به دلیل طول عمر طولانی و صرفه جویی در مصرف انرژی،چراغ های لوله LEDدر حال حاضر به طور گسترده در کاربردهای مسکونی، تجاری و صنعتی استفاده می شود. با این حال، استحکام ساختاری و مقاومت در برابر لرزش محفظه آنها تعیین می کند که آنها در شرایط چالش برانگیز چقدر خوب کار می کنند. لوله های LED باید استرس مکانیکی را بدون به خطر انداختن عملکرد یا ایمنی در مکان هایی مانند مراکز حمل و نقل که در معرض زلزله های مکرر قرار دارند یا صنایع دارای ماشین آلات بزرگ تحمل کنند. مفاهیم فنی، پیشرفتهای مواد و تکنیکهای طراحی که تضمین میکنند محفظههای لوله LED تحمل استرس و لرزش مکانیکی را تضمین میکنند در این مقاله بررسی میشوند.
ارزش یکپارچگی ساختاری مسکن LED
یکپارچگی ساختاری چیست؟
ظرفیت یک محفظه برای حفظ شکل، محافظت از اجزای داخلی و مقاومت در برابر تغییر شکل تحت تنش های استاتیکی یا دینامیکی به عنوان یکپارچگی سازه شناخته می شود. در مورد لوله های LED، این شامل موارد زیر است:
پشتیبانی از وزن اجزای داخلی، مانند PCB و درایورها، به عنوان قابلیت تحمل بار شناخته میشود.
مقاومت در برابر ضربه: توانایی مقاومت در برابر سقوط یا ضربه ناخواسته هنگام نصب.
توانایی تحمل بارهای چرخه ای بدون شکستن به عنوان مقاومت در برابر خستگی شناخته می شود.
یکپارچگی ساختاری ممکن است منجر به موارد زیر شود:
خطرات مربوط به برق (سیم های در معرض).
کاهش کنترل حرارتی به دلیل شکسته شدن هیت سینک.
تخریب زودرس لومن ها (ال ای دی های آسیب دیده).
تست و استانداردهای صنعت
لوله LEDمسکن ها باید شرایط زیر را داشته باشند:
تست ارتعاش (محدوده فرکانس: 10-150 هرتز) در IEC 60068-2-6 پوشش داده شده است.
UL 1993: مقاومت در برابر ضربه و مقاومت مکانیکی.
ASTM D638: تست استحکام کششی پلیمری.
به عنوان مثال، لوله های LED باید یک تست سقوط 1.8 متری مورد نیاز UL 1993 را پشت سر بگذارند، و محفظه های آنها باید پس از ضربه همچنان دست نخورده و کاربردی باشند.
مواد برای بهبود عملکرد سازه
آلیاژهای آلومینیوم (مانند 6063-T5) به دلیل نسبت استحکام بالا به وزن (استحکام تسلیم: 145-215 مگاپاسکال) به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. پوشش های آنودایز شده مقاومت در برابر خوردگی و سختی سطح را بهبود می بخشد (تا 60 راکول B). با این حال، با تنش طولانی، شکلپذیری آلومینیوم ممکن است منجر به تغییر شکل برگشتناپذیر شود.
پلیمرهای تقویت شده: استحکام و مقاومت در برابر ضربه
ترکیبات اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) و پلی کربنات (PC) در محفظه های پلیمری به دلیل موارد زیر غالب هستند:
قدرت ضربه بالا (PC: 60-95 kJ/m²).
سبک وزن (1.2 گرم بر سانتی متر مکعب در چگالی).
محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش برای استفاده در فضای باز ضروری است.
پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP) باعث کاهش انبساط حرارتی و افزایش استحکام کششی (تا 150 مگاپاسکال) در شرایط سخت می شود.
طرح هایی که ترکیبی هستند: اختلاط پلیمرها با فلزات
برخی از محفظه ها پوشش های پلیمری را با قاب های آلومینیومی ترکیب می کنند. به عنوان مثال، یک پوسته پلی کربنات محافظت در برابر ضربه و عایق الکتریکی می دهد، در حالی که یک ستون آلومینیومی سفتی را ارائه می دهد.
تکنیک های طراحی مقاومت در برابر لرزش
شناخت منابع ارتعاشات
علل معمول ارتعاش عبارتند از:
فرکانس های مورد استفاده در ماشین آلات صنعتی بین 20 تا 100 هرتز است.
5 تا 30 هرتز در اتوبوس ها، قطارها یا فرودگاه ها فرکانس حمل و نقل است.
نوسانات فرکانس پایین{{0} (10-50 هرتز) در سیستم های HVAC.
قرار گرفتن در معرض طولانی مدت ممکن است منجر به موارد زیر شود:
رزونانس: افزایش ارتعاشات در فرکانس ذاتی محفظه.
ایجاد ریزترک در مکانهای تنش نشانهای از خستگی مواد است.
جابجایی PCB یا خرابی اتصالات لحیم کاری نمونه هایی از شل شدن قطعات هستند.
مکانیسم های میرایی
مواد ویسکوالاستیک: با تبدیل انرژی جنبشی به گرما، لنت های لاستیکی یا سیلیکونی ارتعاشات را جذب می کنند.
دمپرهای جرمی تنظیم شده: فرکانس های تشدید توسط وزنه های تعادل کوچک خنثی می شوند.
افزایش صلبیت و جلوگیری از انتقال ارتعاش با استفاده از طرح های آجدار یا موجدار (شکل 1).
طراحی با استفاده از تحلیل المان محدود (FEA)
توزیع تنش در حین ارتعاش با استفاده از نرم افزار FEA مانند ANSYS Mechanical شبیه سازی شده است. بر اساس مطالعه موردی روی محفظه پلی کربنات، افزودن نوارهای مثلثی غلظت تنش را در ارتعاشات 50 هرتز تا 35 درصد کاهش داد.
مطالعات موردی برای حمل و نقل و مصارف صنعتی
مثال 1: لوله های LED در تولید خودرو
در خط مونتاژی که بازوهای رباتیک ارتعاشاتی بین 25 تا 80 هرتز تولید میکنند، یک سازنده آلمانی لولههای فلورسنت را برای LEDها تغییر داد. درمان:
جنس: محفظه PA66 تقویت شده با الیاف شیشه.
طراحی: PCB ها با استفاده از براکت های آلومینیومی داخلی به محفظه بسته شدند.
در نتیجه، پس از یک سال، هیچ خرابی وجود نداشت (در مقایسه با 15٪ با بدنه های آلومینیومی).
مثال 2: روشنایی در ایستگاه های راه آهن
متروی توکیولوله های LEDدر معرض ارتعاشات 5 تا 30 هرتز از قطارهای عبوری قرار گرفتند. طرح شامل:
جدا کننده های سیلیکونی که بین گیره های نصب و محفظه قرار می گیرند به عنوان آستین های میرایی شناخته می شوند.
شل شدن پیچ با استفاده از مفاصل {0}Snap برطرف شد.
نتیجه کاهش 90 درصدی خرابیهای ناشی از ارتعاش- بود.
نوآوری ها و مشکلات
محدودیت های مواد
تغییر شکل خزشی: تحت تنش های طولانی مدت، پلیمرهایی مانند ABS ممکن است دچار اعوجاج شوند.
حرارتی-کوپلینگ ارتعاشی: پلیمرها هنگام گرم شدن نرم تر می شوند که مقاومت آنها در برابر لرزش را کاهش می دهد.
رویکردهای جدید
شبکههای چاپی سهبعدی: محفظههای آلومینیومی با چارچوبهای ژیروید وزن را بدون کاهش قدرت به حداقل میرسانند.
-پلیمرهای خود درمانی: برای رفع شکستگیهای ناشی از ارتعاش، میکروکپسولها مواد شیمیایی شفابخش آزاد میکنند.
کامپوزیت های ساخته شده از فیبر کربن سه برابر آلومینیوم استحکام دارند در حالی که وزن آنها نصف است (شکل 3).
Eco-مهندسی دوستانه
پلی آمیدهای مبتنی بر زیست{0}}و آلومینیوم حلقه بسته{1} نمونههایی از مواد قابل بازیافت هستند که محبوبیت بیشتری پیدا میکنند. به عنوان مثال، خط "GreenLED" فیلیپس از 85٪ پلی کربنات بازیافتی استفاده می کند بدون اینکه مقاومت در برابر لرزش را به خطر بیندازد.
چشم انداز آینده
یکپارچه سازی اینترنت اشیا و مواد هوشمند
سنسورهای پیزوالکتریک: سنسورهای گنجانده شده فشار را دنبال میکنند و نیازهای تعمیر و نگهداری را پیشبینی میکنند.
محفظه هایی که هنگام ارتعاش "خود{0}}سفت می شوند" به عنوان آلیاژهای حافظه دار{1} شناخته می شوند.
AI{0}}بهبود طراحی نیرومند
محفظههای بهینهشده با توپولوژی{0}} که جداسازی فرکانس طبیعی از ارتعاشات خارجی را به حداکثر میرسانند و وزن را به حداقل میرسانند با استفاده از تکنیکهای هوش مصنوعی مولد مانند nTopology تولید میشوند.
برایلوله LEDمحفظه ها در شرایط سخت، یکپارچگی ساختاری و مقاومت در برابر لرزش ضروری هستند. مهندسی دقیق با ابزارهای کامپیوتری امکانپذیر میشود، در حالی که پیشرفتها در علم مواد{1}}از کامپوزیتهای فیبر کربن گرفته تا{2}}پلیمرهای خود ترمیم شونده- در حال تعریف مجدد هنجارهای دوام هستند. مسکنهای آینده احتمالاً از مواد قابل بازیافت و نظارت بر سلامت در زمان واقعی استفاده خواهند کرد، زیرا شرکتها اولویت بیشتری بر پایداری و فناوری هوشمند میگذارند و تضمین میکنند که لولههای LED در دنیایی که روز به روز پویاتر میشود دوام خواهند آورد.
