ANALIZA DYNAMICZNA MODELU OBIEKTU SPECJALNEGO Z MAGNETOREOLOGICZNYM TŁUMIKIEM

Transkrypt

1 ANALIZA DYNAMICZNA MODELU OBIEKTU SPECJALNEGO Z MAGNETOREOLOGICZNYM TŁUMIKIEM Marcin BAJKOWSKI*, Robert ZALEWSKI* * Intytut Podtaw Budowy Mazyn, Wydział Samochodów i Mazyn Roboczych, Politechnika Warzawka, ul. Narbutta 84, 0-54 Warzawa granada@pompy.pl, robertzalewki@wp.pl Strezczenie: Prezentowana praca dotyczy analizy dynamicznej modelu obiektu pecjalnego, w którym w miejce dotychczaowego amortyzatora prężyto ciernego, proponuje ię zatoowanie amortyzatora magnetoreologicznego. W celu realizacji zadania zotał opracowany chemat mechaniczny rzeczywitego obiektu pecjalnego, a natępnie opracowano jego model dynamiczny, w którym dotychcza toowany amortyzator cierny, zotał zatąpiony przez prototyp amortyzatora MR. Dla tak opracowanego modelu formułowane zotały równania ruchu jego elementów, a natępnie wykonane zotały badania ymulacyjne. Zamiezczono przykładowe rezultaty badań.. WSTĘP W automatycznych lub półautomatycznych kontrukcjach obiektów pecjalnych, bardzo ważnym, a jednocześnie trudnym do rozwiązania zadaniem, jet zapewnienie odpowiedniej celności. Decydującymi parametrami, od których ta itotna dla użytkownika obiektu cecha zależy, ą parametry, związane bezpośrednio z rozwiązaniami kontrukcyjnymi i parametrami ruchu głównych elementów mechanicznych oraz ich obciążeniami dynamicznymi. Itotną rolę odgrywają także reakcje chemiczne zachodzące, w toowanej amunicji. Właściwy dobór elementów kładowych obiektu w itotny poób poprawia jego tabilność po zajściu reakcji chemicznej, dzięki czemu naprowadzanie na cel jet znacząco ułatwione. W będącym przedmiotem zaintereowania obiekcie, urządzeniami, które dobrze nadają ię i mogą być wykorzytane, w proceie poprawy jego parametrów ekploatacyjnych, ą należące do rodziny materiałów inteligentnych, tłumiki lub amortyzatory z cieczami magnetoreologicznymi (MR). Wobec możliwości łatwej zmiany ich właściwości i parametrów za pomocą zmiany wartości natężenia prądu, wydaje ię, że po rozwiązaniu problemów związanych ze terowaniem i adaptacją tego typu urządzeń do obiektów pecjalnych, itnieją realne przełanki do twierdzenia, że w omawianym zakreie, podnieienie właności ekploatacyjnych omawianych obiektów jet możliwe, w topniu nieporównywalnym, w tounku do rozwiązań toowanych aktualnie.. CEL, PRZEDMIOT, ZAKRES PRACY ORAZ METODYKA BADAWCZA Głównym celem prezentowanej pracy jet udowodnienie, iż poprzez zatoowanie truktury inteligentnej jaką jet tłumik magnetoreologiczny, w dynamicznej trukturze obiektu pecjalnego, możliwe jet zamierzone terowanie jego właściwościami w taki poób, który pozwala na poprawę parametrów drgań wybranych jego elementów. Tak formułowany cel pracy może być oiągnięty poprzez: budowę, opi matematyczny i ymulację ruchu odpowiedniego modelu dynamicznego obiektu oraz zczegółowe zbadanie wpływu jego parametrów, na zmiany charakterytyk ruchu najitotniejzych, z ekploatacyjnego punktu widzenia, wybranych elementów obiektu pecjalnego. Realizację potawionego w tytule pracy zadania, zdecydowano ię oprzeć ię na jednym z rzeczywitych rozwiązań technicznych obiektu, który jet aktualnie produkowany i którego zdjęcie zamiezczone zotało na ryunku. Ry.. Zdjęcie karabinu reprezentującego grupę analizowanych obiektów pecjalnych W niniejzej pracy, trukturę modelu uprozczono w taki poób, aby w pełni odwzorowywał wzytkie główne jego cechy i ekploatacyjne zachowania, a jednocześnie, aby w poób proty i jany wkazywał, kutki poprawy cech dynamicznych poprzez zatoowanie w nim, tłumika magnetoreologicznego. Proponowana metodyka badawcza opiera ię na założe- 5

2 Marcin Bajkowki, Robert Zalewki Analiza dynamiczna modelu obiektu pecjalnego z magnetoreologicznym tłumikiem niu, że realizacja zadania wymagać będzie rozwiązania zadań, które dotyczą: budowy modelu dynamicznego obiektu, jego opiu matematycznego, rozwiązania różniczkowych równań ruchu i ymulacji ruchu jego elementów przy założeniu, że znane ą niezbędne parametry i charakterytyki dotyczące zarówno modelu jak i jego części kładowych, w tym w zczególności, zatoowanej truktury inteligentnej oraz analizy obiektu pecjalnego, w którym zotanie uwzględniony wpływ, wyznaczonych wcześniej charakterytyk tłumika magnetorelogicznego na jego cechy dynamiczne. Ry.. Główne zepoły truktury obiektu 3. BUDOWA I PARAMETRY DYNAMICZNEGO MODELU OBIEKTU 3.. Główne zepoły kontrukcyjne obiektu Główne zepoły truktury analizowanego obiektu zotały przedtawione na ryunku. Są to: podtawa karabinu wraz z łożem i zamocowaną nieruchomo lufą, widełkami i wmontowanym mechanizmem obrotu; zepół uwadła wraz z napędem; karabin właściwy. Szczegółowy opi budowy obiektu, a także zaada działania wzytkich jego elementów przedtawione zotały w pracy Bajkowkiego M. i innych (005) oraz Bajkowkiego M. (007). 3.. Główny podzepół amortyzujący Analizując jeden cykl przebiegu proceu amoczynnego działania mechanizmów karabinu (ryunek ) należy zwrócić zczególną uwagę na rolę jaką pełnią wzelkiego rodzaju elementy prężyte i amortyzujące obiektu. Jednym z głównych elementów amortyzujących, który ma decydujące znaczenie przy oiąganiu prawidłowych parametrów ekploatacyjnych (celności) obiektu jet zepół amortyzujący w kład którego wchodzi element prężyty (walcowa prężyna ścikana) i tłumiący (tłumik tarciowy) Model dynamiczny analizowanego obiektu Kierując ię wytycznymi, które w poób bardzo zczegółowy zaprezentowane zotały w pracy Bajkowkiego M. (007), zaproponowano model dynamiczny obiektu (ryunek 3). Odwzorowano w nim wzytkie najważniejze zepoły i elementy kontrukcyjne analizowanej broni. Uwzględniono także zaadę jej działania, a wielkość i dobór, tworzących trukturę modelu, kolejnych ciał i elementów je łączących, dobrano wykorzytując wzelkie możliwe dotępne źródła informacji. Wpółrzędne opiujące położenie środka ciężkości S k karabinu właściwego to a i b ; przyjęto, że jego maa wynoi m k. Gwałtowne, przenozone na tylną część karabinu właściwego, niewytłumione uderzenia uwadła ą dodatkowym elementem wymuzającym jego ruch. Łagodzenie kutków takiego oddziaływania to zadanie zepołu tłumiącego. W pierwotnym rozwiązaniu tanowią go element prężyty o ztywności kł i amortyzator prężyto cierny. W niniejzej pracy zotał on zatąpiony amortyzatorem magnetoreologicznym, który na ryunku 4 reprezentuje element oznaczony jako MRF. 6

3 Ry. 3. Model dynamiczny analizowanego obiektu z tłumikiem MRF Ry. 4. Model dynamiczny wielkokalibrowego karabinu mazynowego UTIOS -,7 z reologicznym modelem amortyzatora magnetoreologicznego oraz elementami prężytymi zatępującymi ograniczniki ruchu 3.4. Obciążenia modelu obiektu W analizowanym przypadku modelu broni pierwotnym źródłem obciążeń różnych elementów obiektu jet prochowy ładunek miotający. Powyżze procey realizowane ą amoczynnie, a ich cza trwania nie przekracza kilkunatu miliekund; zotały one zczegółowo opiane w pracy Bajkowkiego M. (007). Skutkują one: obciążeniem tłoka w komorze gazowej przenozącym ię na pozotałe elementy modelu, oraz zjawikiem oddziaływania głównej reakcji chemicznej w przetrzeni lufy za pocikiem powodując odrzut i podrzut broni. Przyjęte na ryunku 3 oznaczenia obciążające model dotyczą: P g iły gazowej oddziaływującej na uwadło i P g wypadkowej iły gazowej. W przedtawionej na ryunku 4 trukturze obiektu 7

4 Marcin Bajkowki, Robert Zalewki Analiza dynamiczna modelu obiektu pecjalnego z magnetoreologicznym tłumikiem przyjęty zotał model reologiczny tłumika magnetoreologicznego zczegółowo przeanalizowano w pracach Bajkowkiego J. (004), Bajkowkiego J. i innych (005) oraz Bajkowkiego M. i innych (00). 4. SFORMUŁOWANIE RÓŻNICZKOWYCH RÓWNAŃ RUCHU Z UWZGLĘDNIENIEM JEDNOSTRONNYCH OGRANICZNIKÓW RUCHU 4.. Otateczna potać modelu dynamicznego obiektu i równania ruchu Opierając ię na dokumentacji technicznej analizowanego obiektu, na doświadczeniach kontruktorów oraz wiedzy włanej, z zakreu budowy modeli dynamicznych układów, opracowany zotał, odpowiadający trukturze przedtawionej na ryunku, model dynamiczny karabinu (ryunek 4). Dla tak formułowanego modelu dynamicznego obiektu, odpowiednie równania ruchu, przyjmują potać: ϕ{ [ b + ( a x ) ] mk + [ b3 + ( a3 x ) ] m + ( I + I + I3) } + (a) + xb 3m + xbmk ϕ{ [ x mk ( a + x ) + x m ( a3 + x )] + C a } ϕ k a + g( m x m x ) = P b + P b 3 + x r 5 [ r 5 k ] g l g ϕ b m + x m + x C x C + ϕ g m ( k + τkz ) x( k + τkz ) + τkzδ = Pg (b) ϕ b mk + x mk x C + x ( C + C ) x 4C + ϕ g mk (c) x( k + τk z ) + x( Kl + k + kl + τk z ) x4kl = Pg x ( C + C ) + x k x k 0 C x4 l 4 l = (d) gdzie: x, x, x 3, x 4 przemiezczenia odpowiednio: uwadła, karabinu właściwego, parametry modelu reologicznego tłumika MRF, φ przemiezczenie kątowe łoża, a i, b i parametry geometryczne elementów modelu, m k, m may karabinu i uwadła, I i maowe momenty bezwładności elementów obiektu, k r, C r parametry ztywności i tłumienia modelu trzelca, k, C wpółczynnik ztywności i wpółczynnik tłumienia zderzaka uwadła, k z, k z ztywności zderzaków łoża, C, C wpółczynniki tłumienia modelu reologicznego tłumika MR, K l ztywność elementu łączącego łoże z podtawą, k ztywność zderzaka komory zamkowej Wyprowadzenie powyżzych równań ruchu oraz ich zczegółową analizę przedtawiono w pracy Bajkowkiego M. (007); tam też znajdują ię dokładne objaśnienia wzytkich przyjętych na ryunku 4, oznaczeń, a także określenie warunków ruchu rozpatrywanych elementów obiektu. 4.. Uwagi dotyczące modelowania ił wymuzających ruch elementów modelu Czynnikiem inicjującym i podtrzymującym normalny proce ekploatacji obiektu ą będące wynikiem zachodzących proceów chemicznych, iły gazowe. W równaniu opiujących ruch ciał modelu dynamicznego obiektu wytępują one jako wyrażenia P g oraz P g. Dla realizacji formułowanego w pracy zadania, korzytano z części rezultatów badań jakie wykonane zotały na poligonie fabrycznym i dotyczyły pomiarów wartości iły gazowej, rejetrowanej u wylotu lufy urządzenia i przeprowadzone zotały dla przypadków: -trzałów pojedynczych oraz dla przypadków -trzałów eriami (po pięć trzałów). Na podtawie zarejetrowanych przebiegów zmian wartości ciśnień (ryunek 5a) możliwe jet odtworzenie przebiegu iły gazowej działającej u wylotu lufy karabinu (ryunek 5b). Proce obróbki rezultatów tych badań i przytoowania ich do formy jaka była przydatna do badań ymulacyjnych opiany zotał w pracach Bajkowkiego M. (005, 007) Ry. 5. Rzeczywite wartości iły gazowej zmierzone u wylotu lufy karabinu UTIOS-.7, w przypadku trzału pojedynczego : a) przebieg rejetrowany, b) interpolacja przebiegu 5. SYMULACJA RUCHU MODELU OBIEKTU Do ymulacji ruchu zbudowanego modelu obiektu pecjalnego (ryunek 5), autorzy przyjęli wzytkie takie główne parametry charakteryzujące analizowany obiekt (ryunki, ), które zotały zamiezczone w tablicy 3.3 pracy Bajkowkiego M. (007); uzupełnieniem ą również dane zawarte w tablicach 3. oraz 3. znajdujące ię w tej pracy. W związku z ograniczeniami edytorkimi zaprezentowano jedynie pojedynczy przykład ymulacji ruchu elementów modelu. Ilutruje on reakcję ytemu na wymuzenie trzałem pojedynczym (ryunek 6). Dotyczą one badań modelu dynamicznego badanego obiektu, który zilutrowany zotał na ryunku 3, gdy na obiekt ten działa wymuzenie, w potaci powrotnej iły gazowej, w formie przedtawionej na ryunek 5b. 8

5 6. PODSUMOWANIE PRACY X X t[] Konieczność ograniczenia niniejzej pracy nie pozwala na zeroką prezentację zarówno rezultatów badań jak i ich interpretacji. Dlatego, w podumowaniu, ograniczono ię do bardzo ogólnego twierdzenia, iż itnieją praktycznie nieograniczone możliwości wykorzytywania tłumików magnetoreologicznych do poprawy warunków ekploatacyjnych obiektów pecjalnych. W odnieieniu do produktu będącego tworem myśli inżynierkiej formułowane powyżej twierdzenie oznacza, iż itnieje duża łatwość wykorzytania inteligentnego amortyzatora magnetoreologicznego do natychmiatowych zmian wartości parametrów dynamicznych, a więc również poprawy, wybranych parametrów pracy, w wielkokalibrowym karabinie mazynowym, bez konieczności poważnych jego zmian kontrukcyjnych. LITERATURA X 4 φ t[] t[] t[]. Bajkowki J. (004), Analyi of Influence of Some Magnetorheological Damper Parameter on Energy Diipation and Aborption Propertie, Machine Dynamic Problem, Vol. 8, No 3, Bajkowki J., Grzeikiewicz W., Holnicki J., Parafiniak M., Wołejza Z. (005), Analyi of the influence of magnetorheological damper on the airplane chai loading during landing, ECOMAS, Lizbona. 3. Bajkowki M., Grzeikiewicz W., Knap L. (00), Etude de amortieur magnetorheologique, Cahier de Mécanique -03; -9-eme Seminaire Franco-Polonai de Mécanique, Polytech Lille. 4. Bajkowki M., Grzeikiewicz W., Sofonea M. (005), Etude, modeliation et recherche de la temperature ur la diipation de l energie d un amortieur magnetorheologique, XIII Seminaire Franco-Polonai de Mecanique, Edition Polytech Lille. 5. Bajkowki M. (004), Modelowanie i analiza dynamiczna złożonego obiektu mechanicznego, Mat. XII Seminaire Franco-Polonai de Mécanique, Varovie. 6. Bajkowki M. (007), Analiza wpływu wybranych charakterytyk tłumika magnetoreologicznego na zmianę właściwości dynamicznych modelu obiektu pecjalnego, Praca doktorka, Politechnika Warzawka, Warzawa. DYNAMIC ANALYSIS OF SPECJAL OBJECT MODEL WITH MR DAMPER Ry. 6. Rezultaty badań ymulacyjnych: zmiany wartości przemiezczeń uwadła (a), przemiezczeń karabinu właściwego (b), przemiezczeń tłoczyka amortyzatora MR (c) oraz przemiezczeń kątowych podtawy karabinu (d); wartości parametrów wg. tablic z pracy Bajkowkiego M. (007), wartość gazowej iły powrotnej wymuzającej ruch ciał modelu 0% ogólnej iły gazowej, zmiana wartości iły wymuzającej według ryunku 7 pracy Bajkowkiego M. (007), cza ymulacji 0, Abtract: Preented work concern a dynamic analyi of the pecial object model where a traditional elatic-frictional damper i replaced by an MR damper. To realize previouly mentioned aim a mechanical cheme of the real object ha been developed. Then the dynamic model ha been propoed including the prototype of an MR damper ubtituting a claical olution. For uch a model a movement equation have been formulated. Afterward numerical imulation have been conducted. Typical experimental reult have been preented. 9