article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
2(93)/2013
Jacek Dybała1, Lech Knap2, Michał Makowski3, Tomasz Mydłowski4
BADANIA WPŁYWU ZMIANY TEMPERATURY NA WŁAŚCIWOŚCI
STEROWANEGO TŁUMIKA PIEZOELEKTRYCZNEGO.
1. Wstęp
Podjęta w niniejszej pracy problematyka jest związana z metodami redukcji drgań
pojazdów, maszyn oraz konstrukcji budowlanych. Przez wiele lat do ochrony konstrukcji
przed drganiami stosowano systemy pasywne , które w ostatnich latach coraz częściej są
zastępowane sterowanymi systemami adaptacyjnymi lub aktywnymi. Jednym z
kluczowych elementów takich systemów są tzw. sterowane tłumiki, których właściwości
mogą być zmieniane w czasie w miarę potrzeb. Wiele z nowych rozwiązań tłumików
bazuje na wykorzystywaniu tak zwanych materiałów inteligentnych, do których zalicza
się przede wszystkim ciecze magnetoreologiczne, ciecze elektroreologiczne, elastomery
magnetorezystywane, materiały piezoelektryczne, itp. [1, 2, 3, 4, 5].
W ramach niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i
numerycznych sterowanego tłumika (PZD-L) z zaworem piezoelektrycznym (PZ)
prowadzonych pod kątem oceny wpływu zmiany temperatury na właściwości
sterowanego tłumika. Podczas badań wykorzystywano opracowaną i wykonaną
konstrukcję sterowanego tłumika z zaworem piezoelektrycznym PZD-L. Tłumik
hydrauliczny został zbudowany w postaci cylindra dwustronnego działania z
tłoczyskiem jednostronnym. Pomiędzy poszczególnymi komorami tłumika możliwy jest
jedynie przepływ przez zawór ze stosem piezoelektrycznym. Rozwiązania takie
umożliwia zmianę siły tłumienia poprzez regulowanie przepływem cieczy poprzez
zawór. W zaworze piezoelektrycznym został wykorzystany stos piezoelektryczny PPA80L firmy Cedrat.[8]
Do przeprowadzenia badań numerycznych został opracowany matematyczny model
tłumika PZD-L w postaci struktury Binghama. Identyfikacja parametrów modelu została
przeprowadzona przy użyciu algorytmów genetycznych. Badania optymalizacyjne
identyfikacji parametrów zostały wykonane w procedurze w programie
MATLAB/Simulink
[7]
oraz
opracowano
numeryczny
model
tłumika
piezoelektrycznego.
2. Stanowisko do badań właściwości sterowanych tłumików
Badania właściwości sterowanego tłumika PZD-L przeprowadzono na stanowisku
laboratoryjnym znajdującym się w Instytucie Pojazdów Politechniki Warszawskiej
przedstawionym na rysunku 1. W stanowisku badawczym wykorzystywano pulsator
zbudowany na bazie układu hydraulicznego. Przemieszczenia tłoczyska tłumika zamontowanego do jednego z ramion dźwigni - były realizowane poprzez wymuszenie
prof. nzw. dr hab. Jacek Dybała, profesor, Instytut Pojazdów Politechnika Warszawska
dr inż. Lech Knap, adiunkt, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
3
dr inż. Michał Makowski, adiunkt, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
4
mgr inż. Tomasz Mydłowski, doktorant Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Politechnika
Warszawska
1
2
67
kinematyczne wywoływane przez siłownik hydrauliczny zamocowany do drugiego
ramienia dźwigni.
Rys. 1. Stanowisko do badań właściwości sterowanych tłumików
Stanowisko badawcze zostało wyposażone w czujniki siły i przemieszczeń. Sygnały
z tych czujników były rejestrowane przez elektroniczny układ pomiarowy. Elementy
układu hydraulicznego sterowane były przy pomocy elektronicznego układu sterującego
kontrolowanego za pomocą komputera klasy PC z zainstalowanym systemem
operacyjnym czasu rzeczywistego oraz odpowiednim oprogramowaniem sterującym. Za
pomocą oprogramowania możliwe była kontrola realizowanego i założonego przebiegu
wymuszenia jak oraz pomiar siły i przemieszczenia (w wybranych badaniach także
pomiar ciśnień w różnych przestrzeniach roboczych amortyzatora). Podczas badań
stosowany był przebieg harmoniczny zbliżony kształtem do przebiegu sinusoidy, o
różnych częstościach i amplitudach. Układ sterujący umożliwiał wymuszenia o
maksymalnej amplitudzie 30 mm przy częstości 2,5 Hz. Sterowanie wymuszeniem jak
również sygnały pomiarowe były przetwarzane przez kartę przetwornikową analogowocyfrową firmy National Instruments zainstalowaną w komputerze klasy PC. Widok
ogólny elektronicznego układ sterująco-pomiarowego został przedstawiony na
rysunku 2.
68
Rys. 2. Widok ogólny elektronicznego układu sterująco-pomiarowego.
3. Rozkład temperatur w tłumiku PZD-L podczas badań.
Ważnym czynnikiem wpływającym na siłę tłumienia realizowaną przez tłumik
PZD-L jest temperatura czynnika roboczego. Chcąc zbadać zmianę charakterystyki
tłumienia zdecydowano się na przeprowadzenie badań tłumika z czynnikiem roboczym o
temperaturze otoczenia oraz tłumika z czynnikiem roboczym rozgrzanym do
temperatury pracy. Badania przeprowadzono w zakresie temperatur 20-50oC.
Podczas badań stanowiskowych związanych z badaniami wpływu temperatury
prowadzono rejestrację rozkładu temperatury w tłumiku PZD-L za pomocą kamery
termowizyjnej „FLIR”. Wykorzystywana kamera termowizyjna umożliwia
obserwowanie różnego rodzaju powierzchni, przy czym zgodnie z wymaganiami
producenta zalecane jest obserwowanie powierzchni matowych. Pomiar powierzchni, od
których odbija się światło powoduje zwiększenie błędu pomiaru. Dlatego też w celu
zwiększenia dokładności wskazań kamery, obudowę tłumika pomalowano matową farbą
akrylową w kolorze ciemno filetowym. Różnica pomiędzy temperaturami
zarejestrowanymi za pomocą termopar i temperatur odczytanych z badań dokonanych za
pomocą kamery termowizyjnej, wynosi ok. 0,5 oC-1oC.
Poniżej na rysunkach 3, 4, 5, 6 zostały przedstawione przykładowe wyniki pomiaru
rozkładu temperatury na obudowie tłumika PZD-L w czasie badań eksperymentalnych
za pomocą kamery termowizyjnej.
69
Rys. 3. Rozkład temperatury badanego tłumika, temperatura oleju 22°C.
Rys. 4. Rozkład temperatury badanego tłumika, temperatura oleju 30°C.
70
Rys. 5. Rozkład temperatury badanego tłumika, temperatura oleju 35°C.
Rys. 6. Rozkład temperatury badanego tłumika, temperatura oleju 43°C.
Olej hydrauliczny jest cieczą, której właściwości zmieniają się pod wpływem
temperatury, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury oleju spada jego lepkość. Zaś
spadek lepkości ma wpływ na wartość sił realizowanych przez tłumik PZD-L. Dlatego
71
też w ramach projektu przeprowadzono podstawowe badania właściwości sterowanych
tłumików pod kątem określenia wpływu temperatury na wartości sił realizowanych przez
opracowane tłumiki. W sterowanych tłumikach wykorzystywano typowy olej o lepkości
kinematycznej ok. 45 mm2/s oraz gęstości ok. 880 kg/m3. Badania przeprowadzano w
warunkach laboratoryjnych w zakresie temperatury tłumika 22-43°C. Pełniejsze i
dokładniejsze badania wpływu temperatury nie mogły być przeprowadzone ze względu
na brak dostępu do komory klimatycznej o odpowiedniej wielkości mieszczącej
stanowisko badawcze.
Na rysunkach 7, 8, 9 i 10 przedstawiono zaobserwowany podczas badań wpływ
temperatury oleju na siły zarejestrowane na tłoczysku tłumika. Zaprezentowane
przykładowe wyniki badania zmierzono dla częstości wymuszenia 2 Hz i amplitudy
0,03 m. Na wykresach porównano przebiegi sporządzone dla temperatur 22 oC i 43oC
odpowiednio dla warunków: bez zasilania na zaworze sterującym szczeliną
ograniczającą przepływ oleju i przy maksymalnym zasilaniu napięciowym 150 V.
Wyniki obrazują spadek zarejestrowanych wartości sił tłumienia wraz ze wzrostem
temperatury. W przypadku badań tłumika bez sterowania zaworem ograniczającym
przepływ oleju wewnątrz tłumika (zawór maksymalnie otwarty), różnice wynoszą ok.
20%, natomiast w przypadku tłumika z zaworem zasilanym maksymalnym napięciem
150 V (zawór minimalnie otwarty) spadek wartości siły przy zmianie temperatury od 22
do 43oC wyniósł ok. 10% .
Rys. 7. Wyniki badań eksperymentalnych tłumika PZD-L bez zasilania 0 V przy
wymuszeniu z częstością 2 Hz oraz amplitudzie 0,03 m, przy temperaturze tłumika 22 oC
i 43oC, przedstawione w funkcji siła-przemieszczenie.
72
Rys. 8. Wyniki badań eksperymentalnych tłumika PZD-L bez zasilania 0 V przy
wymuszeniu z częstością 2 Hz oraz amplitudzie 0,03 m, przy temperaturze tłumika 22 oC
i 43oC, przedstawione w funkcji siła-prędkość.
Rys. 9. Wyniki badań eksperymentalnych tłumika PZD-L z maksymalnym zasilaniem
napięciowym 150 V przy wymuszeniu z częstością 2 Hz oraz amplitudzie 0,03 m, przy
temperaturze tłumika 22oC i 43oC, przedstawione w funkcji siła-przemieszczenie.
73
Rys. 10. Wyniki badań eksperymentalnych tłumika PZD-L z maksymalnym zasilaniem
napięciowym 150 V przy wymuszeniu z częstością 2 Hz oraz amplitudzie 0,03 m, przy
temperaturze tłumika 22oC i 43oC, przedstawione w funkcji siła-prędkość.
Analiza przedstawionych w poniższym rozdziale wyników zebranych z prób
eksperymentalnych na stanowisku badawczym tłumika z zaworem PZD-L, wskazuje, że
dzięki zmianie nastawy zaworu piezoelektrycznego możliwe jest uzyskanie zmiany
charakterystyki tłumika. W czasie badań dla wybranych wymuszeń zarejestrowano
prawie 3 krotny wzrost wartości siły tłumienia dla danych prędkości ruchu tłoczyska.
Badania eksperymentalne pokazały także wpływ temperatury oleju znajdującego się
wewnątrz tłumika na rejestrowane wartości sił tłumienia w zakresie od 10 do 20%.
Wyniki badań podstawowych własności tłumika PZD-L posłużyły do budowy
modelu numerycznego sterowanego tłumika, co było niezbędne do opracowania modelu
numerycznego zawieszenia całego pojazdu oraz opracowania algorytmów sterowania.
4. Identyfikacja parametrów tłumika PZD-L
Po przeprowadzeniu badań właściwości sterowanych tłumików z zaworem
piezoelektrycznym przystąpiono do opracowania matematycznego modelu tłumika [6]
PZD-L. Model przyjęto w postaci struktury Binghama, którą zaprezentowano na
rysunku 11. Przedstawiony model został wykorzystany do opracowania oprogramowania
pozwalającego na badania numeryczne algorytmów sterowania.
Wyniki
badań
eksperymentalnych
przeprowadzonych
na
stanowisku
doświadczalnym wykorzystano do weryfikacji uzyskanych rezultatów symulacji
numerycznych. Wyniki zobrazowano w tabelach (tab. 1 i tab.2) odpowiednio dla modelu
tłumika o temperaturze 22 oC i 43 oC.
74
Rys. 11. Schemat struktury reologicznej tłumika PZD-L
Opis matematyczny struktury przedstawionej na rysunku 1 ma postać układu
równań i relacji:
kx ky F
(1)
Cy τT0 kx ky 0
(2)
(3)
gdzie:
C, k, T0 - parametry charakteryzujące lepko-sprężyste cechy struktury,
x, y - współrzędne modelu,
F - siła działająca na strukturę.
Tab. 1. Wartości parametrów modelu tłumika PZ przy temperaturze 22 oC – drugi zakres
regulacji pracy zaworu stosu piezoelektrycznego
T0
C
k
Parametr
[N]
[Ns/m]
[N/m]
Napięcie0 V
301
2,72E3
1,991E5
Napięcie 50 V
356
3,296E3
3,583E5
Napięcie 100 V
796
3,039E3
3,751E5
Napięcie 150 V
1325
2,557E3
4,231E5
75
Tab. 2. Wartości parametrów modelu tłumika PZ przy temperaturze 43 oC – drugi zakres
regulacji pracy zaworu stosu piezoelektrycznego
T0
C
k
Parametr
[N]
[Ns/m]
[N/m]
Napięcie0 V
169
3,299E3
2,135E5
Napięcie 50 V
190,6
2,588E3
2,611E5
Napięcie 100 V
1363
2,662E3
3,463E5
Napięcie 150 V
1078
3,375E3
3,854E5
5. Podsumowanie
Przeprowadzone prace badawcze służyły do zbadania właściwości sterowanego
tłumika piezoelektrycznego. Podczas badań eksperymentalnych wykazano, że
charakterystyka tłumika może być kształtowana poprzez zmianę wartości napięcia prądu
zasilającego piezoelektryk. Potwierdzono także znaczny wpływ temperatury czynnika
roboczego (oleju) na wartości siły rejestrowane na tłumiku PZD-L.
Zmiana parametrów sterowania omawianego tłumika piezoelektrycznego umożliwia
jego zastosowanie w sterowanych układach rozpraszających energię. Opracowana
koncepcja sterowanego tłumika PZD-L może być aplikowana w urządzeniach
technicznych związanych z ochroną przed wstrząsami, wibroizolacją, monitorowania
konstrukcji oraz redukcją drgań układu mechanicznego przed wymuszeniami
zewnętrznymi. Rozwiązanie takie może być także wykorzystane jako narzędzie
diagnostyczne do monitorowania stanu konstrukcji.
Na podstawie parametrów modelu tłumika przeprowadzono badania numeryczne
tłumika PZD-L, które odpowiadały napięciom prądu zasilania stosu piezoelektrycznego
uzyskanego podczas badań eksperymentalnych. W modelu uwzględniono także wpływ
temperatury czynnika roboczego. W czasie badań dobrano parametry modelu. Uzyskane
rezultaty badania porównawczych numerycznych i eksperymentalnych wskazują na to,
że opracowany model numeryczny odzwierciedlający zjawiska fizyczne zachodzące w
tłumiku, został opracowany poprawnie i może być wykorzystywany do badań
numerycznych sterowanych układów mechanicznych służących do rozpraszania energii
(tłumienia drgań w konstrukcji).
Badania zostały przeprowadzone w Instytucie Pojazdów Politechniki Warszawskiej,
które zostały sfinansowane w ramach projektów Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa
Wyższego o numerach N N509 403036 i N N 502 1492 39.
Literatura:
[1]
Liu Y., Zhang J., Nonlinear dynamic responses of twin-tube hydraulic shock
absorber, Mechanics Research Communications 29 (2002), str. 359-365.
[2]
Makowski M., Knap L., Grzesikiewicz W., Pokorski J.: Badanie możliwości
ograniczenia drgań pojazdu przy użyciu sterowanych amortyzatorów magnetoreologicznych. ZN Instytutu Pojazdów, 3(62)/2006, Warszawa 2006, s. 33-54.
[3]
Pietrzakowski M., Active damping of transverse vibration using distributed
piezoelectric elements, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,
Warszawa 2004.
76
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Claeyssen F., Ducamp A., Barillot F., Le Letty R., Porchez T., Sosnicki O., Belly
C.: Stepping Piezoelectric Actuators Based on APAs. ACTUATOR 2008, 11th
International Conference on New Actuators, Bremen, Germany, 9 – 11 June 2008,
pp. 623-626.
Makowski M., Knap L., Grzesikiewicz W.: Identyfikacja parametrów
sterowanego tłumika piezoelektrycznego. Logistyka 6/2011, s. 2419-2428, ISSN
1231-5478.
Rutczyńska-Wdowiak K., Makowski M.: Analiza wpływu wybranych
parametrów algorytmu genetycznego w problemie identyfikacji modelu tłumika.
IX KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA, LOGISTYKA, SYSTEMY
TRANSPORTOWE, BEZPIECZEŃSTWO W TRANSPORCIE. Szczyrk 2012.
Simulink - Simulation and Model-Based Design. {Dostępny 15.03.2013,
http://www.mathworks.com}.
Materiały firmy Cedrat – {Dostępny 15.03.2013, http://www.cedrat.com/ }.
Streszczenie
W niniejszym artykule przedstawiono prace badawcze które służyły do badań
właściwości
sterowanego
tłumika
piezoelektrycznego.
Podczas
badań
eksperymentalnych wykazano, że charakterystyka tłumika może być kształtowana
poprzez zmianę wartości napięcia prądu zasilającego piezoelektryk. Potwierdzono także
znaczny wpływ temperatury czynnika roboczego (oleju) na wartości siły rejestrowane na
tłumiku PZD-L. Badania zostały przeprowadzone w Instytucie Pojazdów Politechniki
Warszawskiej, które zostały sfinansowane w ramach projektów Ministerstwa Nauki i
Szkolnictwa Wyższego o numerach N N509 403036 i N N 502 1492 39.
Słowa kluczowe: stos piezoelektryczny, aktywne tłumienie drgań, aktywne tłumiki.
IMPACT STUDIES OF TEMPARATURE CHANGES ON THE PROPERTIES
OF PIEZOELECTRIC CONTROLLED DAMPER
Abstract
This article presents research that were used to investigate the properties of
piezoelectric-controlled damper. Experimental studies have shown that the
characteristics of the damper can be controlled by changing the supply voltage
piezoelectric. Experimental studies also confirmed the significant influence of the
temperature of the working medium (oil) on the force recorded on the silencer PZD-L.
The study was conducted at the Institute of Vehicles in Warsaw University of
Technology that have been funded under the project of the Ministry of Science (project
numbers N N509 403036 i N N 502 1492 39)
Keywords: piezoelectric stack, active vibration damping, active dampers
77