Hydrostatyczny układ napędowy elementów wykonawczych platformy lądowej

Transkrypt

1 BARTNICKI Adam 1 MUSZYŃSKI Tomasz 2 Hydrostatyczny układ napędowy elementów wykonawczych platformy lądowej WSTĘP Specyfika zadań realizowanych przez współczesne bezzałogowe pojazdy lądowe, możliwość wykorzystania ich w zadaniach ratownictwa ogólnego, stawia bardzo wysokie wymagania zarówno ich układom napędowym jak również systemom sterowania nimi. Podstawowym wymaganiem dla tego typu rozwiązań jest zapewnienie dużej mobilności i precyzji sterowania podczas prowadzonych misji rozpoznawczych i ratowniczych, a także odpowiednio dużych sił i momentów elementów wykonawczych osprzętów roboczych. Postępujący rozwój elementów hydraulicznych, ich niezawodność i podatność na sterowanie, sprawia iż coraz częściej w rozwiązaniach układów napędowych współczesnych bezzałogowych platform lądowych stosowane są hydrostatyczne układy napędowe, które zapewniają zarówno uzyskanie bardzo dobrych parametrów trakcyjnych pojazdu, jak i odpowiednio dużych sił na ich osprzętach roboczych [1,3,5]. Niewątpliwym atutem tego typu rozwiązań jest względnie długi czas pracy tych platform, ograniczony jedynie pojemnością zbiorników paliwa (zasilających silniki spalinowe), w odróżnieniu od robotów napędzanych z wykorzystaniem elektrycznych układów napędowych, których czas pracy jest ograniczony pojemnością ogniw akumulatorowych. Pełne wykorzystanie potencjalnych możliwości tychże układów napędowych możliwe jest jedynie w przypadku wprowadzenia nowoczesnych systemów sterowania nimi. Pojawienie się nowej technologii sterowania podzespołami hydraulicznymi systemu CAN-bus w wersji mobilnej otworzył nowe, długo oczekiwane możliwości w dziedzinie sterowania osprzętami i procesami roboczymi maszyn wyposażonych w hydrostatyczne układy napędowe [1,3,5]. W referacie przedstawiono propozycję rozwiązania hydrostatycznego układu napędowego działka wodnego dla bezzałogowego, zdalnie sterowanego pojazdu ratowniczego. 1. WYKORZYSTANIE DZIAŁEK WODNYCH W AKCJACH GAŚNICZYCH I RATOWNICZYCH Szerokie spektrum zadań realizowanych z wykorzystaniem działek wodnych przez zastępy straży pożarnej i jednostki ratownicze powoduje, że działka niejednokrotnie stanowią kluczowy element decydujący o powodzeniu akcji gaśniczych i ratowniczych. Stąd też bardzo istotnym staje się zagadnienie zapewnienia odpowiedniej ilości i jakości podawanego środka gaśniczego, w rozumieniu natężenia strumienia i jego rozproszenia, a więc zastosowania poprawnie dobranego układu napędowego. Typowymi zadaniami realizowanymi z wykorzystaniem działek wodnych są (rysunek 1): neutralizacja ognia, neutralizacja par substancji niebezpiecznych, izolacja ulatniających się gazów, obniżanie temperatury rozgrzanych elementów, inne. 1 Wojskowa Akademia Techniczna; Warszawa; ul. gen.s.kaliskiego 2. Tel: , abartnicki@wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna; Warszawa; ul. gen.s.kaliskiego 2. Tel: , tmuszynski@wat.edu.pl 375

2 a) c) b) d) Rys. 1. Wykorzystanie działek wodnych w akcjach gaśniczych i ratowniczych: a) gaszenie pożaru z wykorzystaniem strumienia zwartego [7], b) zapobieganie rozprzestrzenianiu się dymu z wykorzystaniem kurtyny wodnej [8], c) schładzanie zbiorników z olejem napędowym [9], d) schładzanie pasa startowego z wykorzystaniem wozu strażackiego wyposażonego w dwa działka wodne i zespół zraszaczy [10] Głównym zadaniem, do którego wykorzystywane są działka wodne jest gaszenie pożarów. Wysoka temperatura uniemożliwiająca zbliżenie się strażaka (ratownika) do źródła ognia powoduje, że w zadaniach tych najczęściej używa się prądów zwartych generowanych przez działka wodne, które posiadają dużą energię mechaniczną i umożliwiają podawanie strumienia wody lub środka gaśniczego z odległości kilkudziesięciu metrów od źródła ognia. Strumień prądu zwartego działa miejscowo co umożliwia skierowanie go w określone miejsce (rys. 1a). Innym zadaniem, realizowanym z wykorzystaniem działek wodnych jest zabezpieczenie przed rozprzestrzenianiem się pyłu, gazu i dymu oraz neutralizacja par substancji niebezpiecznych. W przypadku przedostawania się wyżej wymienionych czynników do otoczenia działka wodne wykorzystuje się do wytworzenia prądów mgłowych lub kroplistych. Rozpylona kurtyna wodna skutecznie zapobiega rozprzestrzenianiu się substancji niebezpiecznych i utrzymuje je w wydzielonej i ograniczonej strefie zagrożenia (rys. 1b). Kolejnym zadaniem, do którego wykorzystywane są działka wodne jest obniżanie temperatury obiektów znajdujących się w strefie pożaru. Do takich obiektów zalicza się przede wszystkim zbiornik z substancjami grożącymi wybuchem w wyniku działania wysokiej temperatury. Są to miedzy innymi cysterny, zbiorniki paliwa, rurociągi i zbiorniki ciśnieniowe. Do schładzania używa się prądów zwartych i kroplistych ponieważ mają one zasięg od kilku do kilkudziesięciu metrów, dzięki czemu zapewniają podawanie środka chłodzącego z bezpiecznej odległości (rys. 1c). Działka wodne stosowane są również w przypadku konieczności pokrycia pianą przestrzeni zagrożonej zapaleniem się lub przedostaniem substancji niebezpiecznych. Do wyjątkowych zadań należy schłodzenie i pokrycie pasa startowego pianą w przypadku lądowania samolotu 376

3 z uszkodzonym podwoziem. Pas schładza się intensywnym kroplistym strumieniem wody i pokrywa pianą w celu minimalizacji zagrożenia powstania pożaru podczas lądowania (rys. 1d) [6]. 2. DZIAŁKA WODNE STOSOWANE W AKCJACH GAŚNICZYCH I RATOWNICZYCH Rozwiązania konstrukcyjne działek gaśniczych jednoznacznie zdeterminowane są ich wykorzystaniem w konkretnych zadaniach gaśniczych i ratowniczych. Niemniej jednak urządzenia te powinny charakteryzować się zespołem cech wspólnych, do których należą zarówno cechy związane z odpornością i wytrzymałością konstrukcyjną, jak również parametry bezpośrednio wpływające na strukturę ilościową i jakościową tworzonego strumienia gaśniczego czy dekontaminującego [2]. Dlatego też działka powinny być wykonane z materiałów odpornych na korozję oraz oddziaływanie dodatków dodawanych do wody, takich jak neutralizatory substancji niebezpiecznych. Zastosowane materiały powinny być odporne na maksymalne ciśnienie pracy działka tj. 16 bar. Wymagania te powinna spełniać również prądnica kształtująca strumień gaśniczy, montowana na końcu działka. Konstrukcja działka powinna umożliwiać jego obrót w płaszczyźnie poziomej o kąt minimum 330. Kąt obrotu działka w płaszczyźnie pionowej powinien wynosić co najmniej od -30 (w dół) do +80 (w górę) mierząc od poziomu. Sterowanie działkiem powinno odbywać się w sposób ręczny, elektryczny lub hydrauliczny. W uzasadnionych przypadkach działka powinny być przystosowane do sterowania zdalnego na drodze radiowej. Sterowanie powinno być płynne, bez przerw w pracy i zahamowań. Działko powinno być wyposażone w ograniczniki obrotu w obu płaszczyznach, oraz w zabezpieczanie przed przemieszczaniem wywołanym reakcją strumienia wypływającego medium gaśniczego. Działko powinno posiadać zawór odcinający wykonany w taki sposób, aby jego otwarcie nie powodowało zjawiska uderzenia hydraulicznego. Rura przez którą podawane jest medium gaśnicze powinno być wykonane w kształcie sercówki, półsercówki, litery S lub innym kształcie zapewniającym odpowiednie przeniesienie energii przepływającego strumienia wody i zmniejszenie sił oddziaływujących na elementy sterujące działkiem lub na operatora. Natężenie przepływu medium gaśniczego dla działek, nie powinno być większe niż 1600 dm 3 /min. Zaleca się jednak aby nominalna wydajność nie przekraczała 1059 dm 3 /min. Rzeczywiste natężenie przepływu przy nominalnym ciśnieniu nie powinno się różnić od nominalnego natężenia o więcej niż 10%. Działko powinno mieć możliwość wytwarzania zarówno prądów zwartych jak i rozproszonych (kroplistych i mgłowych). W przypadku prądów rozproszonych, powinna istnieć możliwość zmiany kąta rozproszenia, jednak kąt rozwarcia stożka strumienia nie powinien być mniejszy niż 90º. Zalecane jest, aby wielkość rozproszonych kropel była jak najmniejsza lub, aby rozproszenie było w postaci prądu mgłowego o małej dyspersji a jednocześnie aby zapewniony był odpowiedni zasięg strumienia. W przypadku prąd zwartego, działko powinno zapewniać jak najbardziej zwarty strumień. Minimalny zasięg działka przy prądzie zwartym powinien wynosić 40m. Wszystkie materiały wykorzystywane przy budowie działka powinny wykazywać odporność na korozję. Gotowe elementy działka poddaje się próbie antykorozyjnej wykonanej zgodnie z normą ISO 9227 i EN :2001. Działka wodne powinny być odporne na działanie temperatury -15 ºC przez czas 30 minut, oraz 55 ºC przez czas 24 godzin. Po poddaniu obu tym próbom działko powinno posiadać parametry pracy jak przed próbą [6]. Na rysunku 2 przedstawiono wybrane rozwiązania konstrukcyjne działek wodnych stosowanych w akcjach gaszenia pożarów i zapobiegania rozprzestrzenianiu się substancji niebezpiecznych. Zapewniają one podawanie strumienia środka gaśniczego z wydajnością do 4800 dm 3 /min przy ciśnieniu do 8 bar (tabela 1). Działka te mogą być zarówno montowane na pojazdach, ustawiane na przejezdnych platformach lub też bezpośrednio na gruncie w obszarze realizacji zadań gaszenia pożarów. Działka sterowane elektrycznie stosunkowo łatwo jest zaadoptować dla potrzeb zdalnego sterowania w bezzałogowych pojazdach ratowniczych. 377

4 a) c) b) d) Rys. 2. Wybrane rozwiązania konstrukcyjne działek wodnych stosowanych w akcjach gaszenia pożarów i zapobiegania rozprzestrzeniania się substancji niebezpiecznych: a) działko wodne Twister 16/24 [11], b) działko wodno-pianowe Mercury Quick Attack [12], c) działko wodne APOLLO 1x110mm [13], d) działko wodne Pokabronze 2000 [14]. Tab. 1. Parametry wybranych działek wodnych 378

5 3. HYDROSTATYCZNY UKŁAD NAPĘDOWY ZDALNIE STEROWANEGO DZIAŁKA GAŚNICZEGO W ramach prowadzonych badań nad możliwością wykorzystania zdalnie sterowanych, bezzałogowych platform lądowych do zadań specjalnych, w ramach współpracy Katedry Budowy Maszyn WAT z firmą HYDROMEGA, Wojskowym Instytutem Chemii i Radiometrii, Instytutem Technologii Eksploatacji i Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpożarowej, powstał bezzałogowy pojazd wysokiej mobilności, przeznaczony do realizacji zadań związanych ze zmniejszaniem zagrożenia wywołanego niekontrolowanym uwalnianiem substancji niebezpiecznych. Pojazd będzie używany wszędzie tam, gdzie w wyniku kolizji z udziałem lądowych środków transportowych, awarii obiektów przemysłowych czy celowego użycia środków niebezpiecznych, wystąpi zjawisko uwalniania się substancji zagrażających życiu i zdrowiu człowieka. Pojazd zbudowano na bazie sześciokołowej platformy wysokiej mobilności o masie 3500 kg, napędzanej hydrostatycznym układem napędowym i sterowanej w oparciu o magistralę CAN w systemie teleoperatora (rys.3). Wyposażono go między innymi w zestaw urządzeń do pobierania próbek skażonego otoczenia, system jakościowej i ilościowej identyfikacji skażenia, rozrzutnik sorbentu, a także działko wodne, które wykorzystywane jest w procesie dekontaminacji pojazdu po opuszczenie strefy skażonej substancjami szkodliwymi, a które może z powodzeniem być wykorzystywane do gaszenia pożarów, pod warunkiem dostarczenia odpowiedniej ilości środka gaśniczego [2]. Rys. 3. Zdalnie sterowana, bezzałogowa platforma lądowa do zadań zmniejszenia zagrożenia wywołanego niekontrolowanym uwalnianiem substancji niebezpiecznych Platformę wyposażono w działko wodne Tornado o wydajności do 2000 dm 3 /min przy ciśnieniu roboczym 8 bar, zakres ruchu w poziomie i w pionie. Działko sterowane jest elektrycznie z wykorzystaniem zarówno łącza przewodowego jak i radiowego (rys. 4). 379

6 Rys. 4. Działko wodne Tornado [6] Dobierając układ napędowy pompy wodnej działka, zdecydowano się na wykorzystanie hydrostatycznego układu napędowego (rys.5). Wykorzystanie jednostki zmiennej wydajności w postaci pompy wielotłoczkowej pozwoliło uzyskać odpowiednie parametry podawanego strumienia środka gaśniczego z możliwością płynnej regulacji jego natężenia. Przeprowadzone obliczenia zapotrzebowania mocy w układzie napędowym oraz wyznaczone wielkości strat w układzie hydraulicznym z uwzględnieniem sprawności poszczególnych elementów, były podstawą projektu hydrostatycznego układu napędowego pompy wodnej działka. Rys. 5. Hydrostatyczny układ napędowy pompy wodnej działka: 1 Silnik spalinowy, 2 sprzęgło elektromagnetyczne, 3 pompa hydrauliczna, 4 filtr, 5 pompa przepłukująca, 6 zawór zwrotny, 7 zawór maksymalny, 8 silnik hydrauliczny, 9 pompa wody Zaproponowano hydrostatyczny układ napędowy zamknięty z dodatkową pompą przepłukującą i układem zaworów zabezpieczających układ przed przeciążeniem, wynikającym między innymi ze stosunkowo dużej bezwładności pompy wodnej. Ponieważ nawet krótkotrwała praca pompy bez przetłaczania środka gaśniczego (praca na sucho) może doprowadzić do jej uszkodzenia, w układzie zasilania zastosowano czujnik poziomu środka gaśniczego, który przy jego minimalnym, dopuszczalnym poziomie generuje sygnał sterujący do sterownika pompy hydraulicznej, przesterowujący ją na wydajność zerową. 380

7 WNIOSKI Przedstawione rozwiązanie hydrostatycznego układu napędowego, jednego z elementów wykonawczych platformy lądowej jakim jest działko wodne, pozwala na uzyskanie odpowiednich parametrów generowanego strumienia środka gaśniczego. Niewątpliwą zaleta takiego rozwiązania jest stosunkowo łatwy sposób doprowadzenia energii od silnika napędowego do działka (pompa hydrauliczna może być napędzana bezpośrednio z wału napędowego silnika pojazdu), jak również odporność tego układu na przeciążenia. Zastosowanie sterowania objętościowego z wykorzystaniem pompy zmiennej wydajności zwiększa koszt takiego rozwiązania, ale jednocześnie zmniejsza wielkość strat w układzie, które miałyby miejsce w przypadku sterowania dławieniowego. Dla polepszenia parametrów pracy układu w systemie sterowania można wykorzystać jednostki napędowe, których sterowanie oparte jest na magistrali CAN i sterownikach obsługujących ten standard. Opracowanie odpowiednich procedur i algorytmów sterujących pozwoli z łatwością sterować ilościowymi i jakościowymi parametrami strumienia gaśniczego czy dekontaminującego, co ma szczególne znaczenie w przypadku realizacji zadań gaszenia pożarów lub zapobiegania zdarzeniom destrukcyjnym związanym z uwalnianiem się substancji niebezpiecznych w trybie zdalnym. Streszczenie Specyfika zadań realizowanych przez współczesne bezzałogowe pojazdy lądowe, możliwość wykorzystania ich w zadaniach ratownictwa ogólnego, stawia bardzo wysokie wymagania zarówno ich układom napędowym jak również systemom sterowania nimi. Podstawowym wymaganiem dla tego typu rozwiązań jest zapewnienie dużej mobilności i precyzji sterowania podczas prowadzonych misji rozpoznawczych i ratowniczych, a także odpowiednio dużych sił i momentów elementów wykonawczych osprzętów roboczych. Postępujący rozwój elementów hydraulicznych, ich niezawodność i podatność na sterowanie, sprawia iż coraz częściej w rozwiązaniach układów napędowych współczesnych bezzałogowych platform lądowych stosowane są hydrostatyczne układy napędowe, które zapewniają zarówno uzyskanie bardzo dobrych parametrów trakcyjnych pojazdu, jak i odpowiednio dużych sił na ich osprzętach roboczych. W referacie przedstawiono propozycję rozwiązania hydrostatycznego układu napędowego działka wodnego dla bezzałogowego, zdalnie sterowanego pojazdu ratowniczego. Ground vehicle actuator s hydrostatic drive system Abstract Specific tasks facing modern unmanned grounds vehicles and possibility of use in emergency actions are big test for UGV drive and control systems. High mobility, accurate controlling, relatively big forces and torque in actuators are one of basic challenges during recon and rescue missions. Growing market, reliability and simple control of hydraulic components make them one of the prevalent solutions in UGV drive systems. The hydrostatic drive system ensure high traction parameters and relatively big forces in actuators This paper presents conception of water cannon s hydrostatic drive system for a rescue unmanned ground vehicle. BIBLIOGRAFIA 1. Bartnicki A. : Pojazdy specjalne stosowane w akcjach ratowniczych jednostek straży pożarnej, LOGISTYKA 6/ Bartnicki A., Dąbrowska A., Muszyński T. : Dystrybucja środka gaśniczego i dekontaminującego dla ratowniczej, bezzałogowej platformy lądowej, Technika Transportu Szynowego nr 10/2013r. 3. Bartnicki A., Łopatka M.: Wymagania stawiane platformom mobilnym w zadaniach zmniejszenia zagrożenia wywołanego niekontrolowanym uwalnianiem substancji niebezpiecznych LOGISTYKA 6/ Garbacik A. i inni: Studium projektowania układów hydraulicznych. Ossolineum, Kraków Konopka S., Łopatka M.J., Muszyński T., Typiak A., Bezzałogowe platformy lądowe. Nowoczesne technologie systemów uzbrojenia, WAT, Warszawa

8 6. Sprawozdanie z realizacji projektu rozwojowego Nr 0048/R/T00/2010/12 pt.: Technologia zmniejszenia zagrożenia wywołanego niekontrolowanym uwalnianiem substancji niebezpiecznych 7. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ). 382