Dissertation/Thesis Tesis de la Universidad de Zaragoza Fernández Concellón, Pedro José Baselga Ariño, Santiago Clavero Gracia, Carmelo Development, analysis and validation of a passive system compensator of accelerations applicable to transport delicate loads 2254-7606 2017-091 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. eng mecánica; vibraciones; mechanical engineering; vibrations; Universidad de Zaragoza, Prensas de la Universidad Zaragoza 2017 2017

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