Badania doświadczalne
Oprócz przedstawionych poniżej usług zachęcamy także do zapoznania się z bazą badawczą naszego laboratorium
Badania reakcji normalnych kół
Identyfikacja rozkładu ciężaru pojazdu na poszczególne koła poprzez pomiar reakcji normalnych na kołach umożliwia weryfikację parametrów pojazdu związanych z rozkładem obciążenia w przestrzeni ładunkowej, przekraczania dopuszczalnej ładowności itd.
Będące na wyposażeniu Katedry wagi najazdowe o zakresie pomiarowym do 200 kN pozwalają na przeprowadzenie, w warunkach eksploatacyjnych (bez stosowania dodatkowych urządzeń podnoszących, np.: suwnic), identyfikacji rozkładu obciążeń kół pojazdu, jego ciężaru lub masy, nacisków na osie oraz wyznaczenie położenia środka ciężkości (rys. 1). Duży zakres pomiarowy wag oraz wyposażenie dodatkowe pozwalają na prowadzenie niekonwencjonalnych badań oddziaływań układów jezdnych pojazdów przemysłowych z podłożem (rys. 2).
Badania sił uciągu / naporu pojazdów przemysłowych
Dysponujemy oprzyrządowaniem i widzą, które umożliwiają nam sprawne przeprowadzanie pomiarów sił uciągu lub/i sił naporu dla różnego typu mobilnych maszyn roboczych. Posiadamy szeroką gamą czujników siły o zakresach pomiarowych począwszy od 100 N a kończąc na 1000 kN. Do rejestracji mierzonych sił wykorzystujemy wzmacniacze pomiarowe renomowanej firmy Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. W przypadku potrzeby wykonania badań dużych maszyn oczekujemy współpracy w zakresie znalezienia miejsca do przeprowadzenia testów, ponieważ aktualnie nie posiadamy własnego poligonu.
Dla małych pojazdów przemysłowych o masie całkowitej do 2 ton potrafimy precyzyjnie ustalić siłę naporu z podziałem na poszczególne koła jezdne. W tym celu badany pojazd ustawiany jest na specjalnych wagach najazdowych. Wagi pozwalają na pomiar zarówno reakcji normalnych jak i stycznych oddziałujących na koła badanego pojazdu. Chwilowa suma zmierzonych reakcji stycznych w trakcie naporu osprzętem roboczym maszyny na pryzmę z materiałem rozdrobnionym lub pionową płytę oporową jest równa chwilowej sile naporu.
Eksperymentalna analiza modalna
Celem Eksperymentalnej Analizy Modalnej (EMA) jest wyznaczenie częstotliwości drgań własnych, wartości współczynników tłumienia i postaci drgań odpowiadających tym częstotliwościom.
Podstawową wielkością mierzoną podczas eksperymentalnej analizy modalnej jest funkcja odpowiedzi częstotliwościowej FRF (Frequency Response Function).
Funkcja FRF jest charakterystyką częstotliwościową, opisująca związek między siłą wymuszającą drgania F(f) a przyspieszeniem drgań X(f) jako sygnałem odpowiedzi. Sposób jej wyznaczania na rzeczywistych obiektach pokazano na rys. 2.
Na rys. 1 przedstawiono schemat układu pomiarowego dla przeprowadzenia eksperymentalnej analizy modalnej. Wzbudzanie drgań badanej struktury odbywa się najczęściej za pomocą elektrodynamicznego wzbudnika drgań lub młotka modalnego, które wyposażone są w czujnik siły.
Oprócz funkcji FRF podczas analizy modalnej jest mierzona funkcja koherencji COH, która służy do sprawdzenia jakości wykonanych pomiarów. Jest to funkcja, której wartości zawierają się w przedziale od 0 do 1. Jeśli wartości funkcji koherencji w przedziałach, w których występują częstotliwości drgań własnych są zbliżone do 1, to oznacza to, że odpowiedź układu (mierzone przyspieszenie) jest silnie zależna od wymuszenia i pomiar jest poprawny. W przeciwnym przypadku, gdy wartości funkcji koherencji są niższe od 0,5 to związek pomiędzy odpowiedzią układu a wymuszeniem jest mniejszy i istotny wpływ mogą mieć zakłócenia występujące podczas pomiaru.
Połączenie pomiędzy wzbudnikiem drgań a badaną strukturą jest realizowane za pomocą cienkiego pręta, jak na rys. 2.
W rezultacie analizy modalnej uzyskuje się informację o częstotliwościach i postaciach drgań własnych. Na rys. 3 przedstawiono wyniki analizy modalnej dla zasilacza hydraulicznego.
Na podstawie takich wyników możliwe jest ustalenie w jaki sposób przebiegają drgania struktury i jakie amplitudy występują dla poszczególnych obszarów tej struktury. Przy pewnych częstotliwościach drgań własnych występują bowiem drgania pojedynczych elementów struktury (rezonans lokalny), np. pokrywa wentylatora silnika elektrycznego.
Lokalizacja źródeł hałasu
Maszyny budowlane cechują się wysokimi poziomami hałasu zewnętrznego. Hałas maszyn budowlanych bardzo często nie zagraża operatorom tych maszyn- ponieważ hałas w kabinach zazwyczaj jest obniżony do warunków normowych- natomiast hałas na zewnątrz tych maszyn bardzo często przekracza wartości normowe i zagraża osobom znajdującym się w bezpośrednim ich sąsiedztwie. Skuteczna redukcja hałasu maszyn możliwa jest tylko wówczas, gdy ustalone jest, jakie źródła hałasu dominują w procesie jego powstawania. Stąd lokalizacja głównych źródeł hałasu jest zagadnieniem kluczowym dla ustalenia metod redukcji hałasu maszyn. W dalszej części opisano przykład takiego badania.
Do badań posłużyła uniwersalna maszyna kołowa MECALAC 12. Jej schemat przedstawia rys.1. Głównymi źródłami hałasu pochodzącymi od układu hydraulicznego są pompy i silniki hydrauliczne. W omawianej maszynie występują 3 pompy oraz 2 silniki hydrauliczne. Generowane przez nie wibracje i hałas mają wpływ na ogólny poziom hałasu maszyny.
Do lokalizacji źródeł hałasu zastosowano kamerę akustyczną (rys. 2). Pozwala ona na konwersję emisji dźwięku do postaci obrazu. Dzięki wizualizacji poziomów dźwięku na zdjęciu lub filmie wideo możliwa jest szybka lokalizacja źródeł hałasu. Przy zastosowaniu kamery akustycznej można lokalizować zarówno źródło dźwięku jak i poziom hałasu przez nie generowanego.
Kamera składa się z matrycy mikrofonowej, kamery wideo wbudowanej w matrycę, oraz modułów do przetwarzania obrazu i sygnału. Całość współpracuje z oprogramowaniem zainstalowanym na komputerze przenośnym.
Pomiary wykonane były na otwartej przestrzeni w celu uniknięcia zakłóceń od odbicia fal akustycznych od elementów otoczenia. Pomiar był wykonywany w odległości 5m i 10m. Maszyna była badana podczas pracy bez obciążenia na biegu jałowym dla prędkości obrotowych 1700 obr/min i 2150 obr/min, oraz podczas kopania ziemi z gruzem przy zmiennej prędkości obrotowej silnika. Dodatkowo wykonano pomiary przy otwartej osłonie komory silnika.
Rysunki 3 i 4 przedstawiają zdjęcia prawej strony maszyny wykonane z odległości 5m podczas pracy bez obciążenia dla dwóch prędkości obrotowych: 1700 obr/min oraz maksymalnej 2150 obr/min. Maksymalny poziom dźwięku to ok 83,5 dB dla 2150 obr/min.
Badania wskazują, że maszyny budowlane mogą generować stosunkowo wysokie poziomy hałasu zewnętrznego. Stwarzają zagrożenie dla osób przebywających w ich sąsiedztwie. Maszyny te pracują również często wewnątrz osiedli mieszkaniowych lub w miejscach o dużym natężeniu ruchu pieszych. Istnieje potrzeba opracowania metod redukcji hałasu zewnętrznego emitowanego przez maszyny budowlane oraz pracujące w przemyśle wydobywczym. Dalsze badania będą prowadzone dla innych maszyn roboczych, w tym maszyn kopalnianych, w celu określenia głównych źródeł hałasu oraz opracowaniu metod redukcji hałasu np. poprzez zaprojektowanie obudów o lepszej izolacyjności akustycznej, zastosowanie tłumików akustycznych i innych metod redukcji hałasu.
Optymalizacja i automatyzacja systemów urabiania i ładowania
Urabianie ośrodków rozdrobnionych maszynami roboczymi należy do bardzo energochłonnych procesów, a także niejednokrotnie bardzo skomplikowanych, wymagających dużego doświadczenia i skupienia operatora maszyny. Zasadnym jest zatem poszukiwanie rozwiązań, które umożliwiałyby optymalizację procesu urabiania czy ładowania (na przykład poprzez prowadzenie narzędzia po optymalnej z punktu widzenia energochłonności trajektorii). Katedra już od ponad 40 lat prowadzi badania związane z optymalizacją procesu urabiania, posiadając znaczą wiedzę np. dotyczącą różnych strategii napełniania łyżki ładowarki. Dzięki tej wiedzy i doświadczeniu, możliwe jest określenie optymalnego przebiegu procesu urabiania, dla różnych klas maszyn roboczych.
Jednakże wdrożenie optymalnej strategii urabiania wymaga powtarzalnego, stabilnego ruchowo prowadzenia narzędzia, co jest trudne do uzyskania nawet przez doświadczonego operatora. Dlatego w Katedrze prowadzone są badania nad automatyzacją pracy maszyn, zwłaszcza w aspekcie prowadzenia narzędzia roboczego w urabianym materiale. Dzięki automatyzacji urabiania czy ładowania, możliwe jest uzyskanie procesu optymalnego pod względem energochłonności, a także zużycia narzędzia.
Pomiary tensometryczne obciążeń
Podczas pracy maszyn i urządzeń dochodzi do zmian obciążenia ustroju nośnego oraz układu napędowego. Znajomość obciążeń umożliwia optymalizację przekrojów elementów oraz zmniejszenie mocy układu napędowego. Obniża to koszty produkcyjne. Zmniejsza się również zapotrzebowanie na energię, co jest korzystnie postrzegane przez kupujących.
Jednostka posiada doświadczenie w budowie dedykowanych układów do pomiarów parametrów pracy takich urządzeń, które już są na rynku lub planowane jest ich wprowadzenie. Oferowane na rynku produkty często nie odpowiadają wymiarom optymalizowanego urządzenia. Jako przykłady można wymienić np. pomiary tensometryczne przy użyciu sworzni łączących elementy maszyny.
Pomiar obciążeń zespołów roboczych maszyn jest także podstawą do tworzenia systemów automatyzujących prace tych urządzeń.
Pomiary drgań, ciśnienia, przepływu, temperatury
Parametry takie jak ciśnienie, przepływ są podstawowymi informacjami potrzebnymi do badania oraz późniejszego charakteryzowania i optymalizowania systemów hydraulicznych maszyn roboczych. Temperatura oraz parametry drgań elementów maszyn są z kolei podstawowymi sposobami określania ich stanu technicznego.
Katedra posiada wiedzę i sprzęt niezbędny do wyznaczenia np. częstotliwości drgań narzędzia, ciśnień niszczących, które mogą istotnie skrócić żywotność maszyny lub spowodować wymaganą akcję serwisową. Pomiary takich parametrów jak temperatura i przepływ pozwalają kontrolować ich wpływ na jakość wyrobu czy efektywność procesu produkcyjnego poprzez np. uzyskanie właściwych mieszanych proporcji.
Pomiary właściwości kinematycznych i dynamicznych pojazdów
Identyfikacja właściwości kinematycznych i dynamicznych maszyn roboczych i pojazdów jest przeprowadzana w celu weryfikacji założeń przyjmowanych na etapie konstruowania obiektu. Badania takie przeprowadza się w warunkach testów stanowiskowych (rig test) oraz testów drogowych (proving ground test). Podstawowe wielkości wyznaczane podczas takich testów dotyczą m.in. drogi rozpędzania i hamowania, drogi wybiegu, utrzymania zakładanej prędkości ruchu, osiąganych przyspieszeń i opóźnień. Zmienne obciążenia powstające podczas jazdy pojazdu, czy pracy maszyny roboczej mogą prowadzić do powstawania chwilowych niezgodności kinematycznych wpływających na stan dynamiczny obiektu, a ostatecznie na jego trwałość.
Katedra prowadzi badania poświęcone modelowaniu warunków eksploatacji maszyn roboczych i pojazdów oraz rejestracji wybranych obciążeń kinematycznych i dynamicznych. Wykorzystujemy w badaniach m.in. urządzenie pomiarowe firmy Peiseler GmBH (tzw. piąte koło)(rys.1-2), czujniki przyspieszeń PCB, urządzenia do rejestracji obrotów kół (rys. 3), czujniki przemieszczeń względnych firmy Micro-Epsilon (rys. 4) oraz mobilne rejestratory firmy HBM (rys.5).
