WSTĘPNA KONCEPCJA MECHANIZMU STEROWANIA HYDROSKRZYDŁAMI NA PRZYKŁADZIE ŁODZI SOLARNEJ SOLAR BOAT AGH

Transkrypt

1 ANDRZEJ CIOCH DOI: / Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki WSTĘPNA KONCEPCJA MECHANIZMU STEROWANIA HYDROSKRZYDŁAMI NA PRZYKŁADZIE ŁODZI SOLARNEJ SOLAR BOAT AGH W pracy przedstawiono koncepcję mechanizmu do sterowania hydroskrzydłami w łodzi AGH Solar Boat. Wspomniana jednostka weźmie udział w międzynarodowych zawodach SOLAR1. Do budowy łodzi zastosowano dwa hydroskrzydła usytuowane wzdłuż kadłuba łodzi. Mechanizm do wychylania ruchomych elementów skrzydeł został zaprojektowany tak, aby był zdolny przenieść wszelkie siły powstające w ruchu płatów pod wodą. Po zweryfikowaniu poprawności obliczeń zostanie stworzony rzeczywisty mechanizm, następnie zaaplikowany do łodzi. Słowa kluczowe: hydroskrzydła, sterowanie hydroskrzydłami, Solar Boat. WSTĘP Głównym założeniem przy budowie przez zespół AGH Solar Boat Team łodzi solarnej jest stworzenie lekkiej jednostki, sterowanej z wykorzystaniem dostępnych możliwości elektroniki i automatyki. Do stworzenia takiej łodzi zastosowano płaty nośne, inaczej hydroskrzydła, z wbudowanym mechanizmem sterującym. Rozwiązanie pozwoli zmniejszyć opory wody oraz kontrolować parametry ruchu łodzi [2, 4]. Poprzez zastosowanie elektronicznych systemów sterowania w łatwy sposób będzie można zmieniać parametry ruchu jednostki. W artykule przybliżono proces opracowania mechanizmu, służącego do sterowania przednim hydroskrzydłem w wyżej wspomnianej łodzi. 1. PRZEGLĄD PODOBNYCH KONSTRUKCJI I ROZWIĄZAŃ Na początku pracy zbadano dostępne źródła, w celu uzyskania informacji o mechanizmach aktualnie stosowanych w podobnych jednostkach pływających. W konstrukcjach klasy Moth, gdzie występuje taki sam układ hydroskrzydeł jak w konstruowanej łodzi, istnieje rozwiązanie wykorzystujące pływak wodzący po powierzchni wody. Taki element jest połączony z przednim płatem nośnym. Podczas zmiany poziomu wody, np. poprzez nadchodzącą falę, element wodzący zmienia swoje położenie względem kadłuba. Ruch pływaka, przenoszony za pomocą cięgna i dźwigni, zmienia kąt natarcia całego przedniego hydroskrzydła [2, 4]. Takie rozwiązanie pozwala wyeliminować udział sternika w regulowaniu kąta natarcia łodzi i dopasować tor płynięcia łodzi do kształtu wody w danej chwili.

2 18 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 31, 2016 Podobny system zastosował jeden z zespołów biorących udział w zawodach Solar One. Różnica polega na budowie pływaka. W tym przypadku ma on kształt narty i ślizga się po wodzie (rys. 1), badając wysokość fali. Dalsze działanie pozostaje takie samo jak w przypadku wspomnianego Motha. Rys. 1. System sterowania hydroskrzydłem zastosowany przez zespół z Cedarville [2] Niestety, takie rozwiązanie nie może zostać zastosowane do projektowanej konstrukcji łodzi AGH Solar Boat. Opisany system nie pozwala na niezależne regulowanie dwoma lotkami, co stanowi ważną część koncepcji sterowania łodzią. Pozostałe znalezione koncepcje opierały się głównie na nieruchomych konstrukcjach. Ze względu na brak odpowiednich rozwiązań zdecydowano się na opracowanie własnego mechanizmu do sterowania lotkami w hydroskrzydłach. 2. ZAŁOŻENIA DO KONSTRUKCJI HYDROSKRZYDEŁ Łódź będzie posiadać dwa płaty nośne o kształcie odwróconego T (rys. 2), usytuowane w osi podłużnej jednostki.

3 A. Cioch, Wstępna koncepcja mechanizmu sterowania hydroskrzydłami na pokładzie łodzi solarnej 19 Rys. 2. Pylon wraz z hydroskrzydłem w kształcie odwróconego T Całkowita powierzchnia nośna skrzydeł wynosić będzie 26 dm 2. Przedni płat będzie większy i zajmie 60% powierzchni skrzydeł. Zadaniem tego skrzydła będzie przejęcie większości ciężaru łodzi, a także stabilizacja poprzeczna łodzi. W głównym płacie zamontowane zostaną dwie lotki sterujące. Długość cięciwy lotek dobrano na podstawie obliczeń stosowanych w profilach lotniczych. Stosunek długości cięciwy lotki wynosi 30% długości cięciwy skrzydła [3]. Na tej podstawie, stosując wzór (1), obliczono powierzchnię nośną jednej lotki. gdzie: S L powierzchnia lotki, f L długość cięciwy lotki, l L rozpiętość lotki. S =! "# (1) Każda z lotek będzie niezależnie wychylana o zadany kąt. Ze względu na ograniczoną przestrzeń wewnątrz płata, który w najszerszym miejscu ma 20 mm, mechanizm do sterowania musi mieć odpowiednio małe wymiary. Na podstawie wykresów oporu wody w zależności od kąta wychylenia lotek przyjęte ograniczenia ruchu lotek wynoszą: 15 o w górę oraz 15 o w dół. Opracowanie mechanizmu zaczęto od analizy sił, jakie powstaną na jednej lotce podczas płynięcia łodzią z maksymalną założoną prędkością 10 m/s oraz przy skrajnym wychyleniu lotki o 15 o w dół. Do analizy wykorzystano profil lotniczy NACA 63A-412 (rys. 3.). Rys. 3. Geometria profilu lotniczego NACA 63A-412 uzyskana z programu Java Foil

4 20 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 31, ANALIZA POWSTAJĄCYCH SIŁ Na początku zbadano rozkłady siły nośnej na lotkach. Przy wykorzystaniu programu JavaFoil, który umożliwia symulację zachowania się skrzydła o wybranym profilu w ośrodku o zadanych parametrach, przeanalizowano rozkład współczynnika ciśnienia wokół profilu (rys. 4). Gęstość wody przyjęta do symulacji dla temperatury 20 o C wynosi 988,2 kg/m 3. Wynikiem symulacji jest rozkład współczynnika ciśnienia wzdłuż cięciwy skrzydła (rys. 4). Rys. 4. Rozkład współczynnika ciśnienia Cp wzdłuż cięciwy skrzydła z rysunku 3 Ze względu na fakt, że cięciwa lotki zajmuje 30% długości cięciwy skrzydła, interesujący był tylko fragment wykresu pomiędzy 70 a 100% długości cięciwy. Znając dane z wykresu, obliczono ciśnienie panujące tylko na lotce wzdłuż jej cięciwy (wzór 2). Ze względu na trójkątny rozkład ciśnienia na lotce została obliczona wartość średnia ciśnienia wzdłuż cięciwy (wzór 3), a następnie wykorzystana do obliczenia wypadkowej siły działającej w 1/3 długości cięciwy lotki od krawędzi natarcia (wzór 4) [3]. Ostatecznie uzyskano siłę o wartości 951,3 N. gdzie: p maksymalne ciśnienie na lotce, C p współczynnik ciśnienia, r gęstość ośrodka, V o prędkość przepływu cieczy, p L średnie ciśnienie na lotce, F 1/3 siła wypadkowa działająca na lotkę w 1/3 długości, S L powierzchnia nośna lotki. =! "#"!" # (2) $ % = & '$ # (3) ( &/) =$ % '* % (4)

5 A. Cioch, Wstępna koncepcja mechanizmu sterowania hydroskrzydłami na pokładzie łodzi solarnej 21 Z danych uzyskanych z literatury przedmiotu wynika, że zerowy moment zawiasowy lotki uzyskuje się, gdy oś obrotu znajdzie się w przedziale 25 30% długości cięciwy, w zależności od kąta natarcia skrzydła w danej chwili [3]. W celu zmniejszenia powstającego momentu przyjęto, że oś obrotu lotki znajdzie się w 10% długości cięciwy lotki od krawędzi natarcia lotki. Następnie obliczono moment zawiasowy lotki (wzór 5), który wynosi 10,7 Nm. gdzie: M z moment zawiasowy, F 1/3 siła działająca na lotkę w 1/3 długości cięciwy, r ramię działania siły, długość cięciwy lotki. f L +, =( &/) '-10.'2 % 3 (5) 4. KONCEPCJA MECHANIZMU W celu poruszania lotką do jej powierzchni zostanie przymontowane aluminiowe ramię, zakończone uchem (rys. 5). Założono, że mocowanie ramienia znajdzie się w 50% długości cięciwy lotki. Taka pozycja wynika z ograniczeń grubości profilu lotki, który przy końcu osiąga 1 mm. Dla aluminiowego ramienia, po kilkukrotnym przeliczeniu konstrukcji pod względem wytrzymałościowym oraz sprawdzeniu możliwych do zastosowania serwomechanizmów, przyjęto długość równą 40 mm. Ramię zostało odpowiednio odchylone, aby uzyskać założony zakres ruchu lotki. Rys. 5. Ucho przymocowane do lotki Z uzyskanego momentu zawiasowego obliczono siłę przenoszoną na popychacz, której wartość jest równa 554,976 N. W dalszej części stworzono koncepcję przeniesienia siły z popychacza na serwomechanizm.

6 22 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 31, DOBÓR SERWONAPĘDU Głównym celem było tu opracowanie odpowiedniego mechanizmu, a także dobór urządzenia napędowego. Podczas obliczeń i doboru części mechanizmu przyjęto model przepływu turbulentnego wokół hydroskrzydła. Według dostępnych źródeł granica liczby Reynoldsa dla przepływu laminarnego w pewnych ogólnych przypadkach wynosi 8000 [5]. Na podstawie wartości Re = 1,6 * 10 6, uzyskanej z obliczeń dla prędkości przepływu 10 m/s, można stwierdzić, że w rozpatrywanym przypadku wartość znacznie przekracza granicę przepływu laminarnego. Ze względu na zjawisko turbulentnego przepływu, występuje zwiększony opór wody [1], dlatego przy obliczeniach wytrzymałościowych przyjęto współczynnik bezpieczeństwa o wartości 4. Na początku dokonano przeglądu dostępnych na rynku serwomechanizmów. Poszukiwano urządzeń oferujących odpowiednio duży moment przy małych wymiarach. Najodpowiedniejszy okazał się model HS-1000SGT firmy Hitec. Urządzenie gwarantuje uzyskanie odpowiedniego momentu siły, który wynosi 110 kg-cm. Ponadto wybrany produkt charakteryzuje się dużą wytrzymałością mechaniczną na zewnętrzne uszkodzenia. Wymiary wybranego modelu wynoszą 64 x 33 x 73 mm i pozwalają na zaimplementowanie go w konstrukcji. Po znalezieniu odpowiedniego serwomechanizmu konieczne okazało się zredukowanie o połowę siły przekazywanej z lotki na mechanizm, w celu zabezpieczenia przed przeciążeniem serwonapędu. Ma to zapobiec negatywnym wpływom zafalowania na skuteczność sterowania łodzią i wytrzymałość elementów mechanizmu. W tym celu w konstrukcji zastosowano element realizujący redukcję siły oraz zmieniający kierunek jej działania (rys. 6). Rys. 6. Dźwignia realizująca przełożenie siły oraz zmianę kierunku ruchu: Pi siła działająca na pierwszy węzeł, Pi-1 siła działająca na drugi węzeł, bi ramię działania siły Pi, ai ramię działania siły Pi-1 Przełożenie takiego węzła można obliczyć z zależności i = a i/b i. W mechanizmie zastosowano popychacze ze stali, połączone z pozostałymi elementami poprzez przeguby kulowe dobrane. Ze względu na niezależne sterowanie do każdej z lotek zostanie zastosowany oddzielny serwonapęd. Obydwa urządzenia będą wbudowane w pylon łączący hydroskrzydło z kadłubem (rys. 2). Powstały łańcuch kinematyczny jest podobny do tych stosowanych w jednostkach

7 A. Cioch, Wstępna koncepcja mechanizmu sterowania hydroskrzydłami na pokładzie łodzi solarnej 23 latających [3]. Aby dokonać weryfikacji analitycznych obliczeń przełożenia sił, układ mechaniczny został zaimplementowany do programu SAM. Oprogramowanie to pozwala na symulację ruchu mechanizmu wraz z obciążeniem węzłów siłami. Wykonanie takiej symulacji pozwoliło na lepsze dopasowanie długości członów do wymaganego zakresu ruchu mechanizmu. Układ następnie zamodelowano z wykorzystaniem oprogramowania Autodesk Inventor (rys. 7). Rys. 7. Złożone zamodelowane elementy mechanizmu za pomocą Autodesk Inventor Uzyskano dzięki temu pełne zestawienie mechanizmu. Na podstawie modelu dokonano sprawdzenia poprawności przyjętych długości członów. Możliwe było także przygotowanie dokumentacji rysunkowej elementów w celu późniejszego ich wykonania. Kolejnym krokiem będzie wykonanie poszczególnych elementów. Dźwignia oraz pręty pomiędzy przegubami zostaną wykonane ze stali nierdzewnej o nazwie Toolox44 firmy SSAB. PODSUMOWANIE Zastosowanie hydroskrzydeł do łodzi Solar Boat pozwala przy opracowanej koncepcji na swobodne sterowanie łodzią. Cechą odróżniającą przedstawiony sposób sterowania hydroskrzydłami od innych tego typu mechanizmów jest możliwość uzyskania większej kontroli nad stabilnością poprzeczną łodzi. Pozwalają na to dwie niezależne lotki. Do zbadania sił, jakie będzie musiał przenieść mechanizm, użyto symulacji rozkładu ciśnienia na profilu lotniczym, co okazało się wystarczającą metodą do przybliżenia wielkości sił na lotce. Opierając się na literaturze przedmiotu o konstrukcjach wykorzystywanych także w lotnictwie, możliwe było znalezienie sposobu na proste, lecz skuteczne poruszanie lotkami. Wykorzystano do tego celu serwomechanizm, który poprzez dźwignię potrafi sterować lotką o zadaną wielkość kątową. Zamodelowanie poszczególnych członów

8 24 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 31, 2016 mechanizmu w programie Inventor pozwoliło na zobrazowanie wielkości mechanizmu, a także sprawdzenie możliwości ruchowych mechanizmu. Poprzez analizę siłową przeprowadzoną w programie możliwe było wyeliminowanie potencjalnych problemów, takich jak: osiągnięcie niekontrolowanych pozycji przez mechanizm, duże naprężenia, możliwe przeciążenie systemu sterowania. LITERATURA 1. Drobniak S., Kowalewski T., Mechanika płynów dlaczego tak trudno przewidzieć ruch płynu? IMC Politechnika Częstochowska, IPPT PAN, Warszawa Putnam N., Dickert G., Wagner C., On the design, construction, and testing of a fullysubmerged canard hydrofoil system for a low-speed solar boat, Cedarville Stafiej W., Obliczenia stosowane przy projektowaniu szybowców, Politechnika Warszawska, Warszawa Życki D., Fenomen klasy Moth, czyli jak skutecznie pozbyć się kadłuba, Żagle, 2013, nr THE INITIAL CONCEPT OF THE CONTROL MECHANISM OF THE HYFROFOIL BASED ON THE BOAT SOLAR BOAT AGH Summary In this paper the concept of control mechanism of the hydrofoil in the AGH Solar Boat has been presented. The maintained boat is predicted to take a part in the international competition SOLAR1. Two hydrofoils located along the hull were used for the construction of the boat. The mechanism for steering the movable elements of the wings is designed to be able to cope with all the forces generated in motion of hydrofoil under water. After verifying the correctness of the calculations will be created the actual mechanism, and then applying to the boat. Keywords: hydrofoils, steering of hydrofoils, Solar Boat.