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Development, analysis and validation of a passive system compensator of accelerations applicable to transport delicate loads

Fernández Concellón, Pedro José
Baselga Ariño, Santiago (dir.) ; Clavero Gracia, Carmelo (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2017
(Ingeniería Mecánica)


Resumen: Esta tesis aborda el campo de la compensación pasiva de aceleraciones horizontales e introduce un nuevo enfoque sobre el transporte de cargas delicadas y pacientes en vehículos. La compensación pasiva de aceleraciones ha sido ampliamente estudiada y algunas de sus aplicaciones se encuentran en vehículos, aparatos y edificios. Aquí se introduce y analiza el diseño de un sistema multicuerpo 3D utilizado para transportar cargas delicadas o personas, capaz de compensar aceleraciones de forma pasiva en un porcentaje específico (no necesariamente al 100%, se define de acuerdo a las exigencias de la carga que se transporta en él).
En primer lugar, se ha llevado a cabo una revisión de la literatura en el campo de la compensación pasiva de aceleraciones durante la que se han encontrado diferentes sistemas aplicados al transporte ferroviario, al transporte por carretera, en edificios y otros aparatos, tales como equipamiento médico. Aunque estos sistemas comparten el objetivo de compensar aceleraciones de forma pasiva con el sistema analizado en esta tesis, difieren de dicho sistema en el modo en que alcanzan la compensación, en las direcciones en que se consigue, y/o en su capacidad para compensar aceleraciones. Esto es por lo que tras revisar el estado del arte en este campo, el diseño de este nuevo sistema ha seguido adelante. En esta revisión, algunos problemas que pueden aparecer durante el transporte por carretera de cargas delicadas y/o personas se han tenido en consideración durante el diseño del sistema.
Teniendo un diseño general del sistema, sin limitar su aplicación a un uso específico, se ha llevado a cabo su parametrización para plantear un modelo matemático de sus ecuaciones de movimiento. En su parametrización se han teniendo en cuenta las dimensiones de sus componentes, sus masas, inercias y los coeficientes de amortiguamiento de los amortiguadores. Los sólidos que lo integran tienen un comportamiento como sólido rígido, pueden moverse en un espacio tridimensional, tienen su masa concentrada en su centro geométrico, sus tensores de inercia sólo tienen valores en la diagonal principal y los amortiguadores han sido modelados caracterizando únicamente su comportamiento viscoso, sin tener en cuenta el fenómeno de fricción en estos ni en las uniones entre los sólidos.
Las ecuaciones de movimiento del sistema han formado un sistema no lineal de ecuaciones diferenciales algebráicas de segundo orden que ha sido resuelto mediante un método de integración numérica (programado manualmente por completo) basado en el método de Newton-Raphson, sobre el que se han llevado a cabo una serie de modificaciones para hacer que el método resolviese el sistema de la manera más eficiente posible. Se ha actuado sobre el tamaño de paso, el tipo de selección del mismo (fijo o variable) y la fórmula empleada para aproximar las derivadas. Los resultados obtenidos con el método de integración propuesto han sido contrastados con los resultados que se obtienen al simular el movimiento del sistema en un programa de análisis dinámico de sistemas multicuerpo, MSc Adams.
Tras validar computacionalmente el modelo matemático general, se ha particularizado el análisis del sistema multicuerpo 3D para su aplicación en el transporte de pacientes en ambulancias. Para esta aplicación, la configuración del sistema que se ha analizado se comporta cinemáticamente como un mecanismo de cuadrilátero articulado, por tratarse de un ejemplo significativo que facilita el análisis del movimiento del sistema.
Las dimensiones del sistema y las características de sus amortiguadores necesarias para adaptar el diseño del sistema a esta aplicación específica han sido obtenidas tras realizar dos tipos de análisis. En ellos no se ha tenido en cuenta el fenómeno de fricción entre las partes del sistema ni la transmisión de vibraciones entre ellas ni entre éstas y el vehículo. Esto requiere un modelado del sistema más complejo y realista y una caracterización específica del vehículo en el que se va a instalar.
El primer análisis, basado en la aplicación de la teoría del Diseño de Experimentos, ha analizado la influencia que dos paramétros dimensionales y las masas del sistema (por ser los parámetros más fácilmente modificables en la fase experimental) tienen sobre el movimiento de la base del sistema (los dos parámetros dimensionales) y sobre su modo natural de vibración (los dos parámetros dimensionales y las masas).
En el segundo análisis, en base a los resultados obtenidos con el primero y teniendo en cuenta las limitaciones dimensionales impuestas por la aplicación específica a la que se pretende destinar, se han determinado las dimensiones que debería poseer el sistema para poder alcanzar en su movimiento un porcentaje de compensación de aceleraciones específico y su factor de amortiguamiento para que su respuesta vibracional fuese apropiada para el transporte de personas en una posición tumbada. En este punto se han tenido en cuenta lo que anteriores investigaciones han encontrado con respecto al mareo y al malestar cuando las personas que mantienen una postura sentada están expuestas a diferentes tipos de oscilaciones (lateral pura, giro puro y lateral compensada al 100% con el giro).
La parte experimental de esta investigación está dividida en dos partes que se detallan a continuación.
La primera parte está centrada en el movimiento del sistema. Para ello, se han construido dos prototipos con los que se ha llevado a cabo una parte experimental en la Universidad de Zaragoza, que ha permitido validar la teoría sobre la que se ha basado la obtención del diseño del sistema y en la que se han detectado algunos problemas y limitaciones durante su diseño y montaje.
La segunda parte ha estado centrada en el efecto que diferentes tipos de oscilaciones tienen sobre el malestar de las personas. Como no se había llevado a cabo todavía un estudio del malestar, teniendo en cuenta oscilaciones en las que diferentes porcentajes de la aceleración lateral eran compensados con el giro ni considerando adoptar una postura tumbada, se realizó una estancia de investigación en el Instituto de Investigación de Sonido y Vibraciones de la Universidad de Southampton para ello. Dando continuidad a los estudios realizados anteriormente para personas que mantienen una postura sentada, el experimento incluyó, además de las oscilaciones anteriormente consideradas (lateral pura, giro puro y lateral compensada al 100% con el giro), un tipo de oscilación adicional (oscilaciones laterales compensadas en un 25% a través del giro) para personas en una posición tumbada, como si estuvieran tumbados en una camilla. Los resultados de este experimento han servido para determinar el intervalo de frecuencias y el tipo de oscilaciones bajo los que las personas son más sensibles a las aceleraciones horizontales laterales cuando mantienen una postura de decúbito supino. Mejoras en la percepción del malestar se han encontrado sólo en un intervalo limitado de frecuencias de todo el intervalo considerado en el experimento.
Esta investigación deja varias líneas abiertas. El modelo general parametrizado del sistema puede incorporar más parámetros que puedan ser de interés (materiales o fricción, entre ellos), así como considerar para los sólidos un comportamiento distinto al de sólido rígido. Si se cuenta con los medios adecuados, su validación puede llevarse a cabo experimentalmente y no sólo computacionalmente. La experimentación con personas puede contemplar además de la problemática del malestar, la del mareo y en ambas, más porcentajes de compensación de aceleraciones que los contemplados hasta ahora. Aparte de una aplicación para el transporte de pacientes, este sistema puede ser de interés para los fabricantes de productos delicados (como el vidrio o la cerámica), pero es necesario realizar un análisis particularizado del diseño del sistema para cada aplicación específica.


Resumen (otro idioma): This thesis deals with the field of passive compensation of horizontal accelerations and introduces a new approach to transport delicate loads or patients in vehicles. Passive compensation of accelerations has been studied largely and some of its applications are found in vehicles, devices and buildings. However, here it is introduced and analysed a 3D multibody system used to transport loads capable of compensating accelerations passively at a specific rate (no necessarily at 100%, it is defined according to the requirements of the load transported in it). Firstly, a literature review has been carried out during which different systems applied to railway transport, road transport, buildings and other devices, such as medical equipment, have been found. Although these systems share the aim of compensating accelerations passively with the system analysed in this thesis, they differ from it in the way of achieving this compensation and/or in the capabilities for compensating accelerations. This is why after reviewing the state of the art in this field, the design of this new approach has continued. In this review some problems that may arise during the road transportation of delicate loads and people have been considered for the design of the system. Having a general design of the system, without limiting its use for a specific purpose, the system has been parameterized in order to pose a mathematical model of its equations of motion. In this stage, the dimensions of its components, their masses, inertias and the damping coefficient of its dampers have been considered. The solids that form the 3D multibody system are considered to behave as rigid solids, can move in the tri-dimensional space, have their mass concentrated in their geometrical centre, their inertia tensors have values only in their principal axes and the dampers have been modelled characterizing only their viscous behaviour, without considering the phenomena of friction neither between them nor in the links between the solids. The equations of motion of the system have formed a nonlinear system of second order differential algebraic equations which has been solved through the Newton-Raphson numerical integration method. On it, several modifications have been carried out in order to make that the method solved the system as efficiently as possible. It has been acted on the size of the step, on the type of selection of the step (fixed or variable) and on the formulae used to approximate the derivatives. The results obtained with the proposed integration method have been compared against the results obtained after simulating the motion of the system in a software of dynamic analysis for multibody systems, MSc Adams. After being validated computationally the general mathematical model, it has been particularized the analysis of the 3D multibody system for its application for transporting patients in ambulances. For this application, the configuration of the system that has been analysed behaves kinematically like the articulated quadrilateral mechanism, because it is a significative example that eases the analysis of the motion of the system. The dimensions of the system and the characteristics of its dampers needed for this particular application have been obtained after applying two types of analysis. They have not considered the phenomena of friction between the parts of the system neither the transmission of vibrations among them nor among them and the vehicle. This requires a modelling of the system more complex and realistic and a specific characterization of the vehicle in which the system is going to be installed. The first analysis, through applying the Design of Experiments theory approach, has analysed the influence that two dimensional parameters and the masses of the system (because they are the parameters that can be modified most easily during experimentation) have on the motion of the base of the system (the two dimensional parameters) and on its natural mode of vibration (the two dimensional parameters and the masses). In the second analysis, based on the results obtained with the first analysis and having into account the dimensional limitations imposed by the specific application to which it is intended to be applied, the dimensions that the system should dispose in order to achieve a specific rate of compensation of accelerations during its motion have been determined and so its damping ratio in order to obtain a vibrational response appropriate for transporting patients in a recumbent supine posture. In this point, the results obtained in previous researches have been considered in what respect to discomfort and motion sickness for people who maintain a seated posture and are exposed to different types of oscillations (pure lateral, pure roll y and fully roll-compensated lateral oscillation). The experimental part of this research is divided into two parts that are detailed below: The first part is focused on the motion of the system. For it, two different prototypes of the 3D multibody system were built with which a experimental part has been carried out at the University of Zaragoza that has allowed to validate the theory on which the design of the system is based and on which some problems and limitations have been found during their assembly and design. The second part has been focused on the effect that different types of oscillations have on the discomfort of people. As a study of the discomfort of people who maintain a recumbent supine posture and considering roll-compensation of lateral oscillations at different rates had not been carried out previously, a research stay was carried out at the Institute of Sound and Vibration Research at the University of Southampton for it. Continuing with the studies carried out previously for people who maintain a seated posture, additionally to consider the types of oscillations previously analysed (pure lateral, pure roll and fully roll-compensated lateral oscillation) the experiment include a type of oscillation in which the lateral acceleration was roll-compensated at a rate of 25%, all for people who maintain a recumbent supine posture, like if they were lying on a stretcher. The results of this experiment have served to determine the range of frequencies and the types of oscillations under which people are more sensitive to lateral accelerations when they maintain a recumbent supine posture. Improvements in the perception of discomfort have been found only in a limited range of frequencies over the range of frequencies studied in the experiment. This research leaves open several future lines of research. The general model that has been parameterized can incorporate more parameters that can be of interest (materials or friction, among others) and also it can consider a behaviour for the solids that form part of the system different to the rigid solid behaviour. With appropriate means, the validation of the model can be done experimentally and not only computationally. The experimentation with people may consider in addition to discomfort, the problematic of motion sickness and for both, oscillations with more rates of roll-compensation of lateral oscillation. Additionally to the application of transporting patients, this system may be of interest for the manufacturers of delicate loads (like glass or ceramic products), but a specific analysis of the design of the system for its particular application is needed.

Pal. clave: mecánica ; vibraciones ; mechanical engineering ; vibrations

Área de conocimiento: Ing. e infraestructura de los transportes

Departamento: Ingeniería Mecánica

Nota: Presentado: 21 09 2017
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ingeniería Mecánica, 2017



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