Adaptive balancing system for low speed rotating systems
Düşük devirde dönen sistemler için ayarlanabilir dengeleme sistemi
- Tez No: 633599
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ATAKAN ALTINKAYNAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Konstrüksiyon Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Konstrüksiyon Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Şaftlar üzerinde şaftın dönme merkezine belli bir uzaklıkta bulunan fazla ağırlıklar sistemin çalışmasında bazı problemler oluştururlar. Dengelenmemiş bu ağırlıklar şaft üzerine ilave olarak istenmeyen momentler yüklerler. Gelen bu ekstra momentler şaftın pozisyon kontrolünü zorlaştırır. Diğer bir yandan Bu momentler şaftın elektrik motoru tarafından döndürülmesini güçleştirir. Ayrıca bu ekstra momentler fazladan güç tüketimine sebep olur. Diğer bir yandan şaftın pozisyon kontrolünü de zorlaştırır. Ek olarak şaftı sürmek için gerekli moment yükseldikçe elektrik motoru direkt olarak kullanılamaz. Elektrik motoruna ek olarak bazı aktarma organları kullanılmalıdır. örneğin dişli sistemleri, kayış sistemleri bu aktarma organlarına söylenebilir. Fakat ekstra olarak eklenen aktarma oranları sistem içerisindeki parça sayısını artırır. Artan parça sayısıyla birlikte sistemdeki tolerans birikimi artar ve nihai sistemin boşlukların toplamı da artmış olur. Sistem üzerindeki bu boşluklu yapının artmasıyla birlikte sistemin tekrarlanabilirliği düşmektedir. Bu yüzden şaftın ağırlık merkezini dönme eksenine getirebilmek için şaft üzerine geleneksel olarak balans ağırlıkları yerleştirilir. Böylece gerekli elektrik motoru gücü azaltılmış olur. Eğer şafttaki dengelenmemiş ağırlık ya da bu ağırlığın dönme eksenine olan mesafesi fazlaysa sisteme çok fazla dengeleme ağırlığı takılması gerekir. Bu şafta bütün bir sistem olarak bakacak olursak, sistem eklenen balans ağırlıklarıyla birlikte hantal bir yapıya bürünür. Ayrıca eklenen dengeleme ağırlıkları doğru pozisyonlanamazsa sistem dönerken yalpalama probleminin ortaya çıkmasına sebep olur. Diğer bir yandan şaftın bir kaç farklı parçadan oluştuğunu düşünürsek eklenen balans ağırlıklarıyla birlikte şaftın yapısı ve dinamikleri oldukça bozulmaktadır. Şaft artı ve eksi yönlerde hareket ettirildiğinde yüksek hassasiyet beklendiğinde sistem gerekli cevabı verememektedir. Bu yüzden bu çalışma içerisinde şaftı dengeleyebilmek adına sisteme bazı yaylar ve lineer aktüatörler eklenmiştir. Böylece sistemin dengelenmesi amaçlanmıştır. Bu yapıyla birlikte sistemin hantallığının atılması sağlanmış olup, şaft üzerindeki dönme ekseninden kaçık şekilde bulunan ağırlıkların değişmesi ya da bu ağırlıklarının dönme ekseninden uzaklıkları değişmesi durumunda da sisteme yeni bir dengeleme ağırlığı eklemek yerine yayların bağlantı noktalarının değiştirilmesiyle sistemi dengelemek hedeflenmiştir. Bu yöntemle sistem dengeleniyorsa bazı sistem karakteristikleri önem kazanmaktadır. Sistemde dengeleme işlemi yapılırken yay kullanılacaksa sistemin çalışma hızı dikkate alınmalıdır. Aksi halde yay rezonansa girerek dengeleme görevini yerine getiremeyip şaft üzerindeki dengeyi daha da artırarak bozabilir. Literatür incelendiğinde yaylar bazı sistemlerde denge ağırlıkları yerine kullanılmıştır. Lakin bu yaylar genel olarak şaft dengelemek yerine farklı açılar ve pozisyonlarda uzanan yapıları dengelemek amaçlı kullanılmıştır. Bunlara örnek verilecek olunursa, robot kollar, bazı teleskoplar ve bazı masa üstü lambalar gösterilebilir. Bu tarz sistemlerde genel olarak bir çalışma aralığı olduğu için bu çalışma sınır pozisyonları ve dereceleri hedeflenerek dengeleme sistemi geliştirilmiştir. Bu çalışmada sistemin 360 derece için yaylar yardımıyla dengelenmesi hedeflenmiştir. Ek olarak bu tasarımlarla birlikte salıncak yapısında olan ve üzerine test ekipmanları takılan şaftlar temel alınmıştır. Bu şaftlar çok hassas kontrol edilebilecek şekilde tasarlanmıştır, öyle ki pozisyon kontrolleri binde bir derecelere kadar düşmektedir. Ekstra ağırlıkların eklenmesi sistemin yapısını bozmaktadır ve sistemin yalpalama göstermesine sebep olmaktadır. Şaftın üzerindeki ağırlık değiştiği için pratik bir çözüm olarak yaylar yardımıyla dengelenmesi hedeflenmiştir. Bunun için sistem matematiksel olarak çözülmüş, sonrasında modellenmiştir. Sistem gerekliliklere göre kullanılmak üzere iki farklı konsept üzerinde çalışılmıştır. \.{I}lk tasarımda sistemde sadece yay kullanılarak sistem dengelenmeye çalışılmıştır. \.{I}kinci tasarımdaysa sistemdeki yaya ek olarak lineer aktüatör sistemi daha düzgün dengeleyebilmek için eklenmiştir. Lineer aktüatör sistemdeki dengelemeyi daha başarılı kılarken bazı eksilerle birlikte sisteme gelmiştir. örneğin lineer aktüatörün sınırları buraya eklenebilir. Burada lineer aktüatör sınırlarından bahsedilirken lineer aktüatörün çalışma hızı ve bu aktüatörün üretebildiği kuvvet esas alınmıştır. Her iki konsept için de sistemin çalışma hızı ekstra önem arz etmektedir. Zira sistemlerde dengeleme kuvvetleri yay yardımıyla gerçekleştirilmektedir. Bu yayların çalışma doğrultusunu etkileyebilecek bir rezonans yaşanırsa sistemin dengeleme performansı düşecektir. Bu noktada sistemin genel olarak modal analizinin de sağlanmış olması ve sistemin çalışma hızında rezonansa girmeyecek şekilde bir tasarımın yapılması gerekmektedir. Bu tasarımların hiç dengelenmemiş sistemle karşılaştırılabilmesi için sistemlerin matematiksel çözümleri Matlab ortamında uygulanarak sistemlerin tepkileri gözlemlenmiş ve bununla birlikte uygun yay sabiti, boyu ve pozisyonu belirlenmiştir. Sonrasında tasarımlar arasında gerekli karşılaştırmalar yapılmıştır. Bu hesaplamaları daha da gerçekçi bir hale getirebilmek amacıyla tasarlanan sistemler Adams View ortamında da analiz edilmiştir. Yapılan bu analizlerin sonuçları karşılaştırılarak yapılan tasarımların artı ve eksi yönleri belirtilmiştir. Yapılan analizler sonucunda sistemin sadece yay ile dengelendiğinde sistemde oluşan momentin 360 derece için en az iki kata kadar azaldığı gözlemlenmiştir. Ayrıca yay ve lineer aktüatörün birlikte çalışmasıyla sistemin daha düzgün bir şekilde dengelenebildiği gözlemlenmiştir. Matematiksel olarak lineer aktüatör ve yayla yapılan tasarımın sistemi tamamen dengelediği gözlemlense de atalet etkileri analiz içerisine dahil edildiğinde sistemin her pozisyonda tamamen dengelenemediği ancak sistemde dengesizlikten oluşan momentin en az dört kata kadar düştüğü gözlemlenmiştir. Ek olarak sistemi sürmek için kullanılan elektrik motor gücünün de dengelenmeyle birlikte düştüğü gözlemlenmiştir. Burada ayrıca lineer aktüatör kullanıldığında lineer aktüatörün de enerji tüketeceği ve sistemin sadece yay yardımıyla dengelenmesinden daha fazla enerji tüketeceği unutulmamalıdır. Ayrıca dengeleme yapılırken lineer aktüatörün sistemin hızına yetişmesi beklenmektedir. Lineer aktüatörün sistemin hızına yetişememesi sonucunda sistemi dengelemek yerine var olan durumu daha da kötüye sürükleyebileceği unutulmamalıdır. Diğer bir yandan lineer aktüatörün gerekli kuvveti üretebiliyor olması beklenmektedir. Eğer bu kuvvet lineer aktüatör tarafından üretilemiyorsa yine sisteme eklenmesinin faydası olmayacaktır. Hangi konseptin kullanılacağını sistemin gereklilikleri belirlemektedir. Eğer sadece güçten tasarruf edilip sistemi çevirecek motorun uygunluğu göz önüne alınır ve sistemi hantal bir yapıya büründürmeden dengelemek hedeflenirse, sadece yayın kullanıldığı tasarım sisteme uygulanabilir. Eğer bu durumdaki sistem yeterli dengelemeyi sağlayamıyorsa bu noktada lineer aktüatör de sisteme eklenerek dengeleme uygulaması yapılabilir. Böylece ekstra olarak ağırlıklar sisteme eklenmeden sistem dengelenmesi sağlanmış olur.
Özet (Çeviri)
Extra weights, which is not placed on the rotation axis of shafts, create various of problems. In the meantime, unbalanced weights cause additional unwanted moments on systems. Those moments make difficulties on electrical motor against rotating shaft properly. Furthermore, additional moments cause excessive power consumption. On the other hand, shaft position control is getting harder with extra moment on the system. Moreover, when the required moment is increased, the electrical motor can not be utilized directly on the system. Additional power trains, such as gear, belt systems have to be added to the system to create enough moment by electrical motor. These added power trains come up with a bulky system. Furthermore, as the power transmission path is getting longer and longer, the precise of the system is getting lower and lower. Hence, the center of mass of the shaft is tried to be set on the rotation axis of the shaft with the help of counter weights. Traditionally adding counter weights is the common way to balance the shaft. If the shaft and counter balance weights are considered as a system, the system gets bulky with added extra counter weights. On the other hand, when the shaft consists of more than one pieces, the added counter weights ruin the shaft dynamics and constructions. When the shaft is firstly rotated in clockwise direction, then secondly rotated in counter clockwise direction, the system cannot respond in required sensitivity with counter weights because of the wobble problem. When the rotation axis and the principal inertia axis are different, the wobble problem occurs. Therefore, in this thesis work, the system is tried to be balanced with springs and a linear actuator. The system is tried to be minimized with ejected counter balance weights. On the other hand, when the shaft dynamics are changed by changing mass on the shaft or by changing the position of mass, the required balance moment is also changed. Therefore, if the system is tried to be balanced with counter weights, the counter weights quantity and position have to be changed accordingly. However, if the system is balanced with springs, the acting force on the shaft by the spring can be altered much more easily. The connection point of the spring can be changed to control the spring force. Nonetheless, system working speed have to be considered for proper working of the balanced system when the springs are utilized. Otherwise, the spring could be affected by the resonance and the spring could even increase the unbalance moment on the system. The springs are used to balance system in the literature. However, these springs are generally utilized for balancing extending structures, such as robot arms, telescopes and table lamps. In these systems, generally, there is a limited working range. Therefore, spring balanced systems are utilized for the specific working range. This work tries to balance the system for 360 degrees with the help of a spring. Hence, the system is solved mathematically then the system is modelled on ADAMS View interface. Two different balancing systems are designed for meeting the system requirements. In the first design, only the spring is used for balancing the system. Thereafter, a linear actuator is added on the balancing system in second design. The balancing system with a linear actuator is better than the first one because of the balancing capability. On the other hand, adding a linear actuator causes some problems on the balancing system. To compare the balancing system with an unbalanced system, the mathematical solutions of system are modelled on MATLAB. Following the mathematical solutions, the system reactions are investigated. Also proper spring stiffness, length and its position are determined. To validate these calculations, an unbalanced system and two balancing designs are analyzed on ADAMS view interface. Afterward these analysis solutions are compared to determine pros and cons of the designed systems. After running the analysis on adams program, it can be easily seen that the required moment to drive the system can be decreased twice for 360 degrees operation. On the other hand, the system can be balanced much more better with the help of a linear actuator and springs. It can be seen the system is balanced completely on mathematical analysis with the help of a linear actuator and a spring. However, when the inertial effects of the system are included in the analysis, the system can not be balanced completely for every angular position of the system. However, it is shown that the required electrical motor power is decreased quadruple, when the balanced system compared with the unbalanced one. Moreover, it should also be remembered that the linear actuator is also utilized the electrical energy which means that the system uses more energy than the system which is only balanced with a spring.
Benzer Tezler
- Novel interference and spectrum aware routing techniques for cognitive radio ad hoc networks
Tasarsız bilişsel radyo ağları için girişim ve spektruma dayalı özgün yönlendirme teknikleri
AHMET ÇAĞATAY TALAY
Doktora
İngilizce
2011
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DENİZ TURGAY ALTILAR
- Dikgen olmayan çoklu erişim tabanlı 5G ve ötesi haberleşme sistemlerinin başarım analizi
Performance analysis of non-orthogonal multiple access-based 5G and beyond communication systems
İNCİ UMAKOĞLU
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKütahya Dumlupınar ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA NAMDAR
DR. ÖĞR. ÜYESİ ARİF BAŞGÜMÜŞ
- Design and implementation of a multilevel converter based battery energy storage system
Çok seviyeli dönüştürücü tabanlı batarya enerji depolama sisteminin tasarımı ve uygulanması
FATİH EROĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET METE VURAL
- Robotların bilinmeyen cisimlerin tutulabilirliğini içsel motivasyon desteği ile öğrenmesi
Learning graspability of unknown objects via intrinsic motivation
ERÇİN TEMEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SANEM SARIEL
- Klasik ve alternatif titreşim yutucuların incelenmesi
Investigating the classical and alternative vibration absorbers
RIDVAN DOĞRU
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK