26281

طراحي و مدل‌سازي يك سامانه برداشت انرژي ارتعاشي مناسب بوژي واگن باري

كارشناسي ارشد

مهندسي ماشينهاي ريلي

1398-1400

1400/10/29

دكتر داود يونسيان

مهندسي راه آهن

انرژي يك عامل كليدي در دنياي هوشمند مدرن است. برداشت كننده‌هاي انرژي مي‌توانند نيروي الكتريكي را براي سنسورهاي نظارت بر سلامت (HM)، عمليات خودكار قطار (ATO)، سوئيچ‌ها و تجهيزات ايمني تأمين كنند. بنابراين، برداشت انرژي از ارتعاشات محيطي به دليل افزايش تقاضا براي منابع انرژي جايگزين، تمركز بسيار زيادي را در صنعت راه‌آهن به خود جلب كرده است. به دليل محدوديت توان الكتريكي در واگن‌هاي باري و باتري‌هاي گران‌قيمت، ساخت يك سيستم برداشت انرژي در اولويت قرار دارد. در اين پايان‌نامه ابتدا مباني برداشت انرژي از منبع ارتعاشي با استفاده از مبدل‌هاي پيزوالكتريك، الكترومغناطيسي و تريبوالكتريك موردبحث قرار مي‌گيرد. سپس، يك طرح مفهومي براي مبدل‌هاي پيزوالكتريك ارائه مي‌شود كه بر اساس انرژي ارتعاشي ناشي از بي‌نظمي‌هاي مسير كار مي‌كند. مدل دستگاه برداشت انرژي، تيرهاي يكسرگيردار است كه بر روي جعبه محور واگن‌هاي باري نصب مي‌شود. در اين راستا واگن باري با بوژي 18-100 در نرم‌افزار Universal Mechanism (UM) شبيه‌سازي‌شده است. لرزش جعبه محور توسط يك عنصر شتاب سنج تحت بي‌نظمي‌ها و سرعت‌هاي مختلف مسير اندازه‌گيري مي‌شود. بي‌نظمي مسير يكي از رايج‌ترين عيوب در صنعت راه‌آهن است كه در اثر اصطكاك چرخ و ريل، صافي چرخ، عوامل محيطي و غيره ايجاد مي‌شود. بي‌نظمي‌هاي مسير مطابق با استانداردهاي UIC در شبيه‌سازي ايجاد و در نظر گرفته مي‌شوند. چگالي طيفي توان (PSD) شتاب محاسبه‌شده و به‌عنوان تحريك ورودي روي سيستم برداشت انرژي اعمال مي‌شود. مدل برداشت كننده انرژي با استفاده از نرم‌افزار COMSOL شبيه‌سازي‌شده و يك تحليل تصادفي براي مدل انجام‌شده است. سپس، عملكرد سيستم برداشت انرژي تحت بي‌نظمي‌هاي مسير و سرعت‌هاي مختلف بررسي مي‌شود. درنهايت، چندين نمونه سيستم برداشت، ساخته‌شده و تحت تحريك تصادفي براي تأييد نتايج عددي آزمايش مي‌شوند. ايده جديد استفاده از سازه‌هاي آگزتيك براي افزايش مقدار توان توليدشده، با تغيير ساختار تير و بدون نياز به تغيير هندسه عنصر پيزوالكتريك يا تغيير ماده به كار مي‌رود. سازه‌هاي آگزتيك با نسبت پواسون منفي ازجمله فرا موادي هستند كه در دهه‌هاي اخير توجه قابل‌توجهي را به خود جلب كرده‌اند. معرفي سازه‌هاي آگزتيك جديد و استفاده از آن‌ها در سيستم برداشت انرژي فعلي، افزايش 2.4 برابري توان را نسبت به يك ساختار ساده نشان داده است.

1401/01/15

Design and simulation of a piezoelectric energy harvesting system using mechanical metamaterials for freight wagons

1/19/2023 12:00:00 AM

Energy is a key factor in the modern smart world. Energy harvesters can provide electrical power for Health Monitoring (HM) sensors, Automatic train operation (ATO), switches, and safety equipment. Therefore, Energy Harvesting from ambient vibration due to the increasing demand for alternative energy sources has attracted very much concentration in the railway industry. Because of the limitation in electric power in freight wagons and high-cost batteries, building an energy harvesting system is a priority. In this thesis, first, the basics of energy harvesting from the vibration energy by use of piezoelectric transducers, electromagnetic, and triboelectric are discussed. Then, a conceptual design for piezoelectric transducers is presented which works based on the vibrational energy caused by track irregularities. The model of the energy harvester is a cantilever beam resonator that is mounted to the axle box of freight wagons. In this regard, the fright wagon with 18-100 bogie is simulated in Universal Mechanism (UM) software. The vibration of the axel box is measured by an accelerometer element under different track irregularities, and speeds. Track irregularity is one of the most common defects in the railway industry, which is created by wheel-rail friction, wheel flat, Environmental factors, etc. The track irregularities are generated and considered in the simulation according to UIC standards. Power Spectral Density (PSD) of acceleration is calculated and applied to the cantilever beam as the input excitation. The model of energy harvester is simulated by use of COMSOL software and a random analysis is executed for the model. Then, the performance of the Energy Harvesting system under different track irregularities, load conditions, and speeds is investigated. Finally, several harvesting samples are fabricated and tested under random excitation to verify numerical results. The novel idea of using Auxetic structures is employed to increase the rate of power conversion by simply changing the structure of the beam and without the need to change the geometry of the piezoelectric element or change the material. Auxetic structures with a Negative Poisson ratio are among the metamaterials that have attracted considerable interest in recent decades. The introduction of new auxetic structures and using them in the present energy harvesting system has shown a 2.4-time enhancement in power compared to a simple structure.

ناهمواري خط، استاندارد UIC، برداشت انرژي پيزوالكتريك، ساختار آگزتيك، چگالي طيفي توان

track irregularity, UIC Standard, piezoelectric energy harvesting, auxetic patterns, Power Spectral Density.

Fariba Ebrahimian

Davood Younesian