TDX/TDR - Departament de Mecànica de Fluids

Analysis of the suction chamber of external gear pumps and their influence on cavitation and volumetric efficiency

Mon, 04 Jun 2012 12:41:46 GMT

Analysis of the suction chamber of external gear pumps and their influence on cavitation and volumetric efficiency Campo Sud, David del Hydraulic machines are faced with increasingly severe performance requirements. The need to design smaller and more powerful machines rotating at higher speeds in order to provide increasing efficiencies, has to face a major limitation: cavitation. A two-dimensional numerical approach, by means of Computational Fluid Dynamics (CFD), has been developed for studying the effect of cavitation in the volumetric efficiency of external gear pumps. Several cavitation models and grid deformation algorithms have been studied, and a method for simulating the contact between solid boundaries has been developed. The velocity field in the inlet chamber has also been experimentally measured by means of Time-Resolved Particle Image Velocimetry (TRPIV) and results have been compared to the numerical ones in order to validate the accuracy of the model. Our two-dimensional model is not able to predict the real volumetric efficiency of the pump, since several simplifications are involved in it. Nevertheless, this model shows to be valid to understand the complex flow patterns that take place inside the pump and to study the influence of cavitation on volumetric efficiency. The influence of the rotational speed of the pump has been analyzed, as well as the effect of the geometry of the inlet chamber, the working pressure, the inlet pressure loss factor, and the flow leakage through the radial clearances of the pump between gears and casing.

CFD Analysis of an Axial Piston Pump

Wed, 04 May 2011 11:26:02 GMT

CFD Analysis of an Axial Piston Pump Kumar, Sushil En el ámbito de la Oleohidráulica, las bombas de pistón poseen los diseños más sofisticados, de hecho, las bombas de pistones son las únicos capaces de trabajar a altas presiones, además de poseer el mejor rendimiento de todo el grupo de bombas existentes. Sin embargo, cabe señalar que todos los diseños de las bombas de pistón, se basan principalmente en la experiencia de los diseñadores, por lo tanto no existen herramientas matemáticas para optimizar el diseño de las diferentes partes de las bombas. Por otra parte, en la actualidad hay empresas como Oilgear Towler, que inserta ranuras (surcos) en los patines deslizantes y en los pistones, (dos partes principales de estas bombas), pero no hay ningún estudio científico para analizar sus ventajas o desventajas. Por lo tanto, es necesario comprender matemáticamente las ventajas y desventajas debido a la presencia de ranuras en la superficie de diferentes partes de la bomba. Hay cuatro superficies de deslizamiento en las bombas de pistones, plato inclinado patín deslizante, barrilete y placa de cierre, pistón cilindro y junta esférica entre pistón y patín deslizante. Lubricación entre estas superficies es necesaria, apareciendo por tanto fugas de fluido a bombear entre las mismas. En este proyecto, nuestro objetivo es analizar cada una de estas diferentes superficies de deslizamiento por separado para comprender su diseño y el efecto de los parámetros de diseño en el comportamiento de la bomba. Una vez se tenga un buen entendimiento de las diferentes partes de la bomba de pistones, el objetivo es modelar el comportamiento dinámico de la presión y flujo en la salida de la bomba. En concreto se ha realizado: Conjunto plato inclinado, patín deslizante – Estudio de las características estáticas y dinámicas del patín deslizante, incluyendo la ranura tallada en el patín. Las ecuaciones de Navier Stokes en coordenadas cilíndricas se han aplicado entre el patín y el plato incluyendo la ranura. Los resultados presentados en este trabajo contemplan, distribución de la presión, las fugas de fluido, la fuerza y par sobre el patín, se ha estudiado la variación de dichos parámetros al modificar las dimensiones y posición de la ranura. El comportamiento dinámico del patín se ha tenido también en cuenta. Se estudia la posición de la ranura con el fin de optimizar el comportamiento del patín. Barrilete, placa de cierre.- Se analiza mediante la simulación de las ecuaciones de Reynolds de lubricación por FDM (método de diferencias finitas), la distribución de presiones, las fugas, la fuerza y los pares entre el barril y la placa de cierre. La fuerza total y los pares de torsión sobre el barril, se evalúan partiendo de la presión simulada, mostrando que los pares dinámicos que existen sobre el eje XX son mucho menores que los pares actuantes sobre el eje YY. . Pistón cilindro - Se ha investigado el comportamiento del pistón mediante la modificación del número de ranuras y su posición, la distribución de la presión en el intersticio pistón-cilindro, la fuerza sobre el pistón, las fugas y el par de torsión que actúa sobre el pistón se han analizado. También las zonas donde la cavitación es probable que aparezca se han presentado, se discute la forma de prevenir la aparición de cavitación a través del uso de ranuras. La ecuación de lubricación de Reynolds se ha modelizado en el intersticio pistón-cilindro mediante el uso de volúmenes finitos, la excentricidad y el movimiento relativo pistón-cilindro se han considerado. Diferentes configuraciones de ranuras han sido evaluadas con el fin de encontrar mínimas fugas, máximo par y mínima aparición de cavitación. Se especifican instrucciones de diseño para optimizar el comportamiento del pistón. Modelo dinámico de la bomba.- Se ha presentado un amplio conjunto de ecuaciones explícitas para cada parte con movimiento relativo de la bomba de pistones. Todas las ecuaciones se han validado mediante un análisis numérico y en su caso experimental. Las ecuaciones han sido combinadas para estudiar de forma dinámica las perturbaciones de presión y el caudal de fugas. El efecto de la pulsación de caudal cuando se modifica el diseño de la bomba también es presentado. En esta tesis, un modelo de simulación basado en ecuaciones analíticas se ha desarrollado, modelo que produce resultados muy rápidamente y aclara con mucha precisión el efecto de las fugas a través de los diferentes intersticios de la bomba.; In the field of Fluid Power, piston pumps possess the most sophisticated designs, in fact, pistons pumps are the only ones capable of working at high pressures, besides possessing the best performance (efficiency) of the entire group of existing pumps. However, it is noted that all the designs of piston pumps, are mostly based on the experience of the designers, thus there exist no mathematical tools for optimizing the design of the different parts of the pumps. On the other hand, there are now companies like Oilgear Towler, who inserted slots (grooves) in the slippers and in the pistons, (two major parts of these pumps) but there is no scientific study to analyze its advantages or disadvantages. There is therefore a need to understand mathematically to study the advantages and disadvantages due to the presence of the groove on the surface of different pump parts. There are four sliding surfaces in the piston pump, Slipper-swash plate gap, Barrel-valve plate gap, Piston-barrel chamber gap and Spherical bearing, where lubrication exists and leakages through these channels occur. In this project, our aim is to analyze each of these different sliding surfaces separately to understand its design constrains and the effect of the design parameters on the pump behavior. After having a better understanding of all the different parts of the piston pump, the aim is to model the dynamic behavior of pressure and flow at the outlet of the pump. Slipper plate gap - To understand static and dynamic characteristics of a piston pump slipper with a groove. Three dimensional Navier Stokes equations in cylindrical coordinates have been applied to the slipper/plate gap, including the groove. The results presented in this thesis include, pressure distribution, leakage, force and torque variations when groove dimensions and position are being modified, the effect of slipper tangential velocity and turning speed are also considered. Design instructions to optimize slipper/groove performance are also given. Barrel-valve plate gap - Present thesis, analyses the pressure distribution, leakage, force and torque between the barrel and the port plate of an axial piston pump by simulating Reynolds equations of lubrication by FDM (finite difference method). The overall mean force and torques over the barrel are evaluated from simulated pressure and it shows that the torque over the XX axis is much smaller than the torque over the YY axis. A detailed dynamic analysis is then studied by using the temporal torque calculated by Bergada. Piston-barrel chamber gap - It is being investigated the piston performance by modifying the number of grooves and their position, pressure distribution in the clearance piston-cylinder, leakage force and torque acting over the piston will be discussed, also the locations where cavitation is likely to appear will be presented, discussing how to prevent cavitation from appearing via using grooves. A finite volume based Reynolds equation model has been formulated for the piston-cylinder clearance which considers the piston eccentricity and the relative tangential movement between piston and barrel. Different configurations of the grooves have been evaluated in search of finding minimum leakage, minimum appearance of cavitation and maximum restoring torque. Design instructions to optimize the piston behavior are also given. Full pump Model - An extensive set of explicit equations for every pump gap will be presented. All of the equations will be checked via performing a numerical analysis of the specified pump clearance, the equations will then be combined to study dynamically pressure ripple and leakages. The effect on the flow ripple when modifying the pump design will also be presented. Therefore in present thesis, a simulation model based on analytical equations has been developed which produce very fast results and clarify very precisely the effect of different leakages happened through the pump clearances.

Estudio experimental del proceso de calentamiento de medios porosos saturados hasta ebullición-"Dryout" de su fase líquida

Tue, 12 Apr 2011 15:22:37 GMT

Estudio experimental del proceso de calentamiento de medios porosos saturados hasta ebullición-"Dryout" de su fase líquida Carbonell Ventura, Montserrat La experimentación y posterior modelización de los procesos de transporte y transferencia de calor y de masa en medios poroso saturados encuentra un gran número de dificultades que se derivan fundamentalmente de la heterogeneidad del propio medio, de la metodología de su parametrización estructural y física para asimilarlo a un medio continuo.

Los objetivos planteados en la presente tesis se han orientado hacia un mejor conocimiento de la influencia de diversos parámetros estructurales del medio poroso, así como de las propiedades de las substancias que constituyen la matriz sólida y la fase fluida saturante, en las características de ebullición de un medio poroso inicialmente saturado, calentado por su frontera inferior y limitado por una capa superior del mismo líquido saturante.

A tal fin, se ha estudiado la influencia de la estructura del medio poroso (granular o fibrilar) y de la naturaleza de la sustancia que constituye la matriz sólida sobre la permeabilidad del medio poroso al agua y a una solución acuosa de tensioactivo, de baja concentración. Así mismo se ha estudiado la influencia respecto a la conductividad y difusividad térmicas efectivas en régimen no estacionario. Por último, utilizando la misma variedad de medios porosos saturados, se estudia el proceso de ebullición hasta que se alcanzan condiciones de "dryout", y se analizan las consecuencias que resultan de la variación de la estructura física del medio poroso, de la naturaleza de la sustancia que constituye su matriz sólida y de las propiedades del fluido saturante.

En lo referente a las características fluidodinámicas y térmicas de los medios porosos estudiados se ha podido concluir:

- La adición de un tensioactivo al agua saturante del medio poroso produce un comportamiento diferente según la naturaleza del sólido: en caso de inorgánica (arena) ocasiona un aumento de la permeabilidad intrínseca, mientras que en caso de orgánica (fibras de algodón) produce una reducción tanto mayor cuanto menor es la porosidad del medio poroso. Las causas de este diferente comportamiento, son las notables diferencias de absorción del tensioactivo según el tipo de sólido (orgánico o inorgánico) y la mejora substancial de la humectación de la superficie del sólido inorgánico por el fluido lo que activa la eficacia de desplazamiento de toda fase no acuosa adsorbida o retenida entre partículas.

- La difusividad térmica efectiva promediada espacialmente tiende al valor de la difusividad del componente del medio poroso de menor difusividad térmica a medida que transcurre el tiempo de calentamiento.

- La difusividad térmica efectiva de los medios porosos saturados en los que s / l < 1 se aproxima a la de la fase líquida; en los medios para los que s / l >> 1, dicha difusividad térmica efectiva es un grado de orden superior a la de la fase líquida.

- La adición de tensioactivo a la fase líquida saturante provoca la disminución de la conductividad térmica efectiva de medio poroso saturado en aquellos en que la fase sólida es granular e inorgánica.

En lo referente al proceso de calentamiento de un medio poroso saturado hasta ebullición-"dryout" de su fase líquida se ha descrito un modelo físico de comportamiento de los diferentes medios porosos que comporta las siguientes fases:

i) Calentamiento del medio hasta la temperatura de saturación de su fase líquida, con evidente aumento de volumen de las fases sólida y líquida por dilatación térmica.
ii) Proceso de evaporación con formación de una capa bifásica cuya frontera superior se desplaza a la velocidad del frente de vapor. Simultáneamente se produce una disminución de la presión fluidoestática en la frontera de la capa bifásica, lo que se traduce en una reducción del reflujo de líquido hacia la placa calefactora.
iii) Total desaturación de la entrefase medio poroso-placa calefactora al recibir por reflujo menos líquido del que es capaz de evaporar la placa calefactora. Aparición del "dryout" y elevación progresiva de la temperatura de la placa.
iv) Aparición, en algún caso, de un fenómeno de basculamiento de la fase líquida desde la capa subenfriada a la zona desaturada del medio poroso.; A large number of difficulties are found in the experimentation and later modelization of transport and transfer heat and mass process in saturated porous media, which basically derive from the heterogeneity of the medium, the methodology of structural and physic parameterization to assimilate it to a continuous medium.

The raised aims in this doctoral thesis have been directed towards a better knowledge of the influence of several structural parameters of the porous medium, as well as of the properties of the solid matrix and the saturating fluid phase, in the characteristics of boiling of an initially saturated porous medium, heated by its lower boundary and limited by an upper layer of the same saturating liquid.

For this, the influence of the structure of the porous medium (granular or fibrous) and the nature of the solid matrix on the permeability to water and to a surfactant solution of lower concentration have been studied. The influence in relation to effective thermal conductivity and diffusivity in unstationary regime has also been studied. Finally, the boiling process until to achieve dryout conditions has been studied, and the consequences result from the variation of the physical structure of the porous medium, the nature of the solid matrix and the properties of the saturating fluid have been analyzed.

About the fluid dynamic and thermal characteristics of the porous media studied, the thesis concludes that:

- The addition of a surfactant to the saturating water of the porous medium produces a different behaviour depending on the nature of the solid: in inorganic matrix (sand) occasions an increase in the intrinsic permeability, whereas in organic matrix (cotton fibres) produces a decrease as greater as smaller is the porosity of the porous medium. The reasons of this different behaviour are the notable differences of absorption of the surfactant depending on the sort of solid matrix (organic or inorganic) and the important increase of the wetting of the inorganic solid's surface by the fluid activating the displacement of all adsorbed or retained not watery phase between particles.

- The spatially averaged effective thermal diffusivity tends to the value of the diffusivity of the component of the porous medium with lower thermal diffusivity throughout the boiling process.

- The effective thermal diffusivity of the saturated porous media which have s / l < 1 approaches to of the liquid phase; in the media with s / l >> 1, the effective thermal diffusivity is a grade of upper order to the of liquid phase.

- The addition of surfactant to the saturating liquid phase gives rise to the decrease of the effective thermal conductivity of the saturated porous medium with granular and inorganic solid phase.

A physical model of behaviour of the different saturated porous media concerning heating process until to achieve dryout conditions has been described considering the next phases:

i) Heating of the medium until the saturation temperature of its liquid phase, with evident increase of volume of the solid and liquid phases by thermal dilatation.
ii) Evaporation process with creation of a biphasic layer whose upper boundary displaces to the velocity of the vapour front. Simultaneously a decrease of the fluid static pressure in the boundary of the biphasic layer is produced, what result in a reduction of the reflux of liquid towards the heating plate.
iii) Total unsaturation of the porous medium-heating plate interphase caused by to receive less liquid by reflux that the heating plate is capable of evaporating.
iv) Appearance, in some case, of a fast phenomenon of turn upside down of the liquid phase from subcooled layer to the unsaturated zone of the porous medium.

Optimización de suspensiones hidroneumáticas con amortiguador integrado

Tue, 12 Apr 2011 15:22:32 GMT

Optimización de suspensiones hidroneumáticas con amortiguador integrado Heras, Salvador de las En esta Tesis Doctoral se desarrollan los principios básicos que rigen el comportamiento dinámico de un cilindro de suspensión hidroneumática, concibiendo métodos que lo optimizan y explotan al máximo sus propiedades innatas. La optimización de un sistema conlleva en primer lugar conocer las prestaciones originales que se pretende mejorar, para después hacerlo adaptable a las diversas circunstancias de trabajo mediante la actuación sobre los factores que definen su funcionamiento.
El comportamiento elástico de la suspensión puede ser descrito mediante el uso de un índice politrópico instantáneo, tal como se demuestra en esta Tesis. Tras encontrar analíticamente la relación entre el índice politrópico y el calor irreversible generado durante el proceso de compresión del gas real de la cámara neumática, se demuestra cómo es posible variar la frecuencia propia del sistema de suspensión, presentándose un método sencillo que permite modificar en tiempo real la rigidez neumática, consistente en la construcción de una cámara neumática doble, o discontinua, y la implantación entre ambas de una tobera de conductan-cia variable, de forma que se pueda gobernarse desde el exterior la generación interna e irreversible de calor.
Vista la importancia del índice politrópico instantáneo definido en esta Tesis, se realiza un estudio exhaustivo de su evolución en función de la pérdida irreversible de trabajo útil. Se demuestra que la relación de calores específicos, es su límite superior sólo en el caso hipotético de compresión cuasiestática y adiabática de un gas perfecto. Las expresiones encontradas en la Tesis por fin justifican que se hallen experimentalmente valores del índice superiores a , y que incluso estimar esta última mediante correlaciones para gas real resulte insuficiente. Si bien hasta ahora el índice politrópico del proceso se consideraba una entrada a cualquier modelo matemático que pretendiera estimar la evolución de las variables termo-dinámicas involucradas, debe dejar de serlo por ser su valor indicador de las propiedades mecánicas de la cámara neumática, y por tanto, de las características elásticas de la suspensión.
El coeficiente de amortiguación de una suspensión hidroneumática no depende exclusivamente de la característica presión vs caudal de la válvula amortiguadora y por tanto de la velocidad del proceso, sino que también es función de la geometría interna del cilindro y del rozamiento entre los diferentes componentes en movimiento relativo. En esta Tesis se ha implementado un algoritmo que permite incluir el stick-slip en el programa de simulación y así obtener una respuesta más exacta del sistema.
Se utiliza la técnica de representación BondGraph en cada una de las partes, para completar el estudio realizado y permitir una formulación gráfica de las ecuaciones del sistema. Se dis-pone, una vez concluida la Tesis, de una simulación por ordenador que responde de forma excelente en el rango completo de trabajo y permite, siempre con la precaución debida, ex-trapolar prestaciones a situaciones o configuraciones no ensayadas.; This Doctoral Thesis presents the main principles governing the dynamics of a hydropneumatic suspen-sion for road vehicles, introducing new methods to optimize and to maximize their innate properties, and making them adaptable to different operative circumstances.
The elastic behaviour of the suspension can be described by using an instantaneous polytropic index, as is demonstrated in this thesis. After finding analytically the relationship between the polytropic index and the irreversible heat generated during the process of compression of the gas, it is shown how it is possible to vary the natural frequency of the suspension system, presenting a simple method that allows changes in pneumatic stiffness in real time. The method consists in the construction of a pneumatic dou-ble chamber, or discontinuous, and the implantation of a variable conductance nozzle between them. This procedure allows governing the internal generation of irreversible heat.
In this Thesis is demonstrated that the ratio of specific heats is the polytropic upper limit only in an ideal, near-static and adiabatic, compression process for an ideal gas. It is not enough using real gas properties because the polytropic index depends on the internal heat generated and can be bigger than the specific heats ratio. So, the polytropic index is not used to estimate the evolution of the thermody-namic variables involved, pressure, temperature and density, but it is shown to be an indicator of the mechanical properties of the pneumatic chamber, and therefore, the elastic characteristics of the suspen-sion.
In a hydropneumatic suspension the damping coefficient is not only dependent of the characteristic pres-sure vs. flow relationship, and hence the speed of the process, but also is a function of the internal ge-ometry of the cylinder and the friction between the various components moving on. In this thesis it is implemented an algorithm to include the stick-slip in the simulation program and thus get a more accu-rate response of the system.
This Thesis uses the bondgraph technique to modelling in a graphical way the equations of the system. An accurate computer simulation program is used that has been proved to include the main design fac-tors in the full range of work.

Acció del vent sobre una estructura. Anàlisi teòric i experimental

Tue, 12 Apr 2011 15:22:30 GMT

Acció del vent sobre una estructura. Anàlisi teòric i experimental Trillas, Enric, 1940- Aquest treball s'estructura a partir d'una sèrie de reflexions que es contextualitza a partir de la voluntat de sistematitzar l'estudi de l'acció del vent sobre un edifici o una estructura. Després de diferents períodes de temps i de fer un primer anàlisi bibliogràfic, es van centrar les hipòtesis d'aquesta tesi, que d'una manera amplia versa sobre la determinació teòrica i experimental en un túnel aerodinàmic tancat, de les accions estàtiques i dinàmiques provocades pel vent sobre estructures esveltes, concretament sobre un edifici prismàtic de base octogonal.

La part experimental s'ha realitzat en el túnel de vent de cambra d'assaig I vena tancada que posseeix el Departament de Mecànica de Fluids en la seva Secció Departamental de Barcelona (laboratori d'aerodinàmica de l'ETSEIB), I la parta de simulació numèrica en el departament, però a la secció de l'EUETIB.

Sempre he tractat d'establir les millors condicions, per tal de realitzar aquest estudi, dins de les possibilitats de què disposava, en definitiva, ha estat la meva intenció que aquesta tesi doctoral ajudi a un gran nombre d'estudiosos, en quant a la millora sistemàtica d'estudi d'aquest fenomen.
El contingut d'aquest treball es mostra tot seguit:

· Introducció
· Estudi teòric règim estacionari
· Estudi experimental règim estacionari
· Resultats règim estacionari
· Estudi teòric I experimental règim no estacionari
· Conclusions
· Referències bibliogràfiques.

Proposta metodològica per a l'anàlisi de la sostenibilitat, utilitzant indicadors i índexs, implementats i analitzats amb una eina de suport al raonament. Cas d'estudi: municipi de Terrassa

Tue, 12 Apr 2011 15:22:27 GMT

Proposta metodològica per a l'anàlisi de la sostenibilitat, utilitzant indicadors i índexs, implementats i analitzats amb una eina de suport al raonament. Cas d'estudi: municipi de Terrassa Sureda Carbonell, Bàrbara Les ciutats d'avui en dia es caracteritzen per un progressiu creixement de la població dins un territori físic limitat. Aquest creixement comporta problemes diversos, com ara la falta d'autocontenció de la ciutat; la segregació espacial de segments de població heterogenis, ja sigui per raons econòmiques o bé per raons socials o culturals; el col·lapse de les infraestructures de transport, o la manca de zones verdes, entre molts altres que podríem destacar.
La present tesi doctoral pretén facilitar l'anàlisi de la sostenibilitat d'un sistema, en concret d'un sistema urbà, proposant una metodologia d'anàlisi de la sostenibilitat de sistemes urbans, aplicable a municipis mitjans europeus.
La metodologia que proposem es basa en un marc conceptual format per tres components. Un primer component és determinat per la definició de desenvolupament sostenible, la qual solament es pot aplicar si es té una visió sistèmica, transversal i multidisciplinària dels sistemes.
Un segon component és determinat per la consideració del sistema com a sistema complex, format per múltiples interrelacions entre els elements que el constitueixen, i entre aquests elements i el seu entorn, cosa que determina una de les principals característiques dels sistemes que cal considerar, la complexitat, la qual planteja greus reptes del sistema a tots els nivells, que fins i tot poden arribar a provocar ne el col·lapse. Un tercer component que cal tenir en compte en parlar de sistemes complexos és la incertesa que els caracteritza.
Amb el suport d'aquest marc conceptual i fruit de l'estudi i l'anàlisi de les eines de mesura i modelització de la sostenibilitat existents, la metodologia proposada conforma un procés a partir d'un conjunt d'eines (models, correlacions entre variables, indicadors, índexs i escenaris de futur) que possibiliten analitzar un sistema urbà, caracteritzat per una sèrie de problemàtiques concretes, amb la finalitat de poder definir estratègies o polítiques per aconseguir un desenvolupament sostenible del sistema objecte d'estudi.
La metodologia desenvolupada s'ha aplicat en un cas d'estudi concret, el municipi de Terrassa.
El desenvolupament de la proposta metodològica aplicada al cas d'estudi ha permès la identificació de les problemàtiques que poden produir impactes significatius en el desenvolupament sostenible de la ciutat, cosa que ens ha permès definir estratègies adequades per aconseguir-ne la contenció.; Modern cities are characterised by progressive population growth in limited physical spaces.
This growth gives rise to many problems, including lack of self-containment of cities, spatial segregation of heterogeneous population sectors (whether for economic, social or cultural reasons), the collapse of transport infrastructures, and the lack of green areas.
The aim of this doctoral thesis is to facilitate the analysis of a system's sustainability. It examines a particular urban system and puts forward a methodology for analysing the sustainability of urban systems that can be applied to medium-size European towns.
The methodology proposed is based on a three part conceptual framework. Firstly, sustainable development can only be applied through a systematic, transversal and multidisciplinary approach. Secondly urban systems must be considered as being inherently complex, as they are made up of multiple interrelationships between their component parts, which in turn interact with their surroundings. This complexity means that the systems are faced with enormous challenges at all levels, and may even face collapse. Thirdly, one of the features that must be taken into account in dealing with complex systems is their high level of uncertainty.
The proposed methodology is based on this conceptual framework and a review of existing tools for measuring and modelling sustainability. The result is a process based on a set of tools (models, correlations between variables, indicators, indices and future scenarios) that can be used to analyse urban systems characterised by specific problems and to define strategies and policies for achieving sustainable development in these systems.
Through the application of the methodology to a specific case study, the municipality of Terrassa, it was possible to identify problems that may have a significant impact on the town's sustainable development and to define suitable strategies for achieving urban containment.

Capacidad de carga de cilindros oleohidráulicos

Tue, 12 Apr 2011 15:22:26 GMT

Capacidad de carga de cilindros oleohidráulicos Salazar Marín, Edgar Alonso Esta tesis está relacionada con un proyecto macro cuyo título es "New design and manufacturing processes for high pressure fluid power products" -2004-2008 (acrónimo: PROHIPP), el cual es cofinanciado por la Unión Europea dentro del 6o programa Marco y en donde intervienen 22 entidades de 8 países distintos entre pequeñas y medianas empresas europeas, centros de investigación y universidades.
El objetivo fundamental de la tesis es estudiar la apacidad de carga de los cilindros oleohidráulicos, determinando los factores que influyen de manera importante sobre ésta. Se realizaron análisis críticos de las publicaciones más relevantes en relación al tema de capacidad de carga de cilindros, centrando la atención, en aquellos que pudieran brindar mayores aportes para l proyecto. La Norma ISO 13725 (Hydraulic fluid power cylindersmethod for determining the buckling oad", presenta una difícil interpretación de las formulaciones planteadas, además de plantear un modelo que restringe factores tan importantes como a imperfección inicial. El proyecto plantea un algoritmo que permite una fácil aplicación de dicha Norma utilizando cualquier condición de contorno.
El proyecto plantea un modelo que describe el comportamiento de los cilindros oleohidráulicos bi-apoyados sometidos a carga axial, involucrando factores presentes en toda aplicación real como son: imperfección inicial (desalineamiento vástago-cilindro), peso propio, momentos por rozamiento y/o excentricidad en los puntos de apoyo del actuador. El modelo permite principalmente determinar la capacidad de carga de un cilindro oleohidráulico, calculando la carga máxima admisible, como aquella que genera una tensión máxima a lo largo del actuador, equivalente a la tensión de fluencia del material. Además, el modelo permite determinar curvas de deflexión, momentos y tensiones a lo largo de un cilindro oleohidráulico, sometido a una carga dada.
Se ha construido un banco de ensayos para alidación de los resultados teóricos obtenidos con el modelo propuesto. Este banco permitió la creación de una base de datos experimental de más de 100 pruebas destructivas para la determinación de la carga máxima admisible de cilindros. El banco ha permitido la medición de variables importantes en el fenómeno, como son deflexión del cilindro oleohidráulico, carga aplicada mediante la presión interna del fluido en el tubo-cilindro, esplazamiento del vástago dentro del tubo (compresibilidad del aceite), tensiones en el vástago (microdeformación), etc. Se ha empleado un ilindro 'prueba' como base de experimentación y validación del modelo propuesto.
Como resultado de los análisis teórico-experimentales del proyecto se ha podido concluir lo siguiente:
La inclusión del peso propio (100 N) del cilindro 'prueba', ha significado tan solo, una reducción del 2% de su capacidad de carga. La variación de la capacidad de carga debida a la imperfección inicial (debido a las tolerancias lógicas de un buen diseño y una buena fabricación) es mucho menor que la variación de capacidad de carga debida a las condiciones de contorno reales que se manifiestan en las articulaciones. El desgaste del anillo guía en un 5% de su espesor inicial (efecto que se produce básicamente en los primeros 1000 ciclos) representa una disminución de la capacidad e carga de un 10%.
Hay que mencionar que a partir de los 1000 ciclos no hay variaciones significativas en el desgaste del anillo guía.
Como conclusión final y recomendación del proyecto e puede afirmar que los efectos de rozamiento siempre deben minimizarse al máximo, tanto si es a favor o en contra de la capacidad de carga. En aquellas aplicaciones donde el cilindro oleohidráulico acciona un mecanismo y los efectos del rozamiento van en contra de la capacidad de carga, se aconseja calcular el cilindro oleohidráulico con un momento externo aplicado en la articulación del lado vástago (lado más débil y de valor igual al producto de la carga axial aplicada multiplicada por una excentricidad aparente, de valor m dP 2 (μ coeficiente de rozamiento y dP el diámetro del pasador).
La utilización de cojinetes de baja fricción puede garantizar un funcionamiento prolongado con mínimo desgaste de los pasadores y fuerzas de fricción muy bajas, y reducir así, el riesgo de un mal diseño debido a la incertidumbre de estas fuerzas.; This thesis is related to a macro project whose title is "for New design and manufacturing processes for high pressure fluid power products " -2004-2008 (acronym: PROHIPP), which is co financed by the European Union and where take part 2 organizations of 8 different countries between small and medium European companies, research centres and universities. The main objective of the thesis is to study the load capacity of the hydraulic cylinders, determining the factors that influence of important way over it. Critical analysis of some publications in relation to the subject of load capacity of cylinders were made, giving importance at which could offer greater contributions for the project. Norm ISO 13725 (Hydraulic fluid power -cylinders- method for determining the buckling load), presents a difficult interpretation of the raised formulations, and its proposed model omits as important factors as the initial imperfection. The project develops an algorithm that allows an easy application of this Norm using any boundary conditions.
The project proposes a model that describes the behaviour of the pined-end hydraulic cylinders under axial load, involving present factors in all eal application like: initial imperfection (misalignment between piston rod and tube-cylinder), own weight, moments by friction and/or eccentricity in the end points of the actuator. The model allows mainly determining the load capacity of a hydraulic cylinder, calculating the maximum permissible load, which generates a maximum stress throughout the actuator, equivalent o the yield stress of the material. In addition, the model allows determining curves of deflection, moments and stresses throughout the hydraulic cylinder under a given load.
A test bench has been designed and constructed to validation of the obtained theoretical results with the proposed model. This bench allowed the creation of an experimental data base of more than 100 destructive tests for the determination of the permissible maximum load of cylinders. The bench has allowed the measurement of important variables n the phenomenon, like deflection of the hydraulic cylinder, load applied by means of the internal pressure of the fluid into the tube-cylinder, displacement of the piston rod within the tube (compressibility of the oil), stresses in the piston rod (microdeformations), etc. A 'test' cylinder has been used as base of experimentation and validation of the proposed model.
As result of the theoretical-experimental analysis f the project has been able to conclude the following: The inclusion of the own weight (100 N) f the 'test' cylinder has meant only a reduction of 2% of its load capacity. The variation of the load capacity due to the initial imperfection (due o the tolerances of a good design and a good manufacture) is much smaller than the variation of oad capacity due to the real boundary conditions that are presents in the pin-ends. The wear of the guide ring in a 5% of its initial thickness (effect that takes place basically in the first 1000 cycles) represents a decreasing of the load capacity of a 10%. It is necessary to mention that rom the 1000 cycles there are no significant variations in the wear of the guide rings. As final conclusion and recommendation of the project an be affirmed that the friction effects always must be diminished to the maximum, as much if it is favourable or against the load capacity. In those applications where the hydraulic cylinder drives a mechanism and the effects of the friction go against the load capacity, is advised to calculate the hydraulic cylinder with a external applied moment in the pin-end of the side piston rod (weaker side) and of equal value to the product of the applied axial load multiplied by an apparent eccentricity, of value m dP 2 (μ: friction coefficient, dP diameter of the pin). The use of bearings of low friction can guarantee a prolonged operation with minimum wear of the pins and low forces of friction, and therefore reduce the risk of a bad design due to the uncertainty of these forces.

Metodologia per a la miniaturització de components oleohidràulics.

Tue, 12 Apr 2011 15:22:24 GMT

Metodologia per a la miniaturització de components oleohidràulics. Huguet Ballester, David La Tesi en qüestió presenta una metodologia per a l'estudi de les Vàlvules Limitadores de Pressió i concretament en les que presenten un tamany reduït, taps de 10 [mm] i amb seccions de pas de fins a 2 [mm], amb prestacions definides per a Q<5 [l/min] i P<150 [bar]. L'estudi es presenta en base a aprofundir en el coneixement dels fenòmens estàtics, dinàmics i fluidodinàmics que es produeixen durant el funcionament de la mini VLP i la variació d'aquest comportament en funció de variables pròpies de disseny. Aquest estudi s'enfoca en dos vessants diferenciades però complementàries.

Es pretén deduir criteris de disseny en base a

- Comportament dinàmic. Estudi de l'equació del moviment de l'obturador en funció dels paràmetres globals de disseny com, rigidesa de la molla, diàmetre d'entrada, massa del tap de la mini VLP.
- La fluidodinàmica interna. Estudi de la fluidodinàmica interna de la mini VLP en funció dels paràmetres de disseny específics del tap o obturador de la mateixa. per tal de realitzar aquesta tasca s'utilitza el programa de simulació numèrica Fluent.

La Tesi s'estructura en base a aquests dos estudis i presenta les següents etapes.

- Anàlisis crític de l'estat de l'art.
- Desenvolupament d'un model teòric de funcionament en règim permanent i transitori d'una mini VLP. Aquesta modelització es realitza per mitjà de la linealització de les equacions governants del procés i la posterior implementació en un programa de simulació, Matlab-Simulink, per a la obtenció de les corbes de funcionament i les zones d'estabilitat de la mini VLP.
- Anàlisis, mitjançant simulació numèrica, de la fluidodinàmica interna de la mini VLP en funció d'una geometria definida.
- Anàlisis experimental. Es dissenya i construeix un banc experimental d'assaig per a contrastar i validar experimentalment els models proposats de la mini VLP.

L'objectiu de la Tesi es desenvolupar una nova metodologia que combini les eines de simulació amb equacions governants amb mètodes computacionals avançats i test de laboratori profund per tal de comprendre el comportament de nous components oleohidràulics de tamany reduït, aprofundint en aquells criteris de disseny que són més sensibles a la miniaturització.

S'ha aplicat aquesta metodologia en diferents tipologies geomètriques de tap. S'han simulat i assajat geometries còniques guiades i no guiades, geometries amb valona (xamfrà) sense guiar i geometries planes amb disseny singular guiades i sense guiar.

Es presenta a continuació un recull dels aspectes més importants del desenvolupament de la Tesi.

Els resultats de la simulació fluidodinàmica posa d'evidència la importància de la simetria del fluxe i el guiat de l'obturador amb l'objecte d'evitar inestabilitats no desitjables. El guiat del tap és clau per a l'obtenció d'un nivell de funcionament òptim. Sobret tot en el cas del nivell sonor.

Les inestabilitats i sorolls generats com a conseqüència de l'aparició de cavitació són inevitables. En general es manifesten en una gamma de freqüències superiors als 3000 [Hz]. La seva incidència en el comportament global de la mini VLP es pot considerar moderat i acceptable.

Les inestabilitats els efectes de les quals són més severes són conseqüència dels graus de llibertat que posseeix l'obturador. La autoexcitació en aquests casos pot arribar a efectes sonors molt apreciables i molestos. S'ha de facilitar per tots els mitjans el guiat de l'obturador.

Ha quedat demostrat la idoneïtat de la metodologia de pre disseny de la mini VLP basada en l'aplicació dels principis bàsics de conservació de la massa, quantitat de moviment i energia en forma de balanços integrals. Per estudiar el comportament dinàmic i predir la influència de paràmetres bàsics tals com massa de l'obturador, constant elàstica de la molla, etc, és suficient deduir el criteri d'estabilitat a partir de la linealització de les equacions anteriors.

De tots els resultats es destaquen les idees següents.

Utilització de carcassa de metacrilat en la realització de les proves experimentals que ha permès entendre la fenomologia fluidodinàmica existent i relacionar-la amb els valors de les variables de funcionament, poden establir zones diferents de funcionament.

La utilització de les eines de simulació, concretament el mòdul de malla dinàmica del programa de volums finits Fluent, ha permès obtenir resultats fins ara no presentats. Considerant-ne un avanç important, la introducció d'aquest tipus de simulacions en el sector oleohidràulic.

Els fenòmens de vibració en valors de freqüència pròpia es destaquen com els més perjudicials en el funcionament de la mini VLP. Es demostra que la geometria no juga cap paper esmorteïdor d'aquest fenomen.; This Thesis presents a methodology for the study of mini relief valve of small size, plugs of 10 [mm] and flow paths of about 2 [mm]. The main characteristics of this component are Q<5 [l/min] i P<150 [bar]. This work is focused in a better understanding of the static, dynamic and fluid dynamic behaviour and how this is afected by the cariation of own design variables. This study has two main areas,

- Dynamic behaviour. Study of the movement equation of the plug as a function of the global design parameters like for example spring stiffness, inlet diameter or plug mass.
- Internal fluid dynamic. Study of the internal fluid dynamic behaviour of the mini relief valve as a function of the specific design characteristics of the plug. This work is made by the use of numerical simulations.

The Thesis is structured as follow,

- State of the art. Critical analysis.
- Development of a theoric model in steady and transient state. This modelization is done with Matlab-Simulink and the stability zones are obtained.
- Analysis using numerical simulations of the internal flow as function of a defined geometry.
- Experimental test. A test bench has been designed and constructed to obtain the real behavior of the mini relief valve and to be compared with theoric models.

The aim of this Thesis is to develop a new methodology that assembly the theoretical models, the numerical simulation tools and experimental tests, to understand the behavior of mini hydraulic components and the design variables that are more affected by the miniaturization.
This methodology has been applied to different plug geometries. Conical or non conical plugs, guided or non guided plugs have been simulated and tested. Is shown briefly the most important results of this work.

The numerical simulation results show how important is the flow symmetry and the plug guidance in order to eliminate non desired instabilities. This is a key point in the attenuation of the sound level.
The instabilities and noise generated as a consequence of cavitation are non avoidable. They appear at 3000 [Hz] or higher. The affectation degree in the mini relief valve global behavior is acceptable.
Depending on the freedom degrees of the plug, the instabilities increase and the global behavior can be really affected. Guidance is strongly recommended.
The application of the main equations as a predesign methodology has allowed the obtaining of the stability criterion related to the mini relief valve basic parameters.
The use of a methacrilate body in the test has made possible the understanding of the internal fluid dynamic and the relation with the global working parameters.
The results obtained with the dynamic mesh used in the numerical simulations open a new and interesting research field in hydraulic components.
The most detrimental behavior is related with the mini relief valve resonance frequency. The geometry does not attenuate this vibration behavior.

Estudio de la rigidez neumática de suspensiones para vehículos

Tue, 12 Apr 2011 15:22:23 GMT

Estudio de la rigidez neumática de suspensiones para vehículos Guijón Amengual, Manuel La Tesis en cuestión presenta un estudio sobre el comportamiento de la rigidez de una suspensión neumática, así como de los parámetros que la definen y/o afectan.
El trabajo realizado propone un modelo capaz de predecir el comportamiento de una suspensión neumática ofreciendo una buena correlación con la experimentación y marcando el camino a seguir para controlar esta respuesta ante las perturbaciones externas.
El análisis se ha centrado en dos suspensiones neumáticas de diferente configuración. Por un lado, una suspensión formada por una cámara de volumen variable en la que se estudia la influencia del movimiento del pistón en las evoluciones de la presión y de la temperatura. Por otra parte se analiza el comportamiento de una suspensión neumática formada por dos cámaras separadas por un orificio, el cuál tendrá una influencia determinante sobre la rigidez.
Se demuestra la poca fiabilidad de la metodología clásica a la hora de estudiar la influencia de las irregularidades del terreno sobre la rigidez de las suspensiones a presiones elevadas, pese a su extensa utilización en el mundo de la ingeniería de automoción. Se ha desarrollado un modelo el que se tienen en cuenta los efectos no ideales del gas, mediante la resolución de la ecuación de Lee-Kesler.
Han sido construidos dos bancos experimentales para el desarrollo de un modelo de diagnosis que define el coeficiente de transferencia de calor. Dicho modelo se ha contrastado frente a otras técnicas utilizadas en suspensiones neumáticas, obteniendo una mejora en la precisión.
Los efectos del gas real también han sido analizados a la hora de caracterizar el flujo a través del orificio de separación de los recintos en la configuración de dos cámaras. Para dicho estudio, la utilización de la Norma Internacional ISO 6358 ha sido descartada, puesto que se basa en la hipótesis de gas perfecto. Para la realización del modelo ha sido necesario el desarrollo de un algoritmo capaz de definir el comportamiento del gas en la garganta de la tobera analizada. En este caso también ha sido necesaria la construcción de un banco experimental específico para desarrollar el modelo de diagnosis.
Los submodelos descritos (resolución de la ecuación de estado, la caracterización del orificio y la evaluación de la transferencia de calor) han permitido construir un modelo de predicción capaz de anticipar el comportamiento de la suspensión neumática en función de las irregularidades del terreno. Estas perturbaciones externas han sido simuladas mediante un banco de pruebas para suspensiones.
Una vez cotejados los resultados con la experimentación se asegura una buena correlación, tanto para el caso de una suspensión neumática de una única cámara como en el caso de la suspensión neumática de doble cámara. Finalmente se han dado las pautas para la construcción de un prototipo capaz de regular el comportamiento de la suspensión en función de las variables perturbadoras de entrada.
El diseño de un mecanismo o artilugio equivalente capaz de regular el área eficaz de paso del flujo entre las dos cámaras se muestra como la llave para un control absoluto de la rigidez neumática de la suspensión. El mecanismo en cuestión ha de ser capaz de convertir la suspensión neumática en un elemento rígido que aísle a los pasajeros y a la masa suspendida de las irregularidades del terreno cuando la situación lo requiera. Del mismo modo, debe ser capaz de adaptar la suspensión a una característica mucho más suave para asegura el confort de sus ocupantes, siempre manteniendo el compromiso rigidez - suavidad, asegurando así una buena maniobrabilidad.
El prototipo, además, podrá diseñarse en función de un rango de rigidez escogido a priori en relación al tipo de vehículo o condiciones a soportar.; A study about pneumatic suspension stiffness and its dependent parameters is presented in this PhD Thesis.
It is performed a model which is able to predict the behaviour of a pneumatic suspension. Good correlation with experiments is achieved. It is also shown the way to control this behaviour in front of external forces.
Analysis has been focused in two different configurations. First, a piston influence on gas pressure and temperature in a single chamber suspension has been studied. Then, it is analyzed a pneumatic suspension which is constituted by two chambers separated by an orifice. The orifice will have a definitive influence on suspension stiffness.
It is shown poor classical approach accuracy to predict stiffness at high pressure conditions, although it has an extended use in vehicle engineering. A model which has in account nonideal gas effects has been developed. Lee-Kesler equation of state has been used.
Two experimental units have been built to develop a diagnosis model which defines heat transfer coefficient. Model has been compared to other methods used in pneumatic suspension. An improved accuracy has been obtained.
Real gas effects have been analyzed as well in flow through an orifice characterisation in two chambers configuration. International Standard ISO 6358 has been discarded because perfect gas hypothesis is used in the method. An algorithm which is able to define gas behaviour in the nozzle studied has been developed. For this case, to build another specific experimental unit which completes the diagnosis model has been an essential requirement. Submodels described above (equation of state determination, orifice characterisation and heat transfer evaluation) constitute a prediction model which is able to advance pneumatic suspension behaviour as a function of road irregularities. External forces have been simulated with suspensions special equipment.
Once theory has been compared with experiments, good correlation is guaranteed for both sorts of suspensions, single and double chamber.
Finally, prototype setup guide has been given. This unit must be able to control suspension behaviour versus input external forces.
Design of a device capable of change effective pass area of the flow between the two chambers is the key for an absolute control of pneumatic suspension stiffness. Such an apparatus must transform vehicle suspension in a stiff part capable of isolate passenger and sprung mass from road irregularities when it is required. It must be able to give smoother behaviour to ensure occupants comfort as well, and always maintaining the ratio stiffness - smoothness to ensure a good handling.
Prototype, in addition, could be designed for a determined stiffness range which could be chosen as a function of vehicle type and/or conditions to be supported.

Servoposicionador electro-oleohidráulico para una máquina de electroerosión

Tue, 12 Apr 2011 15:22:22 GMT

Servoposicionador electro-oleohidráulico para una máquina de electroerosión Bergada Graño, Josep Maria La tesis analiza el comportamiento anómalo de una servoválvula instalada en una máquina de electroerosión operando bajo ciertas condiciones de trabajo.
En el primer capítulo de la tesis se describen una serie de experimentos llevados a cabo para: en primer lugar, llegar a obtener bajo que condiciones de funcionamiento se producen las inestabilices (vibraciones audibles) y en que parte de la máquina se originan. Como resultado de estas primeras investigaciones se obtiene que el sistema de transmisión de energía oleohidráulica es el generador de las perturbaciones. Una segunda fase de experimentos descritos asimismo en el primer capítulo, llevan a poder afirmar que las perturbaciones se originan en la servoválvula.
El siguiente paso consistió en profundizar sobre las prestaciones de la servoválvula, analizando inicialmente los elementos de que consta y sus características teóricas y experimentales. Paralelamente se llevo a cabo un estudio crítico de la bibliografía sobre el tema, en particular sobre posibles anomalías de funcionamiento en servoválvulas. Algunos investigadores insinuaron que las fuerzas de flujo sobre las toberas eran una fuente de inestabilidades. Nuestras investigaciones confirman esta hipótesis y ponen a la luz la importancia del modelo de flujo tobera/paleta en este sentido. Se comprueba que los coeficientes de descarga y la distancia tobera paleta son definitorios en el modelo de flujo.

En el tercer capítulo se estudian en profundidad los diversos modelos de flujo, se hace hincapié que en la servoválvula bajo estudio hay dos tipos de flujo: el denominado tobera paleta y el denominado paleta tobera. Se observa experimentalmente diferencias importantes entre los coeficientes de descarga para cada uno de estos dos tipos de flujo. En este mismo capítulo se realiza una modelización bidimensional por volúmenes finitos de la evolución del fluido dentro de una servoválvula, en donde se pueden diferenciar los diversos modelos de flujo en función de la distancia tobera paleta y la diferencia de presión entre la entrada y salida. Al final de este capítulo se comparan los resultados experimentales con los hallados vía modelización, observando un buen comportamiento del modelo.

El capitulo cuarto se centra en la obtención de un modelo que simule el comportamiento de la servoválvula. La modelización se realiza utilizando el método de diagramas de enlaces "Bond Graph".Como innovación en este apartado cabe destacar la modelización de las fuerzas de flujo y la variabilidad de los coeficientes de descarga en función del número de Reynolds. Como complemento a la modelización y en lo que a las fuerzas de flujo hace referencia, se realiza un estudio comparativo de los dos modelos de servoválvula de cuatro toberas existentes: el Williams y el Moog 92, comprobando que el modelo actual, el Moog 92 es mas tolerante a las inestabilidades.
De los resultados de la modelización se puede estimar con gran precisión el comportamiento en régimen permanente y en régimen transitorio de la servoválvula. Se demostró asimismo que la frecuencia propia fundamental de la servoválvula estaba alrededor de los 580 Hz. Esta frecuencia se corresponde con la obtenida en forma de espectro audible en los experimentos iniciales.

En el capítulo cinco se analiza con detalle el origen de la perturbación audible de alrededor de 2200 Hz. Después de una serie de experimentos y de analizar los resultados que otros investigadores obtuvieron en sistemas análogos, se llega a la conclusión de que la perturbación de alrededor de 2200 Hz es de origen fluidodinámico, y capaz de excitar uno de los modos de vibración de la armadura. Esta inestabilidad se ve reforzada por un fenómeno de resonancia que es consecuencia de la morfología de la tobera / paleta.

Como innovaciones de esta tesis cabe citar:

1.- El estudio del flujo entrante paleta/tobera. En este sentido se han definido los modelos de flujo que tienen lugar y los parámetros que los definen: coeficientes de descarga en función de la distancia tobera paleta. Se ha observado que el origen de todas la inestabilidades se localizan cuando el flujo va de paleta a tobera, (flujo entrante). Estos modelos de flujo fueron modelizados mediante volúmenes finitos siendo los resultados obtenidos satisfactorios.
2.- La modelización del comportamiento en régimen permanente y régimen transitorio de la servoválvula mediante técnicas de diagramas de enlaces (Bond Graph).
3.- La metodología experimental seguida para poner en evidencia que fenómenos son el origen de las perturbaciones audibles, y que factores deben considerarse para minimizar sus efectos.; The PhD focuses on the analysis of the erratic behaviour of the oil hydraulic system installed in a sparkling machine and when operating under some particular conditions.

The first chapter describes a set of experiments to find out under which conditions and were the instabilities (audible vibrations) are created. As a result, it is demonstrated that the servovalve is the origin of the instabilities.
Some researchers pointed out that flow forces acting onto the servovalve flappers could originate vibrations. It is then decided to measure the discharge coefficients for flow going from nozzle to flapper and from flapper to nozzle, being the aim to better understand the flow models inside the four nozzle two flapper servovalve under study.
The discharge coefficients demonstrate that two completely different models of flow appear inside the servovalve.
To better understand such flow models a CFD computer modelisation of the nozzle-flapper and flapper-nozzle flows was undertaken, finding out that flow in direction flapper nozzle is prone to be instable. Good agreement was found when comparing discharge coefficients found experimentally and via CFD modelisation.
The fourth chapter is dedicated to simulate the complete servovalve behaviour, the simulation is performed using the Bond Graph technique. It is interesting to point out that when the armature of the servovalve was excited with a frequency near the servovalve natural frequency the model gave an over excitation of the servovalve, as it occurs in reality. Such frequency was one of the perturbation peaks measured at the beginning of the study.
On the last chapter is analysed experimentally the origin of a second perturbation peak with a frequency of 2200 Hz. Finding out that such instability has a fluid dynamic origin and is created by the flow going from flapper to nozzle. Such perturbation is amplified by the nozzle chamber and it is able to excite some vibration modes of the servovalve armature. The way to overcome such problem would be via preventing the amplification from being created. This main mean whether avoid flow from flapper to nozzle or modifying the nozzle chamber in the nozzles having flapper nozzle flow.

Caracterización fluidodinámica de una bomba oleohidráulica de engranajes internos generados por perfiles trocoidales

Tue, 12 Apr 2011 15:22:20 GMT

Caracterización fluidodinámica de una bomba oleohidráulica de engranajes internos generados por perfiles trocoidales Gámez Montero, Pedro Javier En los últimos años, los trabajos de investigación están muy motivados por todo aquello que contribuye a reducir el ruido emitido por los sistemas oleohidráulicos. Como ha sido demostrado por varios investigadores, el origen de estas perturbaciones hay que buscarlo en el proceso de generación de las pulsaciones de caudal como característica intrínseca del propio funcionamiento real de la bomba, y en consecuencia, cualquier avance en este terreno debe pasar ineludiblemente por la simulación del comportamiento dinámico de estas unidades.

El presente trabajo de investigación se circunscribe al estudio de una bomba gerotor, con el fin disponer de un estudio global, coherente y unificado que comprende la geometría de los perfiles trocoidales del engranaje, la cinemática del engrane, las características volumétricas, las tensiones en los puntos de contacto y su comportamiento dinámico.

La geometría y cinemática de engrane del engranaje trocoidal se han deducido analíticamente mediante las ecuaciones de los perfiles de los dientes y la línea de puntos de contacto en función de cuatro parámetros básicos, sentando la base para el desarrollo de los estudios posteriores. Las características volumétricas se han desarrollado, puesto a punto y comparado mediante dos métodos: uno numérico que se fundamenta en un análisis integral-derivativo, y el otro que se fundamenta en un análisis derivativo-integral en sus dos posibles versiones, la analítica y la numérica. La concordancia de resultados obtenidos utilizando estos métodos es muy satisfactoria. En el cálculo de las tensiones de contacto, también se han propuesto y desarrollado dos metodologías de cálculo. Un primer método parte de la teoría desarrollada por Colbourne, implementado con una variante para el cálculo de los puntos de contacto. Este método es adecuado para ruedas dentadas exteriores donde el perfil del lóbulo o diente es ajustable a un arco circular. Puesto que su aplicación es muy restrictiva, se ha creído oportuno proponer un método alternativo implementado con el Método de los Elementos Finitos mucho más genérico. Este último ha proporcionado los valores de la magnitud de la máxima tensión de contacto más fiables y ha demostrado un alto nivel de flexibilidad que facilita en gran medida el proceso de optimización de la forma geométrica de los perfiles de los dientes.

El comportamiento fluidodinámico de la bomba gerotor se estudia proponiendo un método de simulación física (Método de BondGraph) que incida directamente en el cálculo de las pulsaciones de caudal. El modelo de simulación fluidodinámico presenta un análisis matemático que parte del submodelo de una cámara y se completa con la interacción engranaje-bomba y las fugas de caudal. Esta metodología numérica desarrollada se contrasta con una técnica experimental (Método de la 'Fuente Secundaria') que permite la comparación directa de los resultados obtenidos por ambas vías. Son dos los bancos de ensayo empleados y desarrollados de acuerdo con la norma ISO 10767, uno en el Fluid Power Centre de la University of Bath, y otro diseñado y construido específicamente para esta tesis en el laboratorio del centro LABSON. Se observa que las amplitudes (pico a pico) de las pulsaciones de caudal obtenidas por vía experimental en el Fluid Power Centre son inferiores y más regulares que las obtenidas en el laboratorio del centro LABSON.

La comparativa de resultados de la pulsación de caudal 'ideal' obtenida de la simulación y la pulsación de caudal de los ensayos experimentales muestran ser muy precisos en su forma, a pesar de existir diferencias de amplitud. El modelo de simulación muestra que describe con gran grado de exactitud la interacción engranaje-bomba y las fugas de caudal de una bomba gerotor.; In recent years, there has been a growing awareness of the hazards of industrial noise and how to reduce it in hydraulic systems. A great number of studies have been carried out in the past in this field and it has been shown that the source of these perturbations has to be sought in the process of the generation of flow ripple as an intrinsic characteristic of the pump. As a consequence of this, any advance in this field has to inevitably pass the simulation of the dynamic behaviour of the pump.

The investigation work presented in this thesis is concentrated on the performance analysis of a gerotor pump in order to develop a coherent and unified global study of the trochoidal profiles geometry of the gear, the kinematics of the mesh, the volumetric characteristics, the contact stress at the contact points and its fluid dynamic behaviour.

The geometry and kinematics of the mesh of the trochoidal gear has been analytically deduced through the equations of the teeth profiles and the line of contact, which are in turn function of four basic parameters and were the basis for further studies. The volumetric characteristics have been developed and compared by using two approaches: the integral-derivative approach solved by a numerical differentiation and the derivative-integral approach solved by a numerical and analytical integration. The coherence of the results obtained by both approaches is very satisfactory.

Contact stress calculation is also proposed and developed by using two methodologies. The first method is based on Colbourne's theory and it is implemented by a new approach to the calculation of the contact points. This method is only valid for external gears formed by circular-arc teeth. Because of the limitation of this method, an alternative and more generic method has been proposed by implementing the Finite Element Method. This last method provides more reliable magnitude values of the maximum contact stress and it has shown a high flexibility that aids the process of optimization of the teeth profiles geometry.

The fluid dynamic behaviour of the gerotor pump study is based on a physical simulation method (BondGraph's Method) which is focused on the flow ripple calculation. The simulation model presents an analytical approach which starts with a submodel of a single chamber and it is completed by the interaction of gear-pump and leakage flows. This numerical methodology is contrasted with an experimental methodology (Secondary Source Method) which allows a direct comparison between results from both methodologies. Two test rigs have been employed and developed according to the ISO normative 10767-192/84247: one of the test rigs is at the Fluid Power Centre of the University of Bath and the other test rig is specifically designed and constructed for this thesis at the LABON Centre. A comparison of the experimental results has shown that the amplitude (peak to peak) of the flow ripple of the Fluid Power Centre is more accurate than those obtained at the LABSON Centre.

The comparison between the 'ideal' flow ripple from the simulation and the 'real' flow ripple from the experimental work are shown to be very precise in shape and form, despite of the discrepancies observed between amplitudes. It has been proved that the simulation model describes with a high accuracy the interaction of gear-pump and leakage flows of the gerotor pump.

Posibles escenarios futuros mundiales de emisiones y absorciones de CO2 y cumplimiento de los acuerdos de Kyoto

Tue, 12 Apr 2011 15:22:18 GMT

Posibles escenarios futuros mundiales de emisiones y absorciones de CO2 y cumplimiento de los acuerdos de Kyoto Felipe Blanch, José Juan de El problema de las emisiones y su efecto directo, el cambio Climático que sufre el planeta, es de ámbito mundial, global, y en él interviene de manera directa el ser humano, como individuo y como sociedad. Esta Tesis, intenta analizar diferentes posibles caminos hacia el futuro a corto plazo, de esta problemática ambiental, teniendo muy presente tanto los factores físicos como las interrelaciones políticas - sociales (retroalimentaciones) que involucran estas emisiones, que repercuten y repercutirán de manera tan directa en la vida del hombre, y en general, en la vida de nuestro planeta.

Por ello y tal como especifica el título de la tesis, el objetivo de ésta es realizar un estudio de las implicaciones políticas, económicas, tecnológicas y medio ambientales en las emisiones de CO2, que nos permita hacer diversas prospecciones de dichas emisiones en un futuro cercano (con una visión a 12 años vista), y que a la vez nos ayuden, realmente, a definir el conjunto de acciones políticas más adecuadas, para acercarnos lo más posible a las metas de los acuerdos del Protocolo de Kyoto, bajo el punto de vista de la sostenibilidad del desarrollo.

Para este fin, realizaremos un estudio minucioso de la evolución de las emisiones hasta el presente, así como sus relaciones con las tecnologías, la economía y la política, a fin de poder conocer con el mayor detalle posible, sus interrelaciones, para posteriormente poder parametrizarlas, y realizar un modelo multinivel, jerárquico, que nos permita realizar diferentes prospecciones de futuro según diferentes hipótesis (lo más realistas posibles).

El segundo paso pues, será realizar un modelo matemático de segundo nivel o nivel medio, que nos relacione las diferentes variables, tanto económicas, como tecnológicas y políticas, así como medio ambientales, que nos permita predecir las diferentes posibles evoluciones de las emisiones de gases de efecto invernadero en el planeta en el futuro (del dióxido de carbono, exclusivamente), imbricadas por un modelo de primer nivel o nivel superior, nos permitirá tener en cuenta las posibles implicaciones políticas que puedan ocurrir, dependiendo de las diferentes evoluciones de las variables de entrada calculadas con el modelo jerárquico inferior.

Estos modelos, seguirán las pautas marcadas por la Cumbre de Kyoto, así como las marcadas por las siguientes Convenciones sobre dicha materia, teniendo en cuenta las absorciones, y el posible mercado de emisiones, y otros mecanismos de flexibilidad previstos por dichos tratados internacionales.

Estos modelos se desarrollarán centrándose en las relaciones dinámicas principales que existen entre la economía, la tecnología y las emisiones de gases de efecto invernadero, así como las políticas y su interrelación a través del tiempo.

Por otra parte, utilizaremos los datos disponibles públicamente en los diferentes bancos de datos (IEA, ONU, FAO y diversos organismos internacionales), así como resultados de modelos complejos integrados, para parametrizar las variables de los modelos y aplicarlo a todas las regiones del mundo.

Para el cálculo de las emisiones de CO2 utilizaremos los criterios seguidos por el I.P.C.C. (International Pannel Climate Change).; The present Doctoral Thesis has been carried out within the framework of Chair UNESCO in "Tecnologia, Sustainable