Dobór silnika hydraulicznego dla podwozia bazowego robota ratowniczego

Transkrypt

1 JASKÓŁOWSKI Mirosław1 KROGUL Piotr 2 RUBIEC Arkadiusz3 SPADŁO Kacper4 Dobór silnika hydraulicznego dla podwozia bazowego robota ratowniczego WSTĘP Szczególnym przykładem aktywności ludzkiej są działania ratownicze (rys.1.). Często prowadzone są one w niesprzyjających warunkach terenowych, a od tempa ich realizacji zależy życie ludzkie. Są to akcje bardzo stresogenne, tym trudniejsze im większy jest poziom zmęczenia psychofizycznego ratowników biorących w nich udział. Szczególne zagrożenie stanowią akcje prowadzone na terenach potencjalnie skażonych (rys.1.). Zwiększenie skuteczności czynności wykonywanych przez człowieka na terenach trudnodostępnych wymaga wyposażenia go w "środek", dzięki któremu możliwe będzie zwiększenie efektywności jego działań. Jest to możliwe po opracowaniu i wdrożeniu do służb ratowniczych technologii mobilnych bezzałogowych platform lądowych (BPL). Rys.1. Przykłady niebezpiecznych akcji ratowniczych: a) akcja po trzęsieniu ziemi i przejściu fali tsunami w Japonii w 2011 roku [6]; b) brak możliwości dojechania służb ratowniczych po osunięciu się drogi [7] Opracowanie w pełni funkcjonalnego robota ratowniczego wymaga jednak dysponowania podwoziem (platformą bazową), którego zabudowanie umożliwi wykonanie robotów ratowniczych w różnych wersjach. Jednym z kluczowych problemów jakie należy rozwiązać, jest zapewnienie robotowi rozwinięcia wysokich sił napędowych i uciągu w zróżnicowanych warunkach terenowych i na podłożach o zmiennych współczynnikach przyczepności. 1. KONCEPCJA PODWOZIA BAZOWEGO Dotychczasowe prace przeprowadzone w zespole Maszyn Inżynieryjnych i Robotów wykazały, że przewidywane do realizacji przez robota zadania, najefektywniej wykonywane będą przez trzyosiowego, 6 - cio kołowego robota o masie całkowitej ok. 400 kg z kołowym układem bieżnym, zdolnego przewieźć ładunek o masie całkowitej wynoszącej 100 kg. Uwzględniając dostępną do zabudowy przestrzeń oraz podatność obsługową zdecydowano o zastosowaniu w robocie zawieszenia z wahaczami wzdłużnymi (rys. 1). 1 Katedra Budowy Maszyn WAT, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, mjaskolowski@wat.edu.pl Katedra Budowy Maszyn WAT, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, pkrogul@wat.edu.pl 3 Katedra Budowy Maszyn WAT, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, arubiec@wat.edu.pl 4 Katedra Budowy Maszyn WAT, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, kspadlo@wat.edu.pl 2 447

