Projektowanie i badanie adaptacyjnych pneumatycznych absorberów energii uderzenia

Wiszowaty, R.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Projektowanie i badanie adaptacyjnych pneumatycznych absorberów energii uderzenia

Autorzy

Wiszowaty R.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

IPPT_Reports_2016_3_R_Wiszowaty_online_28_July_2016.pdf

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Designing and Investigation of Pneumatic Adaptive Absorbers

Języki publikacji

Abstrakty

Tematem niniejszej książki jest metoda adaptacyjnego rozpraszania energii zderzenia za pomocą pneumatycznych, adaptacyjnych absorberów energii zderzenia (ang.: Pneumatic Adaptive Absorber – PAA), czyli cylindrów pneumatycznych przeznaczonych do zastosowania jako zderzaki, zdolne do indywidualnego kształtowania przebiegu siły reakcji z poruszającym się obiektem, w zależ- ności od prędkości i energii zderzenia. Zgodnie z przyjętą koncepcją absorbera, stanowi on cylinder z tłokiem i jednostronnym tłoczyskiem, wypełniony gazem i posiadający zawór piezoelektryczny. Zawór ten, umieszczony wewnątrz tłoka, pozwala na kontrolowane przepuszczanie gazu między dwoma komorami absorbera, co skutkuje zmianami wartości siły hamowania zatrzymywanego obiektu. Wątkiem przewodnim tego opracowania jest temat projektowania absorbera PAA. W ramach opracowywania procedury projektowania, w pierwszej kolejności zaproponowany został tok postępowania przy poszukiwaniu parametrów charakteryzujących konstrukcję absorbera. W początkowej części rozważań (rozdział 3) założona została m.in. nieograniczona przepustowość zaworu. Wpływ przepustowości zaworu na własności funkcjonalne absorbera omówiony został w dalszej kolejności. Metodom charakteryzowania zaworów poświęcony został osobny rozdział. Badania laboratoryjne absorbera, będące tematem następnego rozdziału, posłużyły do weryfikacji możliwości dobrego odwzorowania zachowania się absorbera w oparciu o obliczenia numeryczne, oparte na uproszczonych modelach zjawisk zachodzących w absorberze. Z danymi zgromadzonymi w eksperymentach porównane zostały wyniki modelowania przemian gazu przy założeniu sta- łości wykładnika politropy oraz – w drugim modelu przemian – przy założeniu stałości współczynnika przejmowania ciepła.

The topic of the presented work is a method of an adaptive mechanical energy dissipation by the use of Pneumatic Adaptive Absorbers (PAA) – pneumatic cylinders intended for the use as bumpers that are capable of individual shaping of a braking process, dependently on the initial velocity and kinetic energy of the decelerated object. This shaping of the absorber reaction force control is aimed to minimise the maximal forces caused by the impact. In acordance with the chosen concept, the absorber consists of a cylinder with a piston and a piston rod, and is filled with a gas. Inside the piston is placed a piezoelectric valve havinf Hörbiger plates. The valve enables the real time flow control through the piston and – by that way – control the force of the gas interaction with the piston. This book is focused on the PAA designing. In the developped pathway of the absorber design process firstly it was proposed a method of finding parameters describing the absorber structure (its geometry and pressure inside the cylinder before the impact). Here the problem of finite valve flow capacity was neglected. In the following part of the text the limitation of the maximum object velocity was considered – at this stage mass flow rates were taken into account. The piezovalve investigation is the subject of the subsequent section. In this part the majority of results concerns to the mass flow rate measurements by various valve and setup configurations. Another laboratory tests – performed on the complete absorber – were aimed to verify the good fitting of the results of numerical computations of thermodynamic processes in absorber chambers to the experimental data. Computations were carried on with the use of two different models: the former was formulated on the basis of assumption of polytropic exponent invariability, and the latter – on the basis of assumption of surface film conductance invariability, and heat flux intensity dependency on the difference between gas and surrounding surfaces temperatures.

Słowa kluczowe

pneumatyka absorber absorber pneumatyczny absorber PAA

pneumatics absorber adaptive absorber pneumatic adaptive absorber

Wydawca

Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN

Czasopismo

IPPT Reports on Fundamental Technological Research

Rocznik

2016

Tom

nr 3

Strony

1--185

Opis fizyczny

Bibliogr 84 poz., rys.

Twórcy

autor

Wiszowaty R.

Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk

Bibliografia

1. ACE Controls Inc. Main Catalog. 7/2014 edition.
2. R.P. Adair, E.B. Qvale, J.T. Pearson. Instantaneous heat transfer to the cylinder wall in reciprocating compressors. In International Compressor Engineering Conference, pages 521–526. Prude e-Pubs, 1972.
3. Aginex. Powietrze bezolejowe. Pneumatyka, (1/82):7–11, 2012.
4. A.M. Al-Ibrahim, D.R. Otis. Transient air temperature and pressure measurements during the charging and discharging processes of an actuating pneumatic cylinder. In 45th National Conference on Fluid Power, Theoretical Analysis and Design, 1992.
5. Y. Antonovsky. High frequency shock absorber and accelerator, September 2 2003. US Patent 6,612,410.
6. Jerzy Barski. Amortyzatory hydrauliczne ACE sposobem na zwiększenie żywotności maszyn. Pneumatyka, (2/27):19–21, 2001.
7. Józef Barycki, Tadeusz Mikulczyński, Daniej Nowak, Józef Nowicki. Wybrane zastosowania w odlewnictwie szybkobieżnego napędu pneumatycznego z samoczynnym zaworem impulsowym. Pneumatyka, (4/53):28–31, 2005.
8. Peter Beater. Pneumatic Drives, System Design, Modelling and Control. Springer, Berlin, Heidelberg, 2007.
9. BOGE Kompressoren. Sprężone powietrze w przemyśle spożywczym. Pneumatyka, (2/39):12–13, 2003.
10. Konrad Cempel, Waldemar Skorczyk. Metal Work dla przemysłu spożywczego – technika KANIGEN. Pneumatyka, (3/52):12–13, 2005.
11. CeramTec. Monolitic multilayer actuators. [online] https://www.ceramtec.com/files/mf_brochure-mma.pdf, 2015. [dostęp: 2015-04-309:00].
12. Sonny T. Chai, William H. Mason. Landing gear intergation in aircraft conceptual design. Technical Report MAD 96-09-01, 1997.
13. Norman S. Currey. Aircraft Landing Gear Design: Principles and Practices. AIAA education series. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc, Washington, 1988.
14. Ryszard Dindorf. Muskuły pmeumatyczne. Charakterystyki dynamiczne. Pneumatyka, (5/42):40–42, 2003.
15. Ryszard Dindorf. Pomiar parametrów przepływowych elementów pneumatycznych. Pomiary Automatyka Kontrola, 54(1):30–32, 2008.
16. Ryszard Dindorf, Paweł Łaski. Zawory pneumatyczne z przetwornikami piezoelektrycznymi. Pneumatyka, (1/26):44–48, 2001.
17. Ryszard Dindorf, Paweł Łaski, Jakub Takosoglu. Siła tarcia w siłowniku pneumatycznym. Pneumatyka, (4/53):34–37, 2005.
18. Piotr Doerffer, Rainer Bohning. Modelling of perforated plate aerodynamics performance. Aerospace Science and Technology, 4:525–534, 2000.
19. Roman Domański, Maciej Jaworski, Marek Rebow, Jerzy Kołtyś. Wybrane zagadnienia z termodynamiki w ujęciu komputerowym. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2000.
20. Stefan Dworzak. Systemy amortyzacji siłowników pneumatycznych. Pneumatyka, (1/2 (90/91)):26–29, 2014.
21. Stanisław Flaga, Janusz Pluta, Bogdan Sapiński. Możliwości zastosowań stopów z magnetyczną pamięcią kształtu w pneumatycznych elementach sterujących. Pneumatyka, (4/77):19–24, 2010.
22. Paweł Flaszyński, Piotr Doerffer. Wpływ kształtu krawędzi płytki na przepływ w szczelinie zaworu z otworami prostokątnymi. Technical Report 566/2013, Instytut Maszyn Przepływowych PAN, 2013.
23. E. W. Gerc. Napędy pneumatyczne. Teoria i obliczanie. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1973.
24. Cezary Graczykowski. Inflatable Structures for Adaptive Impact Absorption. PhD thesis, Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences, Warsaw, 2011.
25. Cezary Graczykowski, Grzegorz Mikułowski, Arkadiusz Mróz, Krzysztof Sekuła. Sposób dyssypacji energii uderzenia obiektu i absorber pneumatyczny, 2009. PL Patent 387534.
26. Szymon Grymek, Tomasz Kiczkowiak. Ciśnienia statyczne a ciśnienia spiętrzenia w modelach strumienia objętości wykorzystujących współczynnik wymiarowy KV . Pneumatyka, (2/75):15–19, 2010.
27. Szymon Grymek, Tomasz Kiczkowiak. Współczynnik wymiarowy KV w doborze elementów pneumatycznych. Pneumatyka, (2/87):46–52, 2013.
28. R. Hołyst, A. Poniewierski, A. Ciach. Termodynamika dla chemików, fizyków i inżynierów. Wydawnictwo Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyń- skiego, Warszawa, 2005.
29. Achim Ilchmann, Oliver Sawodny, Stephan Trenn. Pneumatic cylinders: modeling and feedback force-control. International Journal of Control, 79(6), 2006.
30. Jerzy Iwaszko. Opory przepływu powietrza przez elementy pneumatyczne. Warszawa, 1999.
31. Zbigniew Kamiński. Modelowanie przewodów pneumatycznych do symulacji inżynierskich systemów heterogenicznych. Pneumatyka, (2/67):48–52, 2008.
32. Zbigniew Kamiński. Wyznaczanie charakterystyki przepływowej oporów pneumatycznych metodą pośrednią. Pneumatyka, (2/75):35–39, 2010.
33. Yunus A. C˛engel, Michael A. Boles. Thermodynamics. An Engineering Approach. McGraw-Hill, Inc., New York, second edition, 1994.
34. Tomasz Kiczkowiak. Sposób doboru zaworu rozdzielającego z katalogu. Pneumatyka, (3/34):16–18, 2002.
35. Tomasz Kiczkowiak, Szymon Grymek. Krytyczny stosunek ciśnień b w rozumieniu norm ISO 6358 i ISO 6953. Pomiary Automatyka Kontrola, 57(5):559–562, 2011.
36. Tomasz Kiczkowiak, Igor Maciejewski. Pneumatyczny zespół amortyzujący – problemy oceny jakości. Pneumatyka, (1/74):23–26, 2010.
37. Kaeser Kompressoren Sp. z o.o. Przyciąganie dzięki spreżonemu powietrzu. Pneumatyka, (2/79):36–37, 2011.
38. Jarosław Konieczny, Waldemar Rączka, Marek Sibielak. Identyfikacja parametrów modelu aktywnego zawieszenia pojazdu. Pneumatyka, (4/77):42–49, 2010.
39. Roman Korzeniowski, Janusz Pluta. Identyfikacja sił tarcia w serwonapędzie elektropneumatycznym. Pneumatyka, (4/53):40–43, 2005.
40. Roman Korzeniowski, Janusz Pluta, Bogdan Sapiński. Badania laboratoryjne układu redukcji drgań z tłumikiem magnetoreologicznym i sprężyną pneumatyczną. Pneumatyka, (3/76):16–20, 2010.
41. Wieńczysław Kościelny. Masa efektywna jako parametr obiektu podlegającego hamowaniu. Pneumatyka, (4/47):12–16, 2004.
42. Wieńczysław Kościelny, Mariusz Jurczyński. Pneumatyczne absorbery energii. Pneumatyka, (5/60):24–26, 2006.
43. Igor L. Krivts, German V. Krejnin. Pneumatic Actuating Systems for Automatic Equipment. Structure and Design. CRC Press, 2006.
44. Wolf Krüger. Integrated Design Process for the Development of Semi-Active Landing Gears for Transport Aircraft. PhD thesis, Institut für Flugmechanik und Flugregelung der Universität Stuttgart, Hannover, 2000.
45. Wolf R. Krüger, Willi Kortüm. Design of Control Laws for Alleviation of Ground-Induced Vibrations. In RTO MP-36.
46. I. Maciejewski, L. Meyer, T. Krzyzynski. Modelling and multi-criteria optimization of passive seat suspension vibro-isolating properties. Journal of Sound and Vibration, 324(3–5):520–538, 2009.
47. Michał Makowski, Andrzej Reński, Janusz Pokorski. Analiza możliwości zastosowania różnych rodzajów sterowanych amortyzatorów w pojazdach samochodowych. Technical Report 4, Warszawa, 2014.
48. Michał Makowski, Robert Zalewski. Vibration analysis for vehicle with vacuum packed particles suspension. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 53(1):109–117, 2015.
49. J. Marking. Shock absorber with positive and negative gas spring chambers, October 24 2000. US Patent 6,135,434.
50. Krzysztof Matecki. Stanowisko do badań przepływowych elementów pneumatycznych. Pneumatyka, (2/27):40–45, 2001.
51. Krzysztof Matecki, Stanisław Kozioł, Tomasz Samborski. Ceramiczne elementy sterujące w bezsmarowych zaworach rozdzielajacych PZRC. Pneumatyka, (4/29):48–51, 2001.
52. A. Matsuhashi. Shock absorber, April 15 2003. US Patent 6,547,045.
53. Wanda Mikołajewska. Elementy pneumatyki – wymagania i metody badań. Pneumatyka, (5/36):48–50, 2002.
54. Grzegorz Mikułowski, Jan Holnicki-Szulc. Opracowanie modelu termodynamicznego pneumatycznego absorbera adaptacyjnego w zakresie zjawisk wymiany ciepła: opracowanie teoretyczne, implementacja numeryczna, przeprowadzenie identyfikacji parametrów termodynamicznych i wykonanie symulacji numerycznych wraz z weryfikacją eksperymentalną. Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, 2014.
55. Grzegorz Mikułowski, Wiesław Rogożnicki, Rafał Wiszowaty. Zawór płytowy, 2012. PL Patent 392368.
56. Grzegorz Mikułowski, Rafał Wiszowaty. Analiza teoretyczna pneumatycznego absorbera adaptacyjnego (PAA) – analiza porównawcza modelowania numerycznego. Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, 2015.
57. Grzegorz Mikułowski, Rafał Wiszowaty, Jan Holnicki-Szulc. Characterization of a piezoelectric valve for an adaptive pneumatic shock absorber. Smart Materials & Structures, 22(12):125011–1–12, 2013.
58. Grzegorz Mieczysław Mikułowski. Adaptive impact absorbers based on magnetorheological fluids. PhD thesis, Smart Technology Centre, Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences, Warsaw, 2008.
59. Adrian Ioan Niculescu. VZN. A new damper concept. BREN, Bucuresti, 2010.
60. Tomasz Piątkowski. Analiza i modelowanie procesu sortowania strumienia małogabarytowych ładunków jednostkowych. Bydgoszcz, 2010.
61. Pneumat System. Siłowniki serii Newton. Pneumatyka, (4/69):37, 2008.
62. José L. Pons. Emerging Actuator Technologies: A Micromechatronic Approach. John Willey & Sons Ltd, Chichester, 2005.
63. Edmond Richer, Yildirim Hurmuzlu. A High Performance Pneumatic Force Actuator System. Part I – Nonlinear Mathematical Model. ASME Journal of Dynamic Systems Measurement and Control, 122(3):416–425, 2000.
64. Edmond Richer, Yildirim Hurmuzlu. A High Performance Pneumatic Force Actuator System. Part II – Nonlinear Controller Design. ASME Journal of Dynamic Systems Measurement and Control, 122(3):426–434, 2000.
65. Szymon Sadowski. Co jest w powietrzu? Pneumatyka, (3/22):16–17, 2000.
66. Krzysztof Dariusz Sekuła. Real-time dynamic load identification. Technical Report 7, Warsaw, 2013.
67. Tomasz Staniszewski. Siłownik pneumatyczny z powietrzną „sprężyną” powrotną. Pneumatyka, (6/55):28–30, 2005.
68. K. Stoll, H. Halama. Pneumatic shock absorber, December 3 1991. US Patent 5,069,317.
69. Andrzej Styczek, Piotr Duszyński, Marta Poćwierz, Jacek Szumbarski. Random vortex method for three dimensional flows. Part I: Mathematical background. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 42(1):3–20, 2004.
70. Andrzej Styczek, Piotr Duszyński, Marta Poćwierz, Jacek Szumbarski. Random vortex method for three dimensional flows. Part II: Numerical implementation and sample results. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 42(2):223–238, 2004.
71. Jan Szargut. Termodynamika techniczna. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2011.
72. Wojciech Szczerbicki. BEKO – kilka słów o kondensacie. Pneumatyka, (3):30–31, 1996.
73. Karol Szostek. Sterowanie napędem siłownikowym przy zmiennych parametrach zasilania sprężonym powietrzem. Pneumatyka, (1/66):72–77, 2008.
74. Dariusz Szpica, Wojciech Szoka. Modelowanie procesu wymiany powietrza w silniku spalinowym pracującym jako silnik pneumatyczny. Pneumatyka, (2/79):8–15, 2011.
75. Wojciech Tarnowski, Tomasz Kiczkowiak. Optymalizacja dynamiczna napędu pneumatycznego. Pneumatyka, (1/66):78–81, 2008.
76. Yuval Tassa, Tingfan Wu, Javier Movellan, Emanuel Todorov. Modeling and identification of pneumatic actuators. In IEEE International Conference Mechatronics and Automation, pages 437–443. IEEE, August 4-7 2013.
77. Xuan Bo Tran, Hideki Yanada. Dynamic friction behaviors of pneumatic cylinders. Intelligent Control and Automation, (4):180–190, 2013.
78. Jihong Wang, Junsheng Pu, Philip Moore. A practical control strategy for servo-pneumatic actuator systems. Control Engineering Practice, 7(12):1483–1488, 1999.
79. D.W. Watkins. Hot wire anemometer, June 18 1985. US Patent 4,523,461.
80. R. Wiszowaty, J. Biczyk, C. Graczykowski, G. Mikułowski. Method of impact energy dissipation by the use of the pneumatic impact absorber with a piezo-valve. In 5th ECCOMAS Thematic Conference on Smart Structures and Materials, pages 640–647, Saarbrücken, Germany, July 6-8 2011.
81. Łukasz Węsierski. Siłowniki pneumatyczne – przegląd i podział. Pneumatyka, (1):18–20, 1997.
82. Łukasz Węsierski, Wanda Mikołajewska. Leksykon pneumatyki. Pneumatyka, (6/55):43–58, 2005.
83. Piotr Zaporski, Edward Maluszycki, Tomasz Kiczkowiak. Wpływ warunków pracy instalacji pneumatycznej na współczynnik przepływu. Pneumatyka, (1/74):12–14, 2010.
84. O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor. The Finite Element Method, volume 3: Fluid Dynamics. Butterworth-Heinemann, fifth edition, 2000.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-7195469a-1125-482e-b4cc-deb2357338be