PROJEKT I BUDOWA PĘDNIKA WODNO-ODRZUTOWEGO

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Instytut Podstaw Budowy Maszyn XVIII Konferencja nt METODY I ŚRODKI PROJEKTOWANIA WSPOMAGANEGO KOMPUTEROWO Łańcut, październik 2013 Andrzej Sioma AGH Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Automatyzacji Procesów PROJEKT I BUDOWA PĘDNIKA WODNO-ODRZUTOWEGO 1. Wstęp Praca prezentuje metodę projektowania nowatorskiego typu napędu wodnego, któremu nadano nazwę pędnik wodno-odrzutowy. Celem projektu było opracowania napędu dla pojazdów wodnych alternatywnego do powszechnie stosowanych śrub napędowych. Najważniejsze pytanie, jakie postawiono sobie jeszcze przed rozpoczęciem projektu dotyczyło sposobu poruszania się organizmów w środowisku wodnym. Zauważonoi, bowiem że śruba nie występuje w środowisku. Nie znajdziemy odpowiednika śruby napędowej, chociaż podobnym rozwiązaniem może być silnik obrotowy z wicią występujący u bakterii. Dotyczy to jednak organizmów, które należą do zupełnie innej grupy biorąc pod uwagę wymiary bakterii i wymiary nawet najmniejszych pojazdów wodnych. Odpowiedź na to pytanie wymagała przeprowadzenia przeglądu i opracowania klasyfikacji sposobów poruszania się organizmów w środowisku wodnym. Na podstawie tak wykonanego przeglądu przygotowano kilka projektów koncepcyjnych a następnie wykonano wieloetapową ich weryfikację i przebudowę. Efektem tych działań było opracowanie projektu wykonawczego a następnie budowa i uruchomienie prototypu. Zrealizowane prace i ich podział na etapy został opisany w niniejszej pracy.

2 2. Budowa modelu produktu Projektowanie konstrukcyjne maszyn i urządzeń jest złożonym wieloetapowym procesem. W zależności od stopnia złożoności problemu technicznego, który ma być rozwiązany, projektowanie wymaga ogromnego doświadczenia konstruktorów i najczęściej pracy zespołowej. W większości przypadków inżynier projektant nie posiada wiedzy przyrodniczej, która była by bardzo przydatna w czasie realizacji takiego typu projektu. Najczęściej posiada on tylko wiedzę techniczną, którą nabył w czasie studiów inżynierskich i uzupełnił w trakcie pracy zawodowej. Proces projektowania maszyn inspirowanych przyrodniczo należy podzielić na następujące etapy: określenie charakterystyki i funkcji projektowanej maszyny, poszukiwanie inspiracji w zbiorze wytypowanych organizmów, budowa modelu koncepcyjnego dla przyjętego rozwiązania technicznego, budowa prototyp "demonstrator" na podstawie przyjętej koncepcji w formie funkcjonalnego modelu CAD i prostego modelu fizycznego, wykonanie urządzenia prototypowego z układem zasilania i sterowania przeznaczonego do badań terenowych, badania i weryfikacja, jakości pracy urządzenia w zakresie przyjętych parametrów. Opierając się na powyższym podziale sformułowano szczegółowy opis zadań wykonywanych w kolejnych etapach projektu. Etap 1. Określenie charakterystyki i funkcji obiektu. Rozpoznanie dotychczasowych rozwiązań dotyczących typu napędu stosowanych w obiektach pływających. W wyniku badań i analiz należy przedstawić charakterystykę projektowanego pojazdu, a także określić i szczegółowo opisać jego funkcję globalną F G oraz podstawowe funkcje częściowe {f}, które należy zrealizować w projekcie. Etap 2. Badania inżynierskie rozwiązań występujących w przyrodzie. W etapie tym konieczne jest wykonanie analizy literatury przyrodniczej opisującej organizmy zamieszkujące środowisko wodne. Z badanej grupy organizmów należy wytypować te, które przedstawiają największy potencjał i będą wzorcem w dalszych działaniach inżynierskich. Wzorce powinny być wybierane w kategorii największej zgodności w odniesieniu do przyjętej w realizacji funkcji urządzenia. W ramach prac badawczych przeprowadzone są szczegółowe badania budowy i sposobów pływania wybranych wcześniej gatunków, a w szczególności: wykonanie zdjęć i filmów szybką kamerą sposobów pływania, wykonanie zdjęć makro- i mikroskopowych ogólnej budowy anatomicznej, zwłaszcza narządów pływania. Przykładowe badania opisano w pracach [2-5]. Wykona-

3 no szczegółowe mikroskopowe badania narządów pływania (odnóży), wraz z przekrojami mikrotomowymi w celu odtworzenia ich budowy strukturalnej. Rys. 1 Wzorce projektowe. a muszla Przegrzebka (Małż), b budowa Kałamarnicy, c wioślak punktowy(pluskwiak), d Łodzik (Rodzina Nautilidae). Efektem prac przeprowadzonych na tym etapie badań jest wyselekcjonowanie wąskiej grupy organizmów, które będą pełnić rolę wzorca biologicznego w projekcie. Bardzo ważne jest opracowanie modelu opisującego sposób realizacji napędu przez każdy z organizmów zakwalifikowanych do grupy wzorców [1, 6]. Rys. 2 Model napełniania i wyrzutu wody u przegrzebka [6]

4 Rys. 3 Schematyczny rysunek ciała kalmara uwzględniający części istotne podczas pływania oraz cykl napełniania i odrzutu Etap 3. Opracowanie wstępnego projektu koncepcyjnego. W ramach prac wykonanych na tym etapie opracowano kilka projektów koncepcyjnych opartych na przyjętych wzorcach, w których wykorzystano poznany mechanizm ruchu. Realizacja projektów koncepcyjnych ma na celu sprawdzenie możliwości ich realizacji oraz wybór spośród zrealizowanych projektów tego o najwyższym potencjale wykonawczym. Badania symulacyjne projektu koncepcyjnego pozwalają również na wstępną weryfikację przyjętych w nim rozwiązań. Po dyskusji i analizach prowadzonych w gronie inżynierów projektantów oceniono wszystkie przedstawione koncepcje. Rys. 4Projekt koncepcyjny wykonany w oprogramowaniu Inventor Każda z koncepcji została oceniona pod względem stopnia realizacji założonych funkcji, ale również pod kątem możliwości wdrożenia jej w projekcie technicznym. W wyniku oceny rozpatrywanych koncepcji opracowano projekt wykonawczy na podstawie, którego realizowano dalsze prace zmierzające do budowy prototypu.

5 Etap 4. Opracowanie prototypu demonstracyjnego. Na podstawie przyjętego projektu koncepcyjnego opracowano strukturę obiektu pływającego z wyodrębnieniem poszczególnych podsystemów funkcjonalnych obiektu. Sporządzono wytyczne dla: podsystemu zasilania w energię, podsystemu układu wykonawczego, podsystemu realizacji przeniesienia napędu oraz zasady i realizację sterowania obiektem. Opracowano kształt oraz zaprojektowano operacje procesu technologicznego w ramach, których wykonane zostaną części i zespoły układu napędowego oraz korpusu. Efektem końcowym prac wykonanych na tym etapie jest trójwymiarowy model CAD. Jest to gotowy projekt umożliwiający wykonanie wstępnej weryfikacji pracy urządzenia w środowisku wirtualnym. Projekt ten umożliwia wprowadzenie poprawek przyjętych w czasie dyskusji i weryfikacji rozwiązań w nim zawartych. Rys. 5 Pędnik wodno odrzutowy (a): 1 cylinder, 2 tłok, 3 klapki, 4 dysza, obraz tłoka zarejestrowany podczas pracy bez zanurzenia (b) Etap 5. Wykonanie prototypu. W ramach produkcji prototypu wykonano: opracowanie szczegółowej dokumentacji konstrukcyjnej urządzenia, rysunków zestawieniowych i wykonawczych w formie elektronicznej, opracowanie dokumentacji procesów technologicznych wykonania części oraz procesu montażu, opracowanie zestawienia elementów i zespołów handlowych oraz ich zakup, wykonanie prototypu, tj. produkcja wszystkich części, ich montaż i realizacja poprawek, opracowanie dokumentacji powykonawczej procesu montażu obiektu pływającego. Prace wykonane w ramach tego etapu mogą trwać nawet kilka miesięcy. Wynika to z faktu budowy prototypu. W ramach realizacji zadania może, bowiem pojawić się konieczność ponownego wykonania części lub pod-

6 zespołów ujętych w projekcie. Pociąga to za sobą konieczność produkcji nowych części i ich wymiany w prototypie. Jest to etap, w którym testowana jest praca całego urządzenia. Jest to długotrwały proces, w ramach, którego realizowane są liczne testy i poprawki mające na celu uzyskanie założonego przez konstruktorów celu pracy urządzenia. Rys. 6 Opracowanie prototypu układu napędowego Etap 6. Testy prototypu. Opracowano programu badań funkcjonalnych i wykonano test pracy napędu, a w szczególności: opracowano programu badań pływalności obiektu, wykonanie prób w docelowym środowisku pracy z dokumentacją filmową, realizacja pomiarów w celu uzyskania charakterystyki parametrycznej obiektu. Prace prowadzone na tym etapie mają na celu szczegółową weryfikację badań prowadzanych w fazie projektu wirtualnego. Porównanie wyników badań przeprowadzonych na obiekcie wirtualnym i rzeczywistym daje możliwość weryfikacji całego procesu projektowania urządzenia i przyjętych w nim modeli działania urządzenia. Testy i uzyskane wyniki mogą wskazać konieczność wykonania kolejnych poprawek, a nawet przebudowy urządzenia. Pozwalają jednakże poznać szczegółowo wszystkie zalety i wady działania badanego prototypu. 3. Podsumowanie Opracowana metoda projektowania urządzeń z wykorzystaniem inspiracji przyrodniczych umożliwia wprowadzenie do projektów nowego kierunku ich rozwoju. Znacząco poszerza wiedzę projektanta. Wiąże się to jednak z konieczności wypracowania u pro-

7 jektanta zupełnie nowego spojrzenia na przyrodę. Takiego, które pozwala dostrzec w niej nieograniczoną bazę rozwiązań szczególnie w zakresie mechaniki i budowy maszyn. Korzystanie z tej bazy wiedzy wymusza jednak potrzebę zrozumienia mechanizmów działających w przyrodzie. Zespoły projektowe powinny korzystać z konsultacji biologów w czasie realizacji projektów a inżynier projektant powinien zrozumieć i opisać za pomocą modelu mechanizmy obserwowane w przyrodzie. Określenie charakterystyki i funkcji obiektu Badania biologiczne Opracowanie wstępnego projektu koncepcyjnego Opracowanie wstępnego projektu koncepcyjnego Ocena projektów koncepcyjnych Opracowanie prototypu demonstracyjnego Wykonanie prototypu Testy urządzenia prototypowego Rys. 7 Etapy projektowania z wykorzystaniem bioniki Cały proces projektowania i budowy na każdym z etapów poddawany był rygorystycznie działaniom mającym na celu uproszczenie konstrukcji. Minimalizacji zapotrzebowania energetycznego poprzez zmniejszenie ilości elementów wykonawczych i sterujących pracą urządzenia. W układzie sterowania zastosowano znormalizowany sterownik PLC, który umożliwiła szybkie przygotowanie i testowanie kilku wersji programu [7,8]. Po

8 zakończeniu programowania i sprawdzeniu poprawności działania programu w czasie prób na sucho. Następnie przygotowano próby w terenie i wodowanie napędu. Praca układu napędowego umożliwiła sprawną realizację ruch pojazdu nawodnego, w którym zamontowano pędnik wodno-odrzutowy. Dla prototypu przeprowadzono badania umożliwiające weryfikację przygotowanego modelu i sprawdzenie rzeczywistych wartości prędkości, przyśpieszenia oraz ciśnień w pędniku wodno-odrzutowym. Literatura 1. Anderson E. J., Grosenbaugh M. A.: Jet flow in steadily swimming adult squid. The Jurnal of Experimental Biology. Published by The Company of Biologists Kowal J., Sioma A.: Metoda budowy obrazu 3D produktu z wykorzystaniem systemu wizyjnego, The method of building 3D product image using vision system, Acta Mechanica et Automatica, ISSN , Sioma A. (2011), Projektowanie CAD z wykorzystaniem danych z systemu wizyjnego, Mechanik miesięcznik naukowo-techniczny, ISSN , Nr 12 s Sioma A., Samek A.: Bionika - twórcza inspiracja dla inżynierów, Bionics: inspiration for engineers. Monografia: Agencja Specjalistyczna Prasa i Książka, ISBN , Katowice Kowal J., Sioma A.: Active vision system for 3D product inspection: Learn how to construct three-dimensional vision applications by reviewing the measurements procedures. Control Engineering; ISSN , 2009 vol Denny M., Miller L.: Jet propulsion in the cold: mechanics of swimming in the Antarctic scallop Adamussium colbeck, The Jurnal of Experimental Biology, Published by The Company of Biologists Flaga S.: Programowanie sterowników PLC w języku drabinkowym, Legionowo : Wydawnictwo BTC, 2010, ISBN Dominik I., Flaga S.: PLC's programming with examples, Kraków : DELTA J.\,A. JAGŁA 2011, ISBN Podziękowania Pracę wykonano w ramach badań statutowych zrealizowanych w Katedrze Automatyzacji Procesów działającej w strukturach Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki na AGH Akademii Górniczo-Hutniczej.