2 Rys.2. Schemat struktury podwozia bazowego dla robota ratowniczego Obszary kataklizmów i klęsk żywiołowych z reguły są usytuowane w terenie trudnodostępnym, lub wręcz niedostępnym dla klasycznych ratowniczych pojazdów terenowych. Dlatego robot ratowniczy powinien cechować się wysoką zdolnością do pokonywania przeszkód terenowych (mobilnością). Pożądany czas nieprzerwanej pracy, bez uzupełniania źródła energii, powinien wynosić ok. 8h (dopuszczalny czas pracy ratownika bez odpoczynku). Dlatego zdecydowano o zastosowaniu w platformie bazowej hydrostatycznego układu napędowego, zasilanego silnikiem spalinowym. Napęd doprowadzany będzie do wszystkich 6 kół, niezależnie. Postępujący rozwój konstrukcji elementów hydraulicznych, ich niezawodność i wprowadzanie nowoczesnych układów sterowania (CAN-bus) sprawia, że konstrukcje hydrostatyczne znajdują coraz szersze zastosowanie. Podstawowymi aspektami przemawiającymi za ich wykorzystywaniem do napędzania układów bieżnych są [1, 2, 3, 4]: łatwość kształtowania układu przenoszenia napędu od silnika spalinowego do kół bieżnych, możliwość uzyskania bezstopniowej zmiany przełożenia, wykorzystywanie korzystnego obszaru pracy silnika spalinowego, eliminacja rozłączalnych sprzęgieł, skrzyń biegów, przekładni rozdzielczych za silnikiem napędowym, eliminacja przekładni rozdzielczych za skrzyniami biegów, do napędu urządzeń dodatkowych wykorzystując energię hydrauliczną cieczy, możliwość realizowania napędu odwróconego, zabezpieczenie silnika napędowego przed przeciążeniem, możliwość realizowania jazdy z automatyczną zmianą przełożenia. Elementami bezpośrednio napędzającymi każde z kół są silniki hydrauliczne. Ich odpowiedni dobór pozwala podwoziu bazowemu osiągnąć bardzo wysoki poziom mobilności. 2. DOBÓR SILNIKÓW HYDRAULICZNYCH Podstawowym kryterium, jakim kierowano się dobierając silnik hydrauliczny, była wartość rozwijanego maksymalnego momentu M max napędowego, obliczanego zgodnie z zależnością: q p M max (1) 2 gdzie: q - chłonność jednostkowa silnika hydraulicznego, p - różnica ciśnień między wejściem i wyjściem silnika hydraulicznego. Wartość wymaganego momentu M W momentu została oszacowana przy założeniu równomiernego rozkładu masy na poszczególne koła, dla dwóch warunków współpracy układu bieżnego z podłożem: - przy pracy ciągłej, gdy trzy koła podwozia mają kontakt z podłożem, a współczynnik przyczepności = 0,8 - wówczas M W = 270 Nm; - przy pracy chwilowej, gdy trzy koła mają kontakt z podłożem, a współczynnik przyczepności = 1 (kształtowa współpraca ogumienia z podłożem) - wówczas M W = 333 Nm. 448

3 Maksymalna prędkość obrotowa wałka silnika hydraulicznego powinna umożliwić platformie osiągnięcie prędkości jazdy wynoszącej 15 km/h. Ponieważ promień dynamiczny kół jezdnych wynosi r D = 0,2 m, wymaganą prędkość obrotowa wałka silnika oszacowano na n 200 obr/min. Na podstawie analizy dostępnych na rynku, produkowanych obecnie silników hydraulicznych, ich niezawodności i możliwości montażu bezpośrednio w kole (założenie projektowe) zdecydowano, że rozpatrywane będą silniki gerotorowe firmy Sauer - Danfoss (tab. 1). Tab.1. Podstawowe parametry techniczne analizowanych silników hydraulicznych [5] OMRWN / OMEW OMEW OMPW / OMPW / Typ silnika OMRWNF OMPWN 160 OMPWN OMRWN / OMRWNF 160 q s, cm 3 /obr 124,1 155,4 156,7 194,6 125,7 159,6 n max, ciągła obr/min chwilowa M max, ciągły Nm chwilowy N max, kw ciągła ,5 10 chwilowa ,5 12,5 p, bar ciągłe chwilowe Q max, ciągłe dm 3 /min chwilowe m, kg 9,5 9,8 6,1 / 6,1 6,3 / 6,3 9,7 / 14,7 10,0 / 15,0 Zgodnie z informacjami producenta, wartości chwilowe parametrów technicznych (tab. 1) mogą być osiągane przez 10 % czasu w każdej minucie pracy rozpatrywanych silników hydraulicznych. Graficzne zestawienie możliwych do osiągnięcia wartości prędkości obrotowych i momentów napędowych z wartościami wymaganymi przedstawiono na rysunku 3. Rys.3. Zestawienie wartości wymaganych i możliwych do osiągnięcia przez poszczególne silniki hydrauliczne: a) prędkości obrotowej; b) momentu napędowego: 1 - OMEW 125, 2 - OMEW 160, 3 -OMPW/OMPWN 160, 4 - OMPW/OMPWN 200, 5 - OMRWN/OMRWNF 125, 6 - OMRW/OMRWNF

4 Maksymalna prędkość obrotowa (rys.3a), którą jest w stanie osiągnąć każdy z silników, jest akceptowalna, tzn. robot jest w stanie osiągnąć wymaganą prędkość jazdy 15 km/h. Jedynie silnik OMEW 160 jest w stanie rozwinąć w zakresie pracy ciągłej (rys.3b) wymagany moment obrotowy o wartości 333 Nm (kontakt 3 kół z podłożem - współczynnik przyczepności 1). Pozostałe silniki osiągają go w zakresie pracy chwilowej (do 10 % czasu każdej minuty). Wszystkie rozwiązania są w stanie osiągnąć w zakresie pracy ciągłej moment 270 Nm, czyli wymagany przy kontakcie 3 kół z podłożem i współczynniku przyczepności wynoszącym 0,8. Jednym z głównych elementów decydujących o trwałości silników hydraulicznych są ich łożyska[8, 9]. Obciążenie podczas pracy determinuje ich niezawodność. Rozpatrywane silniki standardowo wyposażone są w łożyska wałeczkowe, natomiast silniki w wersji N - w łożyska igiełkowe. Producenci podają dwie dopuszczalne wartości obciążenia silników: a) promieniowe, b) osiowe - w kierunku płyty przyłączeniowej i przeciwnie zwrócone. Wartość dopuszczalnego obciążenia promieniowego zależna jest od: a) odległości obciążenia od płyty przyłączeniowej silnika hydraulicznego, b) prędkości obrotowej wałka silnika hydraulicznego. Im większa odległość koła od płyty przyłączeniowej i prędkość obrotowa wałka, tym wartość dopuszczalnego obciążenia promieniowego jest mniejsza (rys.4). Rys.4. Porównanie dopuszczalnych obciążeń promieniowych i osiowych silników hydraulicznych: a) silników z łożyskami wałeczkowymi OMPW; b) silników z łożyskami igiełkowymi OMPW N [5] Wartość wymaganego obciążenia zdefiniowano w następujący sposób: a) obciążenie promieniowe 1666 N - dla przypadku jazdy podwozia z maksymalną prędkością 15 km/h i chwilowym styku trzech kół z podłożem, b) obciążenie osiowe 880 N - dla przypadku podparcia robota na trzech kołach jednej burty - utrata stateczności podczas jazdy po zboczu o nachyleniu 60 %. Dopuszczalne wartości obciążeń promieniowych i osiowych w zależności od typu silnika hydraulicznego zestawiono w tabeli

5 Tab.2. Zestawienie dopuszczalnych wartości obciążeń wałków silników hydraulicznych OMEW 125, 160 OMPW 160, 200 OMPW N 160, 200 OMRW N/OMRW NF 125 i 160 Promieniowe Osiowe Typ silnika Maksymalne obciążenie, N Maksymalne obciążenia wszystkich rozpatrywanych silników (tab.2), zarówno promieniowe jak i osiowe, są większe od wartości wymaganych. Sprawność ogólna silników hydraulicznych determinuje zapotrzebowanie na moc potrzebną do ich napędu [8, 9]. Jej wartość zależna jest od punktu pracy silnika hydraulicznego, czyli prędkości obrotowej jego wałka oraz rozwijanego momentu napędowego (rys.5). Rys.5. Porównanie punktów pracy silników rozpatrywanych wybranych hydraulicznych: a) OMP 160, b) OMP 200 [5] 451

6 Na analizowane charakterystyki (rys.5), naniesiono następujące dwa skrajne punkty pracy silników hydraulicznych: a) punkt nr 1 - podczas prostopadłego wjazdu podwozia na wzniesienie o nachyleniu 60 % z prędkością jazdy wynoszącą 1 m/s, po podłożu o współczynniku oporów toczenia f = 0,8, b) punkt nr 2 - podczas jazdy po płaskim utwardzonym podłożu o współczynniku oporów toczenia f = 0,02 z maksymalną prędkością 4,2 m/s. W tabeli 3 zestawiono wartości sprawności całkowitych rozpatrywanych silników hydraulicznych dla przyjętych punktów pracy. Z uwagi na brak charakterystyk silników typu OMEW zostały one pominięte. Tab. 3. Porównanie sprawności ogólnych rozpatrywanych silników hydraulicznych Typ silnika OMPW/OMPWN OMPW/OMPWN OMRW N/OMRW OMRW N/OMRW Punkt NF 125 NF 160 pracy Sprawność ogólna, % Największą sprawność w punkcie 1 osiąga silnik OMRW 160, najmniejszą OMRW 125. W punkcie 2 sytuacja jest odwrotna. Najmniejsze zmiany sprawności między punktami pracy silników występują w przypadku silników typu OMP. Różnica ta wynosi zaledwie 3 %, gdy w pozostałych przypadkach ok. 7-8 %. WNIOSKI Wyniki przeprowadzonych badań, umożliwiają sformułowanie następujących wniosków: 1. Efektywne prowadzenie działań ratowniczych na obszarach objętych klęskami żywiołowymi z wykorzystaniem robotów wymaga, aby wyposażony był on w podwozie o wysokiej zdolności pokonywania przeszkód terenowych. 2. Zbudowanie podwozia z hydrostatycznym układem napędowym zwiększy niezawodność konstrukcji. Jednym z jego kluczowych elementów decydującym o możliwościach rozwijania siły napędowej jest silnik hydrauliczny. 3. Analiza warunków pracy robota zbudowanego na podwoziu bazowym pozwoliła na określenie punktów pracy silników hydraulicznych oraz wymaganych obciążeń, jakie mogą wystąpić podczas jazdy. 4. Porównanie parametrów wybranych silników hydraulicznych (masa, dyspozycyjne momenty napędowe, dopuszczalne prędkości obrotowe wałków, ich obciążenia oraz sprawność ogólna) pozwoliły na ostateczny wybór silnika (OMPW 160) dla potrzeb podwozia bazowego robota ratowniczego. Streszczenie Współcześnie prowadzone działania ratownicze, niejednokrotnie realizowane są w obszarach niedostępnych dla klasycznych pojazdów ratowniczych (wozy strażackie, karetki pogotowia itp.). Wykorzystanie teloperowanych platform bezpośredniego wspieraniu człowieka w ratownictwie wymaga ich wysokiej zdolności do pokonywania przeszkód terenowych - ekstremalnej mobilności. O zdolności tej decyduje między innymi efektywność i skuteczność działania układu napędowego. Zastosowanie w podwoziu bazowym ekstremalnej mobilności hydrostatycznego układu napędowego m.in. zabezpieczy platformę przed przeciążeniem. W referacie opisano metodę doboru silników hydraulicznych dla podwozia bazowego. Określono w tym celu charakterystyczne punkty pracy. Hydraulic motor selection for rescue robot chassis Abstract Current rescue operations are conducted in areas inaccessible for standard rescue vehicles (fire trucks, ambulances, etc.). Usage of remote control closed human support platforms in such situations requires from them the ability to negotiate harsh terrain obstacles. This ability depends on the effectiveness and the efficiency 452

7 of the drive system. Equipping the platform with a hydrostatic drive system protects it from overloading. In this paper the method of selecting hydraulic motors for these types of platforms is described. For this purpose characteristic work points were defined. BIBLIOGRAFIA 1. Bartnicki A., Sprawka P.: Zastosowanie hydrostatycznych układów napędowych we współczesnych maszynach i pojazdach lądowych, LOGITRANS, Szczyrk Budny E.: Napęd i sterowanie układów hydraulicznych w maszynach roboczych. ITE, Radom Garbacik A. i inni: Studium projektowania układów hydraulicznych. Ossolineum, Kraków Konopka S., Łopatka M. J., Przybysz M.: Kinematic discrepancy of hydrostatic drive of Unmanned Ground Vehicle. ITELMS'2013 8th International Conference Intelligent Technologies in Logistics and Mechatronics Systems. Panevezys. Litwa. Maj Katalog firmy Sauer - Danfoss 6. Strona internetowa 7. Strona internetowa 8. Stryczek S.: Napęd hydrostatyczny tom I, Wydawnictwo Naukowo - Techniczne, Warszawa Szydelski Z.: Napęd i sterowanie hydrauliczne w pojazdach i samojezdnych maszynach roboczych, Wydawnictwo Naukowo - Techniczne, Warszawa