Witam serdecznie wszystkich.
Mam nadzieję, że przedstawiony artykuł będzie dla
Ciebie drogi czytelniku bardzo wartościowy, niegdyś w czasie moich poszukiwań
materiałów zajmujących się tym tematem sam chciałbym przeczytać podobny artykuł
i mieć kontakt do kogoś, kto się tym w Polsce zajmował. Do tej pory nie
znalazłem szczegółowych polskich publikacji na ten temat a tym bardziej publikacji,
która pomogłaby inżynierskie zrozumienie istoty działania prezentowanych przeze mnie rozwiązań. W moich wywodach będę się podpierał opracowanymi w czasie studiów
materiałami jak i swoją praca dyplomową, która jest chroniona prawami
autorskimi, lecz chętnie pomogę swoim doświadczeniem i wiedzą wszystkim
zainteresowanym, oczywiście po wcześniejszym kontakcie.
Na wstępie chce podziękować mojemu mentorowi: Prof. dr hab. inż. Andrzej Tylikowski wybitny Polski mechanik, specjalista
od konstrukcji Inteligentnych i mechaniki kompozytów. Podziękowania za pomoc opracowaniu symulatora składam dr inż. Michałowi Makowskiemu.
Summary:
This thesis presents a project of
an active vibration eliminator together with results from a simulating program
running in different conditions.
The most important parts of the
eliminator are actuators which are dielectric elastomers that work like
synthetic muscles when a voltage is applied to them. Dielectric materials used
to build an actuator are commonly applied in standard vibroisolation and can be
used for passive vibration reduction. The purpose of the eliminator is a
reduction of acceleration of the stabilizing element.
Using a program built
in Matlab Simulink it was possible to view values of acceleration, displacement
of construction and parameter values responsible for the actuator work, such
as: voltage applied, force generated and electric power used.
The eliminator is very
effective within the resonant frequencies of the model, although noticeably
less so over other frequencies. Actuator effectiveness is limited by the
controlling method that was used here. Results of simulations and
considerations in this thesis show legitimacy for further work using dielectric
elastomers in active vibration control.
1. Wprowadzenie
Początkowo zajmowałem się zrozumieniem i opisem procesu przekształcania energii mechanicznej w energie elektryczną, w dalszym etapie miałem zamiar zaprojektować i zasymulować prace aktywnego eliminatora drgań gdzie w efekcie skupiłem się na zaprojektowaniu i stworzeniu programu symulującego prace hybrydowej wibroizolacji( wibroizolacja pasywna + wibroizolacja siłowa aktywna)
Czy
to wszystko ma sens? Czy generowane siły przez elastomery dielektryczne mogą
zapewnić skuteczność układu eliminacji drgań przy rozsądnych wartościach napięć? Też stawiałem
sobie takie pytanie i nie znalazłem w literaturze publikacji, które by
satysfakcjonująca odpowiedziały na to pytanie i prezentował podobne rozwiązanie
do mojej koncepcji. Dlatego też podjąłem się tego zadania i przeanalizowałem
według mnie najważniejsze aspekty tego zadania i zbudowaniu program symulacyjny w
bardzo wydajnym środowisku inżynierskim Matlab Simulink w ramach mojej pracy
inżynierskiej. Teraz dzielę się nieco spreparowanymi fragmentami mojej
wielomiesięcznej wytężonej pracy naukowej.
W redukcji drgań
największym problemem jest uzyskanie zadowalających wyników w zakresie niskich i rezonansowych
częstotliwości, gdyż wtedy metody pasywne są zazwyczaj związane tarciem
wiskotycznym i oddziaływaniami o zbliżonym charakterze. Dyssypacja energii może
nie być wystarczając a przy stosunkowo „wolnych” prędkościach układu drgającego.
Aktywna redukcja drgań nie jest nowym zagadnieniem. Do aktywnej lub
semiaktywnej redukcji drgań coraz częściej wykorzystuje się inteligentne materiały
takie jak piezoelektryki, ciecze megnetreologiczne i elektroleogiczne oraz
materiały z pamięcią kształtu. Jednym z założeń rozważań i symulacji było
uzupełnienie pasywnego wibroizolatora drgań o możliwości aktywnego aktywnego wibroizolatora
drgań.
Możliwości
skutecznego odzyskiwania/pozyskiwania energii są niezwykle ważne dla rozwoju
naszej cywilizacji. Istnieje wiele sposobów przetwarzania energii mechanicznej
na energię elektryczną, lecz każde rozwiązanie niesie z sobą zalety i wady w
punkcie 3 opisany jest proces pozyskiwania energii elektrycznej za pomocą elastomeru
dielektrycznego.
Zatem co czym jest elastomer dielektryczny? Teoretycznie budowa jest
banalna, czyli jest to kondensator płaski gdzie warstwa dielektryka i elektrody
są odkształcalne, a odpowiednio uformowany taki elastomer dielektryczny lub ich
cały zespół zachowuje się jak polimery elektrostrykcyjny.
Elastomery dielektryczne(polimery
elektrostrykcyjne) pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego wykazują
mechaniczne odkształcenie. Zdolność do odkształceń ED jest znacznie wyższa od
zdolności do odkształceń piezoelektryków (10-30% w stosunku do 0,1-0,3%). Pod
tym względem parametry elastomerów mogą być nawet zbliżone do mięśni.
Elastomery dielektryczne zazwyczaj
powleka się z obydwu stron polimerem zawierającym drobiny przewodzącego węgla
lub innego przewodzącego materiału. Do polimeru przewodzącego podłączane jest
przewodami zasilanie. Warstwy zewnętrzne służą za elastyczne elektrody, odkształcające
się wraz ze znajdującym się między nimi materiałem.
Rys.2 Elastomer dielektryczny po przyłożeniu
napięcia do elektrod.
2. Aktywna wibroizolacja siłowa, aktywny eliminator drgań
Poniżej przedstawiono bardzo uproszczony schemat
układu do redukcji drgań (tutaj do wibroizolacji siłowej), gdzie elementem wykonawczym jest aktuator oparty na
dielektrycznych elastomerach.
Rys. 1.1 Podglądowy schemat aktywnego eliminatora drgań
W dalszych rozważaniach
rozpatrywana będzie redukcja drgań pionowych w osi z. Podłoże uznajemy za nieruchome.
Omawiany układ sprowadza się do platformy o pewnej masie odpowiadającą na siłę wymuszającą
z(t) i minimalizującą przyspieszenia
układu poprzez działanie aktywne aktuatora* który generuję siłę sterującą Fs.
*Elastomer dielektryczny jest aktuatorem
jednostronnego działania, gdzie po przyłożeniu napięcia siła aktuatora działa
na skrócenie/ ściskanie aktuatora. Z tego faktu siła Fs(t) realizowana jest
przez 2 aktuatory działających w jednym kierunku, lecz o przeciwnych zwrotach. Przeciwny
zwrot siły aktuatora można uzyskać, przez przekładnie mechaniczna lub inne rozwiązanie
np. na drodze hydraulicznej.
Siła wymuszająca z(t) może odpowiadać sile działającej na platformę
pochodzącej od drgającej konstrukcji lub maszyny. Celem eliminatora jest ustabilizowanie
drgań konstrukcji lub maszyny.
Główną wadą aktuatorów opartych na elastomerach dielektrycznych jest konieczność stosowanie wysokich napięć zasilania, nawet rzędu kilku kV. Wysokie napięcie wymaga odpowiedniego źródła energii elektrycznej. Kolejną wadą jest ograniczona wytrzymałość elektryczna izolacji, przez co może dojść do niekorzystnego zjawiska przebicia. Przebicie jest to pojawienie się łuku elektrycznego między elektrodami na wskutek zbyt dużego napięcia na elektrodach. Przebicie również może być spowodowane przez materiał, który nie utrzymuje jednorodnych właściwości dielektrycznych. Powietrze występujące w pęcherzykach w materiale dielektryka jest wysoce niepożądane, ponieważ pod wpływem pola elektrycznego warstwy powietrza będą tyle razy mocniej naprężane od równej, co do grubości warstwy dielektryka, ile razy większą jest stała dielektryczna gumy od stałej powietrza, równej 1. Wskutek silnego naprężenia pola elektrycznego w bańce powietrznej może wystąpić zjawisko jonizacji, jarzenia, a nawet przebicia dielektryka. Przebicia nie tylko ograniczają teoretyczną maksymalną siłę do uzyskania, ale również mogą działać niszcząco na aktuator poprzez wypalanie elektrod i materiału dielektryka.
Wybrane najważniejsze dane projektu i wyniki z programu symulacyjnego
Przyspieszenie i przemieszczenie układu w odpowiedź na wymuszenie
sinusoidalne o częstotliwości drgań własnych i amplitudzie siły 500 N
Po rozważaniach na temat wielu innych trudnych zagadnieniem, związanych z moim projektem oraz wiele różnych symulacjach dla różnych wariantów mogę powiedzieć, że to wszystko ma sens jak widać, z wyników możemy uzyskać siłę o wartości ponad 600N przy napięciu 2,5 kV przy znikomy poborze mocy. Haczyk jest w napięciu, które uzyskujemy przez źródło prądu stałego, oczywiście zgodnie z wzorem na siłę aktuatora, zmiana parametrów układu pomoże znacznie zmniejszyć napięcia sterujące do kilkuset wolt.
CDN.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz