Çinli bilim adamları pistonu yeniden icat ettiler, sonuç MIT ve Harvard tarafından ortaklaşa tamamlandı | Özel
Bu, Pistons hakkındaki büyük haber. Detroit'teki "Bad Boys" lakaplı NBA takımı değil, hayatta ve endüstride her yerde bulunan, ancak nadiren dikkat çeken temel mekanik parçalar.
Massachusetts Institute of Technology (MIT) ve Harvard Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, geleneksel rijit piston tertibatının yerini alacak esnek malzemelerden yapılan zarda sıkıştırılabilir bir yapı kullanan mekanik bir cihaz kullanarak pistonların tasarımı için ortaklaşa yeni bir şema geliştirdi. Üretilen "gerilim pistonu", sürtünmeyi büyük ölçüde ortadan kaldırırken geleneksel pistonun üç katından fazla kuvvet üretebilir ve düşük basınç koşullarında enerji dönüşüm verimliliğini yaklaşık% 40 artırabilir. Bir gün, bu yeni tip piston motora uygulanabilir ve bu da otomobiller gibi araçların itici gücünü ve ekonomisini önemli ölçüde artırabilir.
Li Shuguang, "300 yıldan fazla bir geçmişe sahip pistonu yeniden icat ettik", bu başarının önemini bir cümleyle özetledi.
Bu araştırma geçtiğimiz günlerde Advanced Functional Materials dergisinde yayınlandı.Araştırma, MIT'de doktora sonrası araştırmacı olan Li Shuguang, Harvard Üniversitesi'nden Profesör Robert Wood ve MIT Bilgisayar Bilimi ve Yapay Zeka Laboratuvarı direktörü Daniela Ruth tarafından gerçekleştirildi. Rus) eş başkanlık yaptı.
"Crossover" da atılım
Piston kavramı ilk olarak 1690'da ortaya çıktı. Düdüklü tencereyi icat eden İngiliz fizikçi Denis Papin, düdüklü tencere üzerinde yapılan araştırmaya dayalı bir motor modeli inşa etti, yani iş yapmak için pistonu itmek için buhar kullanarak. Benzer bir piston cihazı, Çin'deki Ming Hanedanlığı'nın Chongzhen döneminde "Tiangong Kaiwu" ansiklopedisinde de anlatılmıştır.
Geleneksel piston, sert bir silindir ve hareketli bir pistondan oluşur Sıkı bir iç sızdırmazlık sağlamak için, pistonun silindirin iç duvarına doğru kayması gerekir. Bu nedenle, piston iki sıvıyla (su, yağ veya gaz olabilir) dolu iki boşluğa bölünür ve iki harici sıvı kaynağına bağlanır. Sıvı farklı basınçlara sahipse, piston daha düşük basınç yönünde kayar ve piston çubuğunun veya diğer cihazların hareketini sürdürebilir. Bu prensip, çeşitli pistonlu motorlar, hidrolik asansörler, elektrikli aletler, amortisörler ve vinçler dahil olmak üzere birçok makineyi tasarlamak için kullanılmıştır.
Bununla birlikte, geleneksel pistonun birkaç dezavantajı vardır: hareketli piston ile haznenin iç duvarı arasındaki yüksek sürtünme conta arızasına, sızıntıya ve kademeli veya ani arızalara neden olabilir. Hidrolik cihazlar kullanan bir kişi, pistonun yan taraflarının çoğunun yağ lekeleri ile kaplı olduğunu ve nispeten kirli olduğunu bulmalıdır.Bu, yağlama yağı veya sıvısının kaçınılmaz sızıntısıdır. Ek olarak, daha düşük basınç koşullarında, geleneksel pistonların enerji dönüştürme verimliliği ve başlangıç yanıt hızı genellikle sınırlıdır.
DeepTech ile yaptığı röportajda Li Shuguang, mekanik imalat konusunda bilimsel bir araştırma geçmişine sahip olduğunu ve daha önce çeşitli yeni konsept robotlar da dahil olmak üzere modüler robotlar alanına odaklandığını söyledi. Son yıllarda, yeni robotlar yapmak için "yumuşak" malzemeler kullanan robotik-yumuşak robotlar alanında sıcak bir araştırma yönü ortaya çıktı. Şu anda birçok malzeme uzmanı ve robotik uzmanı katılıyor.Neredeyse her yıl, en iyi dergilerde yumuşak robotlar ve esnek cihazlar hakkında iki veya üç makale yayınlanıyor.
Bu yılın başında, Li Shuguang, ilk yazar olarak Nature dergisinde "parçacık robotları" araştırması üzerine çığır açan bir kapak makale yayınladı (DeepTech ile ilgili rapor: bu Çinli genç adam, Nature dergisinin kapağına parçacık robotlarını koydu | İlk yazar Li Shuguang ile derinlemesine röportaj)
Esnek robotlar alanında Li Shuguang'ın araştırması, esnek malzemelerin (silikon, köpük veya tekstil vb.) Nasıl uygulanacağına veya robotların insanlarla daha güvenli bir şekilde etkileşime girebilmesi için robotların sahip olmadığı işlevlere ulaşmak için özel esnek kompozit malzemelerin nasıl hazırlanacağına odaklanıyor. Esnek robot araştırması alanında en kritik iki nokta, yeni sürücülerin ve sensörlerin tasarımıdır.
Esnek robotun sürücü araştırması, onu üretmek için hangi malzemenin kullanıldığı ve elektrikli, pnömatik veya hidrolik sürücünün seçilip seçilmeyeceği sorusunu içerir. Li Shuguang şu anda pnömatik alanına odaklanıyor ve "yapay kasları" çalıştırmak için basınçlı havanın nasıl kullanılacağını bulmaya çalışıyor.
Pistonu yeniden tasarlamak için esnek malzemelerin kullanımı Li Shuguang'ın önceki araştırma çalışmalarıyla uyumludur.Aktüatör olarak esnek malzemeler kullanmaya çalıştığında, pistonun geleneksel sert malzeme tasarımlarından daha iyi performans sergilediğini gördü. Sert olmaktan daha yumuşak mı? Bu çok ilginç bir keşif.
Bunu keşfettikten sonra, birçok kişi bunu doğal olarak mevcut endüstrilerde kullanılan hidrolik veya pnömatik pistonlar ve basınç silindirleriyle karşılaştıracaktır. Li Shuguang, herkesin meraklı sorularını duyduktan sonra, onun ruhuna bilimsel araştırma uzmanı olarak ilham verdi ve kendi başına denemeye karar verdi.
Önceden yapılmış esnek aktüatörü - "yapay kas" ı, tıpkı mevcut pnömatik veya hidrolik piston gibi sert bir silindire yerleştirdi ve ardından çeşitli performansları test etmek için silindire basınç uyguladı. Doğrulamanın ardından, esnek malzemelerle tasarlanan yeni piston yapısının gerçekten de geleneksel piston performansından çok daha güçlü olduğu bulundu.
Esnek malzemeler kullanan bu tür bir "gerilim" pistonu, 300 yıldan fazla geçmişe sahip geleneksel bir pistondan birkaç kat daha büyük bir itici güç oluşturabilir. Yeni "gerilim pistonu" silindire temas etmez ve sürtünme kaybı yoktur, bu nedenle düşük basınç koşullarında hızlı tepki verebilir ve enerji dönüştürme verimliliği geleneksel pistondan yaklaşık% 40 daha yüksek olabilir.
Şekil | a. Geleneksel piston (sol) ve esnek malzeme pistonunun (sağda) çalışma prensibi; b. Esnek malzeme pistonunun laboratuar prototipi; c ve d. Aynı tahrik havası basıncı altında, geleneksel piston (pnömatik) ve esnek malzeme pistonu Ezmenin karşılaştırılması (Ps'nin sağ tarafında çıplak gözle görülebilen mükemmel performans); e. Geleneksel bir pistonun (pnömatik-mavi) ve iki farklı esnek malzeme pistonunun (kırmızı ve sarı) çıkış gücünün karşılaştırılması (kaynak: Li Shuguang)
Esnek malzemelerle tasarlanan yeni pistonun mükemmel performansının nedeni, fizik alanında basınç ve basınç arasındaki ilişkinin sınırını kırması, yani geleneksel pistonun çıkış kuvvetinin, silindirin iç basıncının kesit alanı ile çarpımına eşit olmasıdır. Bu esnek malzemenin yapısal tasarımı, kapalı boşluktaki tahrik basıncını, doğrudan bağlı hareket mekanizmasına iletilen esnek malzemenin iç gerilimine dönüştürmektir. Bu yeni pistonda, esnek "deri" malzemesinin yüzey alanı, silindirin enine kesit alanından çok daha büyüktür.
Sıradan malzemelerin birleşiminden kaynaklanan sıra dışı tasarım
Malzemeler alanında yenilikçi bir tasarım duyduklarında, çoğu insanın ilk tepkisi büyük olasılıkla şu olacaktır: "Bu yeni şey pahalıdır, değil mi?" Çoğu laboratuvar araştırması sonucu uygulama alanına dönüştürülmeye çalışıyor. , Sektör tarafından reddedilen büyük ölçekli uygulamalarda yüksek maliyet, düşük maliyetli performans, zorluk gibi sorunlar olabilir.
Bu "yeniden tanımlanan" yeni piston, hazırlık sürecinde en son yeni malzemeleri kullanmaz, ancak çeşitli ortak malzemelerin bir kombinasyonu yoluyla tasarlanmıştır. Dolayısıyla malzeme maliyeti açısından geleneksel pistonlara göre önemli ölçüde artmayacaktır. Aynı zamanda kullanılan malzemelerin çoğu metal malzeme olmadığı için aynı kuvvet çıkış koşulları altında esnek malzemelerden yapılan yeni pistonun daha hafif olması gerekmektedir.
Şekil | Esnek malzemelerden yapılmış yeni piston için malzemeler ve bileşenler: # 1 pleksiglas silindir bloğu, # 2 TPU naylon kumaş, # 3 karbon çelik çubuk, # 4 doğrusal yatak, # 5 kablo bağı, # 6 iskelet levha, # 7 silindir kafası , # 8 sızdırmazlık kapağı, # 9 TPU teli, # 103D baskı yastığı, # 11 kauçuk tüp, # 12 sızdırmazlık bandı, # 13 silikon yapışkan, # 14 cıvata ve somun (kaynak: Li Shuguang)
Bileşen malzeme maliyeti daha düşük olmakla birlikte, esnek malzemeden yeni pistonun üretim süreci de basit ve anlaşılması kolaydır. Li Shuguang'ın bu araştırma için takip planı, daha büyük ölçekli bir üretim ve uygulama testi aşamasına alınırsa, mevcut endüstriyel üretim ekipmanının yeni pistonun üretim sürecini karşılayabileceğini düşündü.
Şekil | Esnek malzemeden yeni bir pistonun üretim süreci: Adım 1. Çerçeve ile naylon kumaşı birleştirin; Adım 2. Mil, çerçeve ve kabuğu birleştirin; Adım 3. Pistonu, silindiri ve kapağı birleştirin (Kaynak: Li Shuguang)
Laboratuvardaki dayanıklılık testinden uygulamanın güvenilirlik değerlendirmesine kadar
Malzeme ve imalat maliyetleri konularına ek olarak özellikle dikkat edilmesi gereken bir diğer husus, uygulama seviyesindeki güvenilirliğidir. Li Shuguang, bu yeni piston deneyini yapmadan önce kimsenin sonucun ne olduğunu bilmediğini söyledi.
Bu nedenle, performans testi iyi bir şekilde gerçekleştirildikten sonra, yeni pistonun laboratuvar prototipi üzerinde dayanıklılık testi yapılması doğaldır.
"Ayrıca nasıl olduğunu da görmek istiyorum, eğer kırılırsa bu deney bitecek." Li Shuguang, dayanıklılık testini yaparken aslında çok endişeliydi. Ancak nihai sonuç ona uzun bir rahatlama sağladı: Sabit yük koşullarında, yeni piston 19 saat boyunca sürekli olarak test edildi ve 10.000'den fazla kez ileri geri hareket ettirildi. Bu işlem sırasında, yeni pistonun laboratuvar prototipi çok kararlı bir performans gösterdi.
Şekil | Deneysel cihaz ve dayanıklılık döngüsü testinin sonuçları: a. Deneysel cihaz; b. Tekrarlanabilirlik testi; c. Dayanıklılık (Kaynak: Li Shuguang)
Elbette pistonların gerçek mühendislik uygulaması için dikkate alınması gereken konular daha kapsamlı ve kapsamlı olacaktır. Bu yeni tip esnek malzeme pistonu için halihazırda elde edilen performans testleri, laboratuvarın sızdırmazlık, mukavemet ve güvenlik açısından sınırlamaları dikkate alınarak laboratuvarın genel tasarımına ve çalışmasına dayanmaktadır. Li Shuguang'ın ekibi, gelecekte deneysel ölçeği mühendislik üretimi perspektifine genişletmeyi planlıyor.
Aynı zamanda laboratuar prototipinde ve yapıştırma yönteminde kullanılan malzemelerin kısıtlamaları nedeniyle şimdilik yüksek sıcaklık ve yüksek basınçlı ortamlarda kullanılamamaktadır. Li Shuguang, bu kusura yanıt olarak, bu sorunun da ekibinin bir sonraki aşamadaki araştırmasının odak noktalarından biri olduğunu söyledi.
Çünkü yeni tip pistonu motorda kullanmak istiyorsanız, araçların ve diğer araçların itici gücünün önemli ölçüde iyileştirilebilmesi için öncelikle pistonun yüksek sıcaklığa ve yüksek basınca dayanabilmesini ve daha uzun hizmet ömrüne sahip olmasını sağlamak gerekir.
Li Shuguang, "Bu sorunun çözümü zor olmamalı," güven dolu. "Yüksek sıcaklık ve basınca dayanabilecek uygun birçok esnek kompozit malzeme bulduk."
Daha büyük anlam, "piston" a yeni bir kavram vermektir
Gelecekte, esnek malzemelerin seçimini keşfetmenin yanı sıra, önceki laboratuvar prototipinin yapısal tasarımı tek yönlüdü ve uygulama etkisi krikolar gibi hidrolik cihazlara benzer ve pistonlar genellikle ileri geri hareketin ihtiyaçlarını karşılamalıdır.
Li Shuguang, "Bu bir mekanik yapı tasarımı meselesidir, çünkü deney aslında sadece fikirlerimden birini doğrulamak içindi ve daha büyük önem, yeni bir konsept önermek ve doğrulamaktır," dedi Li Shuguang, "Mekanik yapıların tasarımına çok güveniyoruz. Daha sonra, Yeni pistonun ileri geri hareketini veya hatta diğer hareket modlarını tamamlamasına izin vermek sorun değil. "
Şekil | Farklı iskelet yapılarıyla tasarlanmış yeni pistonlar: geleneksel hareket modu, tamamen "esnek" mod ve döndürülebilir hareket modu (Kaynak: Li Shuguang)
Li Shuguang, deneysel keşfin en önemli anlamının yeni bir "piston" kavramı vermek olduğunu söyledi. "Gelecekteki piston tasarımına daha ilginç ve zengin genişletme yönleri getiriyor. İskelet yapısı çeşitli farklı şekillerde tasarlanabilir; aynı zamanda, özel çıkış gücünün boyutu ve yönü gibi farklı gereksinimleri de karşılayabilir."
