Koncepcja uk³adu MR-STMD (Weber i Maœlanka, 2012) Badania

EMPA20120516
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanis³awa Staszica w Krakowie
Wydzia³ In¿ynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Automatyzacji Procesów
Nowy adaptacyjny dynamiczny t³umik drgañ
Udzia³ w opracowaniu i badaniach w ramach wspó³pracy z instytutem EMPA w Szwajcarii
Koncepcja uk³adu MR-STMD (Weber i Maœlanka, 2012)
Koncepcja uk³adu MR-STMD polega na:
Sterowanie sztywnoœci¹ przy u¿yciu t³umika
magnetoreologicznego (MR)
Dynamiczny t³umik drgañ (TMD) oraz adaptacyjny,
pó³aktywny dynamiczny t³umik drgañ (MR-STMD)
Modyfikacji uk³adu TMD - t³umik wiskotyczny zostaje
zast¹piony t³umikiem magnetoreologicznym.
.
f des = k des xd + Fc-des sgn( x d )
Wymagana si³a t³umika MR:
Zastosowaniu
takiego sterowania
t³umikiem
magnetoreologicznym aby t³umik ten realizowa³ si³ê
stanowi¹c¹ sumê si³y tarcia suchego oraz si³y
sprê¿ystoœci dodatniej lub ujemnej. Takie sterowanie
t³umikiem pozwala na adaptacyjne dostrojenie dzia³ania
uk³adu MR-STMD do aktualnej czêstotliwoœci drgañ
struktury chronionej.
si³a sprê¿ystoœci
B
B
A
si³a
si³a
C
C
Uk³ad TMD do³¹czony
do struktury chronionej
Uk³ad MR-STMD do³¹czony
do struktury chronionej
obszar si³
aktywnych
D
D
przemieszczenie wzglêdne t³umika
T³umik magnetoreologiczny (MR): sterowany t³umik
drgañ z ciecz¹ magnetoreologiczn¹
A
obszar si³
aktywnych
TMD: dynamiczny t³umik drgañ (Den Hartog, 1934)
MR-STMD: adaptacyjny, pó³aktywny dynamiczny t³umik
drgañ z t³umikiem magnetoreologicznym
si³a tarcia
prêdkoœæ wzglêdna t³umika
Wymagana si³a t³umika MR dla ruchu harmonicznego w przypadku
gdy si³a tarcia jest wiêksza od maksymalnej si³y sprê¿ystoœci
Badania laboratoryjne prototypu
Prototyp uk³adu MR-STMD do³¹czono do 20-metrowego
mostu laboratoryjnego w instytucie EMPA w Szwajcarii.
Badano drgania wymuszone mostu.
Wyniki pomiarów dla wybranych konfiguracji mostu
Prototyp MR-STMD oraz stanowisko badawcze
Cel badañ
obrotowy t³umik MR
Przebieg badañ
czujniki si³y t³umika MR
i przemieszczenia
Uk³ady MR-STMD oraz TMD zosta³y wstêpnie
dostrojone do pierwszej postaci drgañ giêtnych mostu o
znanej czêstotliwoœci.
masa ruchoma, 27 kg
zestaw sprê¿yn
wersja podstawowa
znormalizowana amplituda drgañ
znormalizowana amplituda drgañ
Analiza efektywnoœci t³umienia drgañ przy u¿yciu uk³adu
MR-STMD w porównaniu do efektywnoœci t³umienia
drgañ optymalnie dostrojonego uk³adu TMD w
warunkach niepewnoœci parametrów struktury
chronionej.
12
TMD
10
8
MR-STMD
6
4
f1
2
2.4 2.6 2.8
3
z redukcj¹ wspó³czynnika t³umienia o 30%
12
10
TMD
MR-STMD
8 2 algorytmy
sterowania
6
4
f1
2
3.2 3.4 3.6
2.4 2.6 2.8
czêstotliwoœæ wymuszenia (Hz)
Nastêpnie porównano dzia³anie uk³adów TMD oraz MRSTMD w warunkach zmiennoœci czêstotliwoœci drgañ
w³asnych mostu. Zmianê czêstotliwoœci drgañ w³asnych
realizowano zwiêkszaj¹c lub zmniejszaj¹c obci¹¿enie
mostu. Badania wykonano dla 13 konfiguracji mostu.
3
3.2 3.4 3.6
czêstotliwoœæ wymuszenia (Hz)
Znormalizowana amplituda drgañ w funkcji czêstotliwoœci
wymuszenia dla mostu o obci¹¿eniu nominalnym
wzbudnik drgañ
Potwierdzono wysok¹ efektywnoœæ t³umienia drgañ za
pomoc¹ uk³adu MR-STMD. W przypadku zwiêkszenia
lub zmniejszenia czêstotliwoœci rozpatrywanej postaci
drgañ o ok. 10% obserwowana poprawa efektywnoœci
t³umienia drgañ w stosunku do TMD wynosi 50%.
obci¹¿enie dodatkowe
obci¹¿enie nominalne
MR-STMD
wersja podstawowa
znormalizowana amplituda drgañ
znormalizowana amplituda drgañ
Prototyp MR-STMD
Rezultaty badañ
40
TMD
30
MR-STMD
2 algorytmy
sterowania
20
10
f1
2.4
Badania prowadzono w instytucie EMPA w Szwajcarii
(Swiss Federal Laboratories for Materials Science and
Technology). Wykonawcy: dr Felix Weber (EMPA), dr in¿.
Marcin Maœlanka (AGH).
23%
2.6
2.8
3
z redukcj¹ wspó³czynnika t³umienia o 30%
40
TMD
30 MR-STMD
2 algorytmy
sterowania
20
10
3.2
f1
2.4
czêstotliwoœæ wymuszenia (Hz)
uk³ad pomiarowo-steruj¹cy
51%
2.6
2.8
3
3.2
czêstotliwoœæ wymuszenia (Hz)
Znormalizowana amplituda drgañ w funkcji czêstotliwoœci
wymuszenia dla mostu o obci¹¿eniu zwiêkszonym
Most laboratoryjny w EMPA z do³¹czonym prototypem MR-STMD
Zastosowanie praktyczne w uk³adzie redukcji drgañ mostu
Badania t³umików MR oraz uk³adów MR-STMD
dla mostu wo³gogradzkiego
natê¿enie pr¹du (A)
Przypadek I: czêstotliwoœæ drgañ mniejsza o 20% od czêstotliwoœci nominalnej MR-STMD
4
4
k des < 0
3
2
2
0
1
-2 rezultat:
sztywnoϾ MR-STMD
0
zostaje zmniejszona
-4
si³a (kN)
obrotowy t³umik MR
Sterowanie si³¹ t³umików MR w uk³adzie MR-STMD
czujnik si³y t³umika
Drgania mostu wo³gogradzkiego, maj 2010 r.
-100
kadr z filmu, Ÿród³o: YouTube
czujnik przemieszczenia
Wysok¹ dok³adnoœæ sterowania si³¹ t³umików MR
uzyskano dziêki wykorzystaniu odwrotnego modelu
t³umika MR oraz kompensuj¹cego sprzê¿enia
zwrotnego od si³y t³umika. Do sterowania t³umikami MR
zastosowano wysokiej klasy sterowniki programowalne.
0
50
-1
100
33
34
przemieszczenie wzglêdne (mm)
si³ownik hydrauliczny
Badania t³umików MR
-50
36
37
38
Przypadek II: czêstotliwoœæ drgañ równa czêstotliwoœci nominalnej MR-STMD
4
4
k des = 0
Badania t³umików MR
si³a (kN)
2
Przeprowadzono obszerne testy ka¿dego z 12 t³umików
MR dla mostu. Rozpatrywano ró¿ne czêstotliwoœci i
amplitudy drgañ, które mog¹ wyst¹piæ na moœcie.
0
-2
wartoϾ wymagana
wartoϾ rzeczywista
-4
-100
-50
0
50
3
2
1
0
-1
100
33
34
przemieszczenie wzglêdne (mm)
35
36
37
38
czas (s)
si³ownik hydrauliczny
Badania kompletnych uk³adów MR-STMD
Badania koñcowe przeprowadzono na Uniwersytecie
Bundeswehry w Monachium. Pojedynczy uk³ad MRSTMD sk³ada siê z masy 5200 kg, zestawu sprê¿yn oraz
obrotowego t³umika MR.
Przypadek III: czêstotliwoœæ drgañ wiêksza o 27% od czêstotliwoœci nominalnej MR-STMD
4
k des > 0
si³a (kN)
2
Instalacja na moœcie
masa ruchoma
MR-STMD, 5200 kg
Celem instalacji jest t³umienie trzech postaci drgañ
giêtnych mostu o czêstotliwoœciach nominalnych 0.45,
0.57 oraz 0.68 Hz przy za³o¿eniu, ¿e czêstotliwoœci te
mog¹ ulegaæ zmianom w czasie o maksymalnie 20%.
0
-2
rezultat:
sztywnoϾ MR-STMD
zostaje zwiêkszona
-4
zestaw sprê¿yn
uk³adu MR-STMD
-100
-50
0
50
100
przemieszczenie wzglêdne (mm)
Badania drgañ wymuszonych uk³adu MR-STMD poprzedzaj¹ce
instalacjê na moœcie (Uniwersytet Bundeswehry, Monachium)
Publikacje
Kontakt
Weber F., Maœlanka M. (2012) Frequency and damping adaptation of a TMD with controlled MR damper.
Smart Materials and Structures, 21(5), 055011 (17 pp).
Dr Felix Weber
EMPA, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and
Technology, Section Structural Engineering,
[email protected]
Weber F., Maœlanka M. (2011) Adaptive TMD concept based on controlled stiffness and energy dissipation
emulated by MR damper. Proc. 5th ECCOMAS Thematic Conf. on Smart Structures and Materials
SMART'11 (Saarbrücken, July 6-8, 2011), 379–386, on CD.
3
2
1
0
-1
33
34
35
36
37
38
czas (s)
Wyniki pomiarów si³y oraz natê¿enia pr¹du t³umika MR dla MR-STMD
z sekcji pierwszej dostrojonego wstêpnie do czêstotliwoœci 0.45 Hz
Wiêcej informacji
Weber F., Boston C., Maœlanka M. (2011) An adaptive tuned mass damper based on the emulation of
positive and negative stiffness with an MR damper. Smart Materials and Structures, 20(1), 015012 (11 pp).
natê¿enie pr¹du (A)
4
obrotowy t³umik MR
Zastosowane rozwi¹zanie obejmuje 12 uk³adów MRSTMD rozmieszczonych w trzech sekcjach po 4 uk³ady.
35
czas (s)
natê¿enie pr¹du (A)
Koncepcjê MR-STMD wed³ug (Weber i Maœlanka, 2012)
zastosowano do t³umienia drgañ mostu wo³gogradzkiego w
Rosji. Instalacjê przeprowadzi³a niemiecka firma Maurer
Söhne przy wspó³pracy z autorami koncepcji MR-STMD.
Dr in¿. Marcin Maœlanka
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanis³awa Staszica w
Krakowie, Wydzia³ In¿ynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra
Automatyzacji Procesów, [email protected]
Dipl. Ing. Johann Distl
Maurer Söhne GmbH & Co. KG, Munich