الهندسةالهندسة الكهربائية

نموذج موثوقية المحركات الكهربائية الدقيقة الخاضعة للتدهور

تحليل نموذج موثوقية المحركات الكهربائية الدقيقة الخاضعة للتدهور

 

تم تطبيق (MEMS) بشكل فعال على العديد من أنظمة الميكاترونيك الذكية، مثل المركبات وأجهزة الاستشعار، وقد تمت دراسة موثوقيتها على نطاق واسع، لذلك قام العديد من الباحثين في مختبرات سانديا الوطنية بالتحقيق في أنماط فشل نظام كهروميكانيكية صغرى (MEMS) من خلال إجراء اختبارات الموثوقية، حيث أن جهاز (MEMS) المستخدم في اختبار الموثوقية هو المحرك الصغير الذي يعمل بالكهرباء الساكنة (أي المحرك الصغير).

 

كما يتكون المحرك الصغير من عدة مشغلات محرك مشط خطي متعامد متصلة بمعدات دوارة ميكانيكياً كما هو موضح في الشكل التالي (1)، وذلك من خلال تطبيق الفولتية، بحيث يتم تحويل الإزاحة الخطية لمحركات الأقراص إلى حركة دائرية للتروس عبر وصلة دبوس، بحيث يدور الترس حول محور مثبت على الركيزة.

 

 

بناءً على التجارب التي أجريت على البنية التحتية لاختبار الموثوقية؛ فإن آلية الفشل السائدة هي تآكل مرئي على أسطح الاحتكاك، مما يؤدي غالباًَ إما إلى كسر مفاصل الدبوس أو الاستيلاء على المحرك الصغير، يؤدي التآكل إلى تدهور أداء (MEMS)، وسيفقد المحرك الصغير وظيفته المقصودة (أي الفشل الناعم) عندما يتجاوز حجم التآكل قيمة العتبة.

 

لا يتعرض المحرك الصغير للتآكل فحسب؛ بل يتعرض أيضاً لصدمات عشوائية، حيث أن إجراء تحليل موثوقية لمحرك صغير في بيئات الصدمة، بحيث سوف تتسبب الصدمات العشوائية في تآكل الحطام، مما يؤدي إلى تسريع التآكل على الأسطح المحاكة والمساهمة في الانهيار الناعم.

 

علاوة على ذلك، قد يحدث اختلال في محاذاة المجاري وقد تؤدي الصدمة الكبيرة بدرجة كافية إلى حدوث كسر في الزنبرك (أي فشل شديد)، لذلك سيكونون عرضة للإخفاقات الناعمة والخطيرة المتنافسة، كما ويمكن لأي منهم أن يؤدي إلى فشل النظام الكهربائي، بالإضافة إلى ذلك، كما يعتمد هذان الفشلان على الاعتماد على الصدمات العشوائية، كما ويمكن الإشارة إليهما على أنهما عمليات فشل متنافسة (DCFPs).

 

وصف عمليات فشل المحرك الكهربائي الصغير

 

في هذا البحث، تم القيام بتطوير نموذج موثوقية للمحرك الصغير في نظام (MEMS) المطور في مختبرات سانديا الوطنية، حيث أن المحرك الصغير عرضة للتدهور والصدمات العشوائية في وقت واحد، وذلك استناداًَ إلى اختبار الموثوقية للمحرك الصغير عند مستويات مختلفة من الصدمات، بحيث لا يُظهر المحرك الصغير أي ضرر ويعمل بسلاسة بعد اختبار المستوى المنخفض لأحمال الصدمات، كما يمكن أن تتسبب الصدمات ذات الحجم الأكبر من عتبة معينة في حدوث حطام تآكل إضافي على الأسطح المحاكة.

 

وذلك بالإضافة إلى أنها يمكن أن تؤدي إلى عدم محاذاة الزنبرك، كما وستؤدي صدمة كبيرة إلى كسر في الزنبرك كما هو مبين في الشكل التالي (2)، وعلى غرار الدراسات؛ فإنه يمكن تقسيم الصدمات العشوائية إلى مناطق أمان وأضرار ومناطق قاتلة وفقاً لحجمها، بحيث تنتمي الصدمة إلى مناطق الأمان والضرر والمميتة عندما يكون حجمها (W) أقل من عتبة منطقة الأمان (DS)، وبين (DS) وعتبة المنطقة المميتة (أي عتبة الفشل الشديد) (DF) وأكبر من (DF) على التوالي.

 

 

 

كما إن إخفاقات المحرك الصغير هي بشكل أساسي نتيجة عمليات التنافس الناعم والفشل الصعب، لذلك سيحدث فشل ناعم عندما يكون الحجم الإجمالي للتآكل [XS (t)ٍ]، والذي يتكون من التآكل المستمر وفضلات التآكل الإضافية (Y) الناتجة عن صدمات التلف، كما يتجاوز القيمة الحدية (H)، بحيث سيحدث الفشل الشديد على الفور عند وصول الصدمات القاتلة، كما يعتمد الفشل الناعم والخطير على أنهما مرتبطان بالصدمات العشوائية، وبعد ذلك، يختبر المحرك الصغير برامج (DCFP).

 

وفي العديد من الدراسات، تصل الصدمات العشوائية وفقاً “لعملية بواسون” بكثافة [λ (t)]، كما ويمكن تصنيف صدمات الوصول إلى واحدة من المناطق الثلاث بناءً على حجمها، ووفقاً لتحلل عملية بواسون؛ فإن وصول الصدمات في منطقة الأمان ومنطقة الضرر والمناطق المميتة يتبع أيضاً عملية بواسون بمعدل [λ (t)] [P1 و λ (t) P2 و λ (t) P3] على التوالي، وذلك استناداً إلى (DS) و (DF)، بحيث يمكن حساب (P1 ،P2 P3) من خلال توزيع (Wi) وهو (i.i.d.) متغير عشوائي.

 

وفي الواقع، يتعرض المحرك الصغير لصدمات ضرر تعتمد على الصدمات وصدمات قاتلة، بحيث يمكن لصدمات التلف أن تغير هيكل الزنبرك وتقلل من قوته (أي عتبة الانهيار الصلب DF)، ومن ثم تجعل المجاري تتكسر بسهولة بسبب الصدمة، وفي هذا البحث تعتبر الحالة على أنها تبعية بين تصنيفات الصدمات التلفية والصدمات القاتلة. بعد أن ينجو المحرك الصغير من صدمات التلف، بحيث سينخفض (​​DF) في حين أن عتبة منطقة الأمان (DS) لن تتغير.

 

وبالتالي؛ ستنخفض (P2) إلى (P2 ، i ، P3) إلى (P3 ، i) عندما يتحمل النظام صدمات التلف، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (3)، وعندما يقاوم المحرك الكهربائي الصغير صدمة التلف عند (t1 و t3)، ينخفض (​​DF) عند (t1 و t3)، ثم ينخفض (​​P2) إلى (P2،1 و P2،2) على التوالي، كما ويزيد (P3) إلى (P3،1 و P3،2) على التوالي.

 

كما يمكن لصدمات الضرر عند الوصول أن تسهل حدوث الصدمات القاتلة بينما يمكن أن تعيق حدوث الصدمات التالفة، لذلك يمكن اعتبار الاعتماد بطريقة إحصائية أن شدة الصدمات القاتلة وشدة صدمات الضرر تعتمد على عدد صدمات الضرر الوافدة.

 

 

وأخيراً تقترح هذه الدراسة نموذج موثوقية لمحرك صغير خاضع للتدهور الطبيعي والصدمات حسب المناطق، وفي هذا البحث تحديداً، تمت دراسة الاعتماد بين صدمات التلف والصدمات القاتلة أولاً للنظر في حقيقة أن صدمة الضرر تقلل من عتبة الفشل الصعب ومن ثم ستتجاوز أحمال الصدمات قوة النظام بسهولة أكبر.

 

كما تم تطوير نموذج صدمات مخصصة حسب المناطق، حيث تم تقديم نموذج إعاقة لأول مرة لوصف صدمات الضرر التي أعاقتها بنفسها والتي وصلت سابقاً، كما ويتم استخدام عملية “كوكس” لنمذجة الصدمات القاتلة التي تعتمد شدتها على عدد صدمات الضرر التي تم الوصول إليها، وبعد ذلك يتم اشتقاق وظيفة الموثوقية التحليلية للمحرك الصغير، وقد يتم تقييم الموثوقية بشكل أكثر دقة.

 

كما تظهر النتائج وتحليل الحساسية أن الاعتماد بين صدمات التلف والصدمات القاتلة يؤدي إلى المزيد من الإخفاقات الجسيمة ثم يؤدي إلى انخفاض موثوقية النظام، وذلك من أجل التحقيق في المستقبل، بحيث سنقوم بتوسيع نموذج الصدمة المخصصة للمنطقة التابعة مع اعتماد أكثر تعقيداً حيث لا يمكن لصدمات الضرر فحسب؛ بل أيضاً التدهور أن يقلل من عتبة الفشل الشديد بالإضافة إلى ذلك، كما أنه يمكن تضمين الصيانة في هذا النموذج لتعزيز موثوقية النظام الكهربائي.

المصدر
W. Kuehnel and S. Sherman, "A surface micromachined silicon accelerometer with on-chip detection circuitry", Sens. Actuators A Phys., vol. 45, pp. 7-16, Oct. 1994.P. Di Barba and S. Wiak, "Evolutionary computing and optimal design of MEMS", IEEE/ASME Trans. Mechatronics, vol. 20, pp. 1660-1667, Aug. 2015.Y. Chu, J. Fei and S. Hou, "Adaptive neural backstepping PID global sliding mode fuzzy control of MEMS gyroscope", IEEE Access, vol. 7, pp. 37918-37926, 2019.D. Lei, T. Wang, D. Cao and J. Fei, "Adaptive dynamic surface control of MEMS gyroscope sensor using fuzzy compensator", IEEE Access, vol. 4, pp. 4148-4154, 2016.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى