MATERIAŁY I KONSTRUKCJE INTELIGENTNE Laboratorium Ćwiczenie Hamulec magnetoreologiczny Katedra Automatyzacji Procesów Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademia Górniczo-Hutnicza
Ćwiczenie Cele: 1) zapoznanie się z zasadą działania tłumika magnetereologicznego (MR) dla ruchu obrotowego ) zapoznanie się z zasadą działania przetwornika energii dla ruchu obrotowego 3) zapoznanie się ze stanowiskiem do badań odzysku energii w ruchu obrotowym w układzie przetwornik elektromagnetyczny tłumik MR
Ćwiczenie Obrotowy tłumik MR typu MRB 17-3 Rys.1. Budowa tłumika MRB17-3: 1 obudowa, cewka, 3 tarcza, 4 ciecz MR, 5 - łożyskowanie, 6 - wał Rys.. Zależność momentu oporowego od prądu dla tłumika MRB17-3
Tłumik prototypowy Rys.3. Struktura tłumika MR: : 1- pokrywa, wał tłumika, 3 łożysko, 4 tarcze tłumika 5 cewka tłumika,6 obudowa tłumika
Modele tłumika MR o ruchu obrotowym Modele parametryczne tłumika MR o ruchu obrotowym : 1) Bouc-Wen-a ) Dahl-a 3) Spencer-a 4) Model opisany funkcjami hiperbolicznymi Model opisujący geometrię tłumika MR o ruchu obrotowym: r 1 3 1) TMR N r dr NkhH r dr h r 1 1 r r
Modele tłumika MR o ruchu obrotowym Model Bouc-Wen-a 6 4 c Bouc-Wen T [Nm] - φ T TMR ( i) z c( i) n n z z z z c() i c1ci () i 1i z - odpowiada za odwzorowanie histerezy magnetycznej modelu i - prąd płynący w cewce sterującej tłumika, c 1 i α 1 - parametry odpowiadające za tłumienie pasywne, c i α - parametry reprezentujące tłumienie aktywne. ϒ,β,δ,n - parametry odpowiedzialne za kształt histerezy T [Nm] -4-6 - -1 1 [] Rys. 4 Zależność momentu oporowego T od przemieszczenia kątowego φ dla prądu1a 8 6 4 - -4-6 -8-15 -1-5 5 1 15 d/dt [/s] Rys. 5 Zależność momentu oporowego T od od prędkości kątowej dφ/dt dla prądu1a
Modele tłumika MR o ruchu obrotowym Model Dahl-a 6 4 T [Nm] - -4 w odpowiada za odwzorowanie histerezy magnetycznej modelu v napięcie na zaciskach cewki tłumika φ przemieszczenie kątowe k, k wa, k wb parametry odpowiedzialne za kształt histerezy T [Nm] -6 - -1 1 [] Rys. 6 Zależność momentu oporowego T od przemieszczenia kątowego φ dla prądu1a 8 6 4 - -4-6 -8-15 -1-5 5 1 15 d/dt [/s] Rys. 7 Zależność momentu oporowego T od od prędkości kątowej dφ/dt dla prądu1a
Modele tłumika MR o ruchu obrotowym Model Spencera 6 c 1 4 φ 1 T [Nm] c k Bouc-Wen - -4 φ T TMR c1 1 1 1 [ z c k( 1)] c1 c z 1 z z 1 z A 1 z - odpowiada za odwzorowanie histerezy magnetycznej modelu ϒ,β,δ,n - parametry odpowiedzialne za kształt histerezy k - współczynnik sprężystości cieczy przy średnich i dużych prędkościach, c - reprezentuje tłumienie wiskotyczne c 1 - tłumieni wiskotyczne przy dużych prędkościach kątowych tarcz tłumika T [Nm] -6 - -1 1 [] Rys. 8. Zależność momentu oporowego T od przemieszczenia kątowego φ dla prądu1a 8 6 4 - -4-6 -8-15 -1-5 5 1 15 d/dt [/s] Rys. 9. Zależność momentu oporowego T od od prędkości kątowej dφ/dt dla prądu1a
Modele tłumika MR o ruchu obrotowym Model opisany funkcjami hiperbolocznymi 4 3 TMR T tgh y p1 y C1 y p y T b i b i b 1 3 C b i b i b 1 4 5 6 T moment granicznego płynięcia cieczy, C 1 współczynnik tarcia wiskotycznego, β współczynnik umożliwiający odwzorowanie gładkiego przejścia w obszar płynięcia plastycznego cieczy, p 1 oraz p współczynniki określające szerokość pętli histerezy. T [Nm] 1-1 - -3-4 - -1 1 d/dt [/s] Rys. 1. Zależność momentu oporowego T od przemieszczenia kątowego φ dla prądu1a T [Nm] 4 3 1-1 - -3-4 -15-1 -5 5 1 15 d/dt [/s] Rys. 11. Zależność momentu oporowego T od od prędkości kątowej dφ/dt dla prądu1a
u [V], 15 i [A] T [Nm] Charakterystyki tłumika MR 18 16 14 1 1 8 6 4 -..4.6.8 1 t [s] u i 6 5 4 3 1.6.16.5.1..3.4.5.6.7.8 I [A] Rys. 1 Charakterystyka dynamiczna tłumika laboratoryjnego Rys. 13 Charakterystyka statyczna tłumika laboratoryjnego
Przetwornik elektromechaniczny Wprowadzenie Zasada działania przetworników elektromagnetycznych oparta jest o prawo indukcji elektromagnetyczniej Faradaya: e d ( t, dt x) e r e t ; e r z t ; e t z x dx dt (1) gdzie: e siła elektromotoryczna [V], e t siła elektromotoryczna transformacji [V], e r siła elektromotoryczna rotacji [V], Ψ strumień indukcji magnetycznej skojarzony ze zwojem, Φ strumień indukcji magnetycznej [Wb], z liczba zwojów, x odległość przewodnika od obranego punktu odniesienia, t - czas [s]
Przetwornik elektromechaniczny Elektromagnetyczny przetwornik energii DH-3N3 Tabela 1. Parametry generatora DH-3N3 Rys.14. Budowa przetwornika: 1 wirnik, magnesy, 3 łożysko, 4 oś, 5 ramki, 6 karkas, 7 - cewka Moc czynna nominalna Napięcie nominalne Prędkość nominalna Rezystancja uzwojenia Indukcyjność uzwojenia 3 W 6 V 1 obr/min Ω 3 mh
Przetwornik elektromechaniczny Rys. 15. Struktura generatora: 1 pokrywa lewa, łożysko, 3 wał przetwornika, 4 - cewka przetwornika, 5 - magnesy trwałe, 6 obudowa, 7 pokrywa prawa
Odzyskiwanie energii Elektromagnetyczny przetwornik energii Obiekt Tłumik MR o ruchu obrotowym N Ruch S Prąd elektryczny Rys. 16. Układ odzyskiwania energii: wirująca tarcza przetwornik elektromagnetyczny tłumik MR o ruchu obrotowym
Urządzenie zintegrowane Rys.17. Struktura urządzenia zintegrowanego : 1- pokrywa, wał tłumika, 3 - tarcze tłumika, 4 - cewka tłumika, 5 - sprzęgło, 6 - obudowa, 7 - wał przetwornika, 8 - cewka przetwornika, 9 - magnesy trwałe
Stanowisko laboratoryjne Rys. 18 Widok stanowiska: 1 silnik, koło zamachowe, 3 momentomierz, 4 tłumik MR z odzyskiem energii, 5 enkoder Rys. 19. Schemat układu pomiarowo-sterującego: 1 silnik, koło zamachowe, 3 momentomierz, 4 tłumik MR, 5 przetwornik elektromechaniczny, 6 enkoder
Ćwiczenie Przebieg ćwiczenia.1 Wyznaczania charakterystyki statycznej tłumika MR Natężenie prądu płynącego przez cewkę przetwornika zmienia swoją wartość w zakresie od do 1.7 A.. Wyznaczenie zależności momentu oporowego od przemieszczenia kątowego a) 1 ma, b) ma, c) 3 ma, d) 4 ma, dla prędkości obrotowej silnika napędzającego : 5, 1, obr/min.3 Wyznaczenie zależności momentu oporowego od prędkości kątowej.4 Wyznaczenie charakterystyk wielkości elektrycznych przetwornika elektromechanicznego Badania dla przetwornika zostaną przeprowadzone dla prędkości obrotowej zmieniającej się w zakresie od do 5 obr/ min.
Ćwiczenie Wykresy należy opracować według poniższych zasad: Osie wykresów powinny być opisane symbolami wielkości fizycznych wraz z ich jednostkami. Rodzaj czcionki opisującej osie wykresu Times New Roman Rozmiar czcionki opisu osi Rozmiar czcionki dla liczb skali osi 18 Grubość linii wykresu. Należy używać ciągłych linii wykresu rozróżnianych kolorami Na wykresach zawierających kilka charakterystyk należy umieścić legendę z opisem wartości natężenia prądu którego wykres dotyczy np. ma. Dla wykresów przy braku zasilania cewki sterującej tłumika MR ( ma) przyjąć kolor czarny
Ćwiczenie Sprawozdanie powinno zostać dostarczone w formie papierowej oraz elektronicznej jako dokument Word w wersji 97/XP/. Sprawozdania w formie elektronicznej wraz ze skryptami do obróbki danych napisanymi w środowisku MATLAB należy zamieścić na wspólnej płycie w katalogu z numerem grupy, przykładowo: grupa 7. Sprawozdanie powinno zawierać wnioski dotyczące sporządzonych charakterystyk oraz zależności mierzonych i obliczonych wielkości fizycznych od natężenia prądu i częstotliwości wymuszenia.
Ćwiczenie Warunkiem zaliczenia sprawozdania jest kompletność zamieszczonych charakterystyk wraz z niezbędnymi obliczeniami (skrypty), oraz prawidłowo sformułowane wnioski. Termin oddania sprawozdania: 3 kwiecień 14
Ćwiczenie Literatura 1. Wykłady z przedmiotu: Materiały i konstrukcje inteligentne.. Sapiński B., Jastrzębski Ł., Majdak P.: Test bed for electromagnetic generators to support MR rotary dampers, Mechanics AGH, 9, vol. 8, No.4, s.118-13. 3. Sapiński B.:Magnetorheological Dampers in Vibration Control, AGH University Of Science and Technology Press, Cracow 6 4. Milecki A. : Ciecze Elektro- i Magnetoreologiczne oraz ich zastosowanie w technice Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 1