Combining Gas Bearing and Smart Material Technologies for Improved Machine Performance Theory and Experiment

摘要

Ifølge industriens ledere står verden på dørtærsklen til den fjerde industrielle revolution, hvor "Internet of Things" og "cyber-physical systems" vil være centrale elementer. Hvor den forrige industrielle revolution var centreret omkring elektronik, IT og automatiseret produktion på maskinniveau, vil "Industry 4.0" resultere i en stærkere interaktion mellem alle disse teknologiske fremskridt, fra fabriksniveau helt ned til maskinelement-niveau. Dette kan eksemplificeres ved dets indvirkning på maskinvedligeholdelsen. I dag undgås uhensigtsmæssige produktionsstop ved at planlægge vedligeholdelse efter princippet om "det svageste led", det vil sige at den korteste levetid dikterer vedligeholdelsescyklussen. I fremtiden vil individuelle maskinelementer ikke kun nøjes med at sende informationer om deres tilstand, men de vil også kunne kompensere for slid eller i samspil med andre maskinelementer kunne tilpasse sig selvstændigt til en ændret driftssituation. Dette nødvendiggør mekatroniske maskinelementer, som igennem en kombination af traditionelle maskinelementer, sensorer, aktuatorer, elektronik og computeralgoritmer udgør intelligente maskinelementer, som for eksempel det piezoelektriske folieluftleje (PAFB).En mulighed for understøtning af en rotor som roterer med høj hastighed er bølge-folieluftlejer (AFB). Et AFB benytter det aerodynamiske lufttryk som dannes på grund af den relative hastighedsforskel mellem rotoren og lejeoverfladen. I et AFB er lejeoverfladen fleksibel og opbygget af en tynd topfolie og en bølgefolie, der er placeret mellem topfolien og lejehuset. Et PAFB kombinerer det passive AFB med piezoelektriske materialer inkorporeret i lejets topfolie. Dette skaber en sammenhæng imellem det mekaniske domæne i det traditionelle maskinelement og det elektroniske domæne, hvilket i sidste ende er en computer. Afhandlingen omhandler udviklingen af et PAFB, og har tre primære bidrag: design af en fleksibel testopstilling; udvikling af en "state-of-the-art" matematisk model af PAFB’er og AFB’er; og præsentation af numeriske resultater som bidraget til forståelsen af den statiske og dynamiske ydeevne af både AFB’er og PAFB’er. Formålet med testopstillingen er at foretage eksperimentelle studier af et PAFB og dettes delsystemer. Dette muliggør eksperimentel validering af den matematiske model samt indsamling af yderligere viden omkring et PAFB’s statiske og dynamiske ydeevne. Den matematiske model, som er baseret på finite element metoden (FEM), er en kombination af en model af et AFB og en model af det piezoelektriske materiale og dettes konstitutive ligninger. Modellen inkluderer en stiv rotor, luftfilm, piezoelektrisk topfolie (PTF), bølgefolie og elektriske kredsløb. Modellen tager højde for de ikke-lineære effekter fra det aerodynamiske tryk, samtidig med at den tillader at topfolien og bølgefolien ikke er i mekanisk kontakt. Numeriske resultater beregnet med en PTF sub-model stemmer overens med eksperimentelle målinger, ligesom simuleringer af et passivt PAFB stemmer overens med resultater fra en ikke-lineær model af et AFB som er beskrevet i litteraturen.En numerisk undersøgelse viser at de subharmoniske vibrationer i et AFB, som skyldes en stor masseubalance, kan elimineres, når bølgefolien kun delvist understøtter topfolien. Dette sker på grund af "shallow pocket" effekten. De aerodynamiske kræfter afhænger i høj grad af PTF deformationer, der skabes af det piezoelektriske materiale, som følge af forskellen mellem de elektriske potentialer (EPD) på elektroderne. Det er muligt at øge de aerodynamiske kræfter og dermed lejets bæreevne med en faktor to. De kommende tiltag i udviklingen af et PAFB er design af "feedback" regulering samt eksperimentel validering af et fuldt regulerbart PAFB ved hjælp af den konstruerede testopstilling og den matematiske model udledt i denne afhandling.