar bulabilir.
Örnek: Piezoelektrikli Shaft Turbomakry için
GE Global Research'teki bir ekip, navigasyon koşullarındaki % 0,5'e kadar motor verimliliğini artırmak için bıçak tespit varyasyonlarını azaltabildi.Sistem, mildeki erken aşama yorgunluk çatlakları tespit etti, potansiyel olarak felaket başarısızlıklarını önlemek için bıçak tespit varyasyonlarını azaltabildi.
Magnetorheological and Electrorheological Approaches
MR ve ER malzemeleri farklı bir paradigma sunuyor: Rheolojik özelliklerini değiştirirler (muhtemelen viskos ve verim stresi) neredeyse bir alana maruz kaldığında, bu malzemeler genellikle milinin kendisi olarak değil, aynı zamanda aktif elementin devrildiği gibi kullanılır, barajın dinamik yanıtını kontrol eder.
MR-Fluid-Based Dampers for Shafts
Dönen makinede, sıkıştırılmış film demperleri genellikle rotor titreşimini kontrol etmek için kullanılır. Geleneksel yağı bir MR akışkanı ile değiştirmek ve kritik hızlara ve düşük baraj hızlara yakın şekilde uygulamak için özellikle etkili olabilir.Bu, başlangıçta ve kapanma sırasında kritik hızlar ile geçmek için özellikle etkilidir.
MR Elastomer Havuzları
MR elastomerler (MREs), sağlam bir kauçuk matrixte dağılan manyetik parçacıklardan oluşur. Manyetik alan uygulandığında, oar modulus önemli ölçüde artar (Bondra'daki bir gösteri sistemi kullanılarak MRE'nin ilk kritik hızda desteklenen bir mil için, normal operasyon sırasındaki destek sertliği değiştirir.
Bütünleşme ve Kontrol Challenges
Akıllı malzemelerin potansiyeli açık olsa da, onları güvenilir, üretim hazır bir mil sistemine entegre etmek, beslenmez. Birkaç zorluk ele alınmalıdır.
Güç ve Wiring
Çoğu akıllı malzeme hareketleyicileri elektrik enerjisi gerektirir (Pekiz için ısı, pastazoelektrikler için gerilim, MR sistemlerinde elektromagnetler için mevcut).Kapalı bir mil aracılığıyla teller kaymak zorunda kalır veya kablosuz güç transfer, karmaşık ve potansiyel başarısızlık noktaları ekleyin. yüksek hızlı miller için, kayma yüzükleri tanıtabilir ve giyebilir. Araştırmacılar miliste titreşimleri keşfeder ve enerji sensörlerine ve küçük eylemcileri için.
Fatigue ve Akıllı Malzemenin Durabilitesi
SMAs, birçok termal döngüden sonra kırılmayı hassastır, özellikle yüksek stres altında. Piezoelektrik seramikleri zaman veya yüksek gerginlik altında kırılabilir. MR sıvıları uzun kullanımdan sonra parçacık sedisyonu veya agglomerasyona girebilir. Malzeme bilimi ilerlemeleri, göz ardı edilebilir SMAs veya nanoyapılı lazoceramics gibi yorgunluk hayatını geliştirmek için hedefler.
Kontrol Sistemi Kompleksi
Adaptif bir mil, sensör verilerini (vücut, tok, sıcaklık) kontrol eden bir kontrol algoritması gerektirir ve gerçek zamanlı sistemlerde en hızlı farklı yükleri işlemek için yeterince yüksek olmalıdır (örneğin, ısı değişiklikleri veya malzeme yaşlanması gibi).
Pasif Tasarımlar Üzerindeki Avantajları
Bütünleme meydanlarına rağmen, Adaptif miller geleneksel pasif millerle kıyasla belirleyici avantajlar sunar.
- [FONT:0]Dynamic Load Adaptability[[Dynamic Load Adaptability[Dynamic Load Adaptability[Dynamic Load Adaptability[DynamicT:1) - The mil her işletim koşulu için ayarlanabilir, üst stresleri azaltır ve rezonansdan kaçınabilir.
- [FONT:0)Redük Bakım Maliyetleri[[[DÜT:1) - Aktif titreşim kontrolü ve SHM tahmin edici bakım sağlar, geçici olmayan bakım ve parça değiştirme sağlar.
- [FONT:0)Extended Service Life[[DÜT:1) - Gürültü ve stres konsantrasyonları ile yorgunluk, yorgunluk hayatı bazı uygulamalarda iki veya daha fazla faktör tarafından uzatılabilir.
- [0] Geliştirilmiş Enerji Verimliliği[[[DÜT:1] - Optimizing mil sertlik ve barajlar, potansiyel olarak 1-3% ile genel sistem verimliliğini artırmak.
- [FONT=0)Real-Time Situation Watch Watch[[[Dönemli sensörler mili sağlığı üzerinde sürekli veri sağlar, daha güvenli operasyon ve veri odaklı tasarım iyileştirmelerine olanak sağlar.
- [FONT:0]Weight Re[[DÜDÜT:1) - Bir adaptive mil en kötü durumdaki yüklere dayanacak pasif bir milden daha hafif tasarlanabilir, çünkü adaptive sistem aktif olarak aşırı yüklemelere karşı çıkabilir.
Gerçek Dünya Uygulama ve Endüstriyel Vaka Çalışmaları
Hala gelişmekte olan bir teknoloji olsa da, akıllı malzemeler kullanan adaptive miller laboratuvarın endüstriyel ve havacılık uygulamaları seçmesine ötesine geçti.
Helikopter Rotor Shaft ile MR Dampers
Sikorsky CH-53K King Stallion ağır kaldırma helikopteri, MR'nin ana rotor mil destek sistemindeki yeteneklerini kullanıyor.
Yüksek Hızlı İmalat Spindles
DMG Mori ve Makino dahil olmak üzere birkaç makineli araç inşaatçı, alüminyum ve süperalloylama ile% 30'a kadar metal geri yükleme oranları artırdı.Bus use lazoelektrik hareketuators which in the mil installed to print rejen chatter during high- speed değirmen.
Rüzgar Türbini
Değişken hızlı rüzgar türbinleri rüzgardan dinamik yükler deneyimliyor, çalkantı ve grid rahatsızlıkları. Danimarka Teknik Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, bütünleşik SMA tabanlı torsional damper ile ölçeklenmiş bir rüzgar türbini mili test etti. barajlar, ağır olaylar sırasında %60 oranında azaldı, enerji maliyetlerini azaltır.
Future Yol ve Gelişen Araştırma
Alan hızlı ilerleme için hazırlanıyor, malzemeler bilimi gelişmeler, dijital ikizler ve katkı üretimi tarafından yönlendiriliyor.
Multi function Smart Materials
Şekil hafıza polimerleri (SMP) gibi yeni malzemeler, çok-ferroic kompozitler ve karbon nanotüp (CNT) tabanlı akıllı malzemeler ek yetenekler sunabilir. SMPs, SMAs'tan daha yüksek geri dönüşümlü sular elde edebilir (% 100'e kadar) ancak daha düşük modları vardır, hafif uygulamalar için uygundur. Multi-feransiyel malzemeler pastazoelektrik ve magnetostrik fazları birleştirir, manyetik-field zoelektrik efektleri etkinleştirir.
Akıllı Shafts'in Katkı İmalatı
3D, seçici lazer erimesi ve binder jetting gibi baskı teknikleri, Fraunhofer Institute for Production Technology gibi doğrudan yüzeysel kablolar veya cepler için bisküvi sistemleri gibi, bu entegrasyon, akıllı malzeme ve mili yapısı arasındaki mekanik darbeyi azaltır.
Kendini Değiştiren A Adaptif Sistemler
Pas vibrasyon veya termal gradientlerden enerji hasat gerçekten özerk bir mil yapabilir. Ahşap enerji toplayıcıları mile yerleştirilen, yüksek güçte kablosuz sensörler ve kontrol devreleri gibi düşük güçlere sahip olabilir.Pektif hareketleyiciler için, ısıyı yakındaki taşıyıcılardan kullanan termoelektrik jeneratörleri, yeterince enerji sağlayabilir.
Adaptif Kontrol için Makine Öğrenme
Teknik öğrenme ve sinir ağ kontrolörleri, belirli fiziksel modellere gerek kalmadan bilinmeyen veya zaman zaman tasarrufu için en uygun hareket komutlarını öğrenebilirler.Bu yaklaşım özellikle yüklerin tahmin edilemez olduğu değişken hızlı makinelerde miller için umut vericidir. MIT'de erken deneylerin, bir disk sistemi MR dampers ile bir model tabanlı kontrol sistemindeki titreşimleri bastırmayı öğrenebileceğini gösterdi.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Akıllı malzemeler, statik, tek boyutlu bir bileşenden, tüm bileşeni modern makinelerde bulunan dinamik yüklere yanıt veren bir uyarlayıcı sistem haline getirir. Şekil hafıza alaşımları değişken sertlik ve öz-ment; pastazoelektrik malzemeleri aktif baraj ve sağlık izleme sağlar; magnetorheolojik yaklaşımlar hızlı bir şekilde damping ve sertlik ayarlaması sunar.Inte dayanıklılık, ve kontrol kalırken, gerçek dünya uygulamaları helikopterleri, baskılar ve rüzgar türbinlerinde görünür.
Belirli teknolojiler hakkında daha fazla okuma için, [[Dönetici:0) Bilimsel olarak biçim hafıza alaşımları genel bakışı) Katı bir temel sağlar.TheurFLT:2).IntechOpen on lazoelektrik titreşim kontrolü in Rotors) Son zamanlarda deneysel veriler sunar.