We wtorek, 15 lipca br. w Sali Rady Wydziału Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej w Gliwicach odbyła się publiczna dyskusja nad rozprawą doktorską pracownika Centrum Mechanizacji Górnictwa KOMAG, pana mgr. inż. Krzysztofa Mazurka. Temat pracy doktorskiej brzmiał następująco: "Wpływ parametrów akumulatora gazowego na odpowiedź stojaka hydraulicznego przy zadanym wymuszeniu".
Jej promotorem był dr hab. inż. Stanisław Szweda, prof. nzw. w Politechnice Śląskiej, natomiast recenzji rozprawy doktorskiej dokonali panowie: prof. dr hab. inż. Antoni Kalukiewicz z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie oraz dr hab. inż. Marek Jaszczuk, prof. nzw. w Politechnice Śląskiej.
Przedmiotem pracy doktorskiej jest wykorzystanie metody elementów skończonych, jako narzędzia wspomagającego proces badania i projektowania akumulatora gazowego, w zakresie określenia wpływu takich jego parametrów technicznych, jak: początkowe ciśnienie gazu, początkowa objętość komory akumulatora, masa tłoka akumulatora, na odpowiedź stojaka przy zadanym wymuszeniu. Pojęcie „odpowiedź stojaka hydraulicznego przy zadanym wymuszeniu” oznacza, zarówno parametry charakteryzujące przebieg czasowy ciśnienia medium roboczego, takie jak: maksymalna wartość ciśnienia medium roboczego w przestrzeni podtłokowej stojaka, tempo jego przyrostu, jak również częstości drgań własnych układu mechanicznego stojak – akumulator gazowy i współczynniki tłumienia odniesione do częstości drgań własnych.
Na podstawie analizy literatury przedmiotu oraz przeprowadzonych wstępnych symulacji komputerowych oddziaływania obciążenia dynamicznego na stojak w wykonaniu standardowym tezę pracy sformułowano następująco:
Parametry techniczne akumulatora gazowego, takie jak: początkowa objętość komory, początkowe ciśnienie gazu oraz masa tłoka, istotnie wpływają na przebieg czasowy ciśnienia medium roboczego w przestrzeni podtłokowej stojaka hydraulicznego obciążonego dynamicznie.
Biorąc pod uwagę tezę pracy oraz potrzeby wynikające z procesu projektowania określono następujące cele pracy
Cele poznawcze:
Weryfikację uzyskanych modeli przeprowadzono w oparciu o wyniki badań stojaków hydraulicznych na stanowisku z generatorem obciążenia dynamicznego. Weryfikacja zgodności modelu MES stojaka z akumulatorem gazowym i stojaka w wykonaniu standardowym z obiektami rzeczywistymi polegała na porównaniu przebiegów czasowych zsuwu stojaka oraz ciśnienia medium roboczego i ciśnienia gazu, uzyskanych podczas pomiarów wykonanych na stanowisku, z wynikami symulacji komputerowej tych przebiegów. Wymuszenie zewnętrzne działające na stojak rozparty w stanowisku badawczym modelowano wykorzystując pomiary przemieszczenia tłoka generatora obciążenia dynamicznego. Biorąc pod uwagę:
Zweryfikowane doświadczalnie modele MES wykorzystano do analizy wrażliwości parametrów charakteryzujących odpowiedź stojaka na parametry techniczne charakteryzujące akumulator gazowy. Celem ograniczenia liczby symulacji komputerowych niezbędnych do przeprowadzenia analizy wrażliwości, w odniesieniu do początkowej objętości komory akumulatora oraz początkowego ciśnienia gazu zastosowano metodę planowania eksperymentu. W wyniku przeprowadzonych analiz stwierdzono co następuje:
Przedstawione w pracy badania stanowiskowe i obliczenia numeryczne oraz wnioski wyciągnięte na ich podstawie, uzasadniają konieczność prowadzenia dalszych prac badawczych, których podstawowym celem jest wdrożenie akumulatorów gazowych o parametrach technicznych dobranych zgodnie metodyką przedstawioną w niniejszej pracy.
Na podstawie analizy literatury przedmiotu oraz przeprowadzonych wstępnych symulacji komputerowych oddziaływania obciążenia dynamicznego na stojak w wykonaniu standardowym tezę pracy sformułowano następująco:
Parametry techniczne akumulatora gazowego, takie jak: początkowa objętość komory, początkowe ciśnienie gazu oraz masa tłoka, istotnie wpływają na przebieg czasowy ciśnienia medium roboczego w przestrzeni podtłokowej stojaka hydraulicznego obciążonego dynamicznie.
Biorąc pod uwagę tezę pracy oraz potrzeby wynikające z procesu projektowania określono następujące cele pracy
Cele poznawcze:
- Określenie wrażliwości parametrów charakteryzujących odpowiedź układu stojak hydrauliczny – akumulator gazowy przy zadanym wymuszeniu na zmianę cech konstrukcyjnych akumulatora gazowego.
- Opracowanie zweryfikowanej doświadczalnie metody modelowania stojaka hydraulicznego wyposażonego w akumulator gazowy.
- Opracowanie metodyki doboru parametrów technicznych akumulatora gazowego, takich jak: początkowa objętość komory oraz początkowe ciśnienie gazu.
Weryfikację uzyskanych modeli przeprowadzono w oparciu o wyniki badań stojaków hydraulicznych na stanowisku z generatorem obciążenia dynamicznego. Weryfikacja zgodności modelu MES stojaka z akumulatorem gazowym i stojaka w wykonaniu standardowym z obiektami rzeczywistymi polegała na porównaniu przebiegów czasowych zsuwu stojaka oraz ciśnienia medium roboczego i ciśnienia gazu, uzyskanych podczas pomiarów wykonanych na stanowisku, z wynikami symulacji komputerowej tych przebiegów. Wymuszenie zewnętrzne działające na stojak rozparty w stanowisku badawczym modelowano wykorzystując pomiary przemieszczenia tłoka generatora obciążenia dynamicznego. Biorąc pod uwagę:
- współczynnik korelacji pomiędzy wielkościami fizycznymi rejestrowanymi podczas badań i wyznaczonymi numerycznie, o wartości większej od 0,977,
- procentowy błąd zgodności – definiowany jako błąd względny wyznaczania wartości maksymalnej rozpatrywanej wielkości fizycznej – o wartości mniejszej od 5,01 %
Zweryfikowane doświadczalnie modele MES wykorzystano do analizy wrażliwości parametrów charakteryzujących odpowiedź stojaka na parametry techniczne charakteryzujące akumulator gazowy. Celem ograniczenia liczby symulacji komputerowych niezbędnych do przeprowadzenia analizy wrażliwości, w odniesieniu do początkowej objętości komory akumulatora oraz początkowego ciśnienia gazu zastosowano metodę planowania eksperymentu. W wyniku przeprowadzonych analiz stwierdzono co następuje:
- Zmniejszenie masy tłoka akumulatora gazowego wpływa niekorzystnie na przebieg czasowy ciśnienia medium roboczego w przestrzeni podtłokowej stojaka. W porównaniu z tłokiem akumulatora, wykonanym ze stali, około 3 – krotne zmniejszenie jego masy skutkuje wzrostem maksymalnej wartości ciśnienia medium roboczego o 8 % oraz wzrostem średniego tempa narastania ciśnienia o około 30 %.
- Początkowa objętość komory akumulatora gazowego ma większy wpływ na maksymalną wartość ciśnienia medium roboczego w przestrzeni podtłokowej stojaka, niż początkowe ciśnienie gazu, natomiast początkowe ciśnienie gazu silniej wpływa na średnie tempo przyrostu ciśnienia medium roboczego.
- Pierwsza częstość własna układu mechanicznego stojak hydrauliczny – akumulator gazowy występuje w paśmie 448 ÷ 922 rad∙s-1 i jest znacznie większa od częstości wymuszenia spowodowanego dynamicznym oddziaływaniem górotworu na obudowę. Dlatego też, wywołanie drgań rezonansowych rozpatrywanego układu mechanicznego wskutek dynamicznego oddziaływania górotworu na obudowę wyrobiska, jest mało prawdopodobne.
Przedstawione w pracy badania stanowiskowe i obliczenia numeryczne oraz wnioski wyciągnięte na ich podstawie, uzasadniają konieczność prowadzenia dalszych prac badawczych, których podstawowym celem jest wdrożenie akumulatorów gazowych o parametrach technicznych dobranych zgodnie metodyką przedstawioną w niniejszej pracy.