31449

طراحي يك سامانه برداشت انرژي پهن باند دوراني با رزناتور آگزتيك جهت نصب روي محور

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي راه‌آهن- ماشين‌هاي ريلي

1397

1403/6/27

داود يونسيان

/

دانشكده مهندسي راه‌آهن

در سال‌هاي اخير، برداشت انرژي از منابع طبيعي مانند ارتعاشات، باد و صوت در صنايع مختلف، به‌ويژه حمل و نقل ريلي، اهميت زيادي يافته است. اين انرژي براي فعال‌سازي حسگرها بسيار مهم است، زيرا در بسياري از موقعيت‌ها منبع تغذيه دائمي وجود ندارد و تعويض باتري هزينه‌بر و دشوار است. سنسورها عناصر كليدي در دستگاه‌هاي نظارت هوشمند هستند و تأمين انرژي آن‌ها در مكان‌هاي دورافتاده يك چالش مهندسي است. يكي از راه‌حل‌ها، دستگاه‌هاي برداشت انرژي است كه از منابع مختلف انرژي الكتريكي توليد مي‌كنند. با توجه به نياز جدي به انرژي الكتريكي براي حس‌گرهاي پايش وضعيت در قطارهاي باري، طراحي و ساخت رزوناتور براي نصب بر روي محور بوژي قطار بررسي شده است. ابتدا دستگاه‌هاي برداشت انرژي دوراني، ساختارهاي آگزتيك و مكانيسم‌هاي چندتعادلي بررسي مي‌شوند. سپس مدل‌سازي رزوناتور با ساختار آگزتيك در نرم‌افزار كامسول انجام و نتايج آن با آزمايش‌هاي عملي مقايسه مي‌گردد. المان‌هاي PZT ارزان‌قيمت هستند و دو بستر آگزتيك دايره‌اي براي بهبود عملكرد آن‌ها پيشنهاد شده است. نتايج مدل‌سازي و آزمايش‌ها نشان مي‌دهد كه برداشت‌كننده‌هاي انرژي با ساختار آگزتيك مي‌توانند توان الكتريكي خروجي المان‌هاي را تا 13٫3 و 10٫2 برابر افزايش دهند. اين مفهوم ساده و ارزان مي‌تواند سطح توان خروجي براي راه‌اندازي حسگرهاي پايش وضعيت در صنعت ريلي را افزايش دهد. ستاپ آزمايشگاهي براي تست رزوناتورهاي با ساختار آگزتيك شامل موتور، محور و ديسك ساخته مي‌شود تا عملكرد آن‌ها در فركانس چرخ قطار باري (6-8 هرتز) مورد بررسي قرار گيرد. بررسي‌ها نشان مي‌دهد كه رزوناتورهاي آگزتيك مي‌توانند كارايي دستگاه‌هاي برداشت انرژي دوراني را تا 3٫28 برابر افزايش دهند. با ايجاد پيش‌تنش در تير دوسرگيردار، يك مكانيسم دوتعادلي ايجاد مي‌شود و با ايجاد ساختار آگزتيك در دو سر تير و استفاده از المان‌هاي ، به افزايش توان خروجي و كارايي برداشت انرژي پرداخته مي‌شود. در ادامه، با افزايش تعداد رزوناتورها و ساخت مجموعه‌اي كامل براي برداشت انرژي، مي‌توان انرژي مورد نياز براي راه‌اندازي حسگرهاي پايش وضعيت را تأمين كرد. بهينه‌سازي پارامترهاي مختلف از جمله مدار الكتريكي و ساختار آگزتيك از طريق مدل‌سازي و آزمايش عملي انجام مي‌شود تا كارايي دستگاه افزايش يابد.

1403/08/12

Design of a broadband rotational energy harvesting system with an auxetic resonator for installation on the axel

1/1/1900 12:00:00 AM

In recent years, energy harvesting from natural sources such as vibrations, wind, and sound has gained significant importance in various industries, especially in railway transportation. This energy is crucial for powering sensors, as in many situations, there is no permanent power source available, and battery replacement is costly and challenging. Sensors are key elements in smart monitoring devices, and providing energy to them in remote locations poses an engineering challenge. One solution is energy harvesting devices that generate electrical energy from various sources. Given the critical need for electrical energy to power condition-monitoring sensors in freight trains, the design and construction of a resonator for installation on the axle of a train bogie have been investigated. First, rotational energy harvesters, auxetic structures, and bistable mechanisms are reviewed. Then, a resonator with an auxetic structure is modeled in COMSOL software, and the results are compared with experimental tests. PZT elements are inexpensive, and two circular auxetic layers are proposed to improve their performance. The modeling and experimental results show that energy harvesters with auxetic structures can increase the electrical output of the PZT elements by 13.3 and 10.2 times, respectively. This simple and cost-effective concept can significantly boost the power output required to run condition-monitoring sensors in the railway industry. A laboratory setup, including a motor, shaft, and disk, is created to test resonators with auxetic structures at the rotational frequency of a freight train wheel (6-8 Hz). The studies indicate that auxetic resonators can enhance the performance of rotational energy harvesters by up to 3.28 times. By introducing pre-stress into a clamped beam, a bistable mechanism is created, and by applying an auxetic structure to both ends of the beam and utilizing PZT elements, the output power and energy harvesting efficiency are increased. Furthermore, by increasing the number of resonators and constructing a complete energy harvesting system, the energy required to operate condition-monitoring sensors can be provided. Various parameters, including the electrical circuit and auxetic structure, are optimized through modeling and practical experiments to improve device efficiency.

آگزتيك , مكانيسم دو تعادلي

auxetic , bistable mechanism

Armin Moayedi

Dr Younesian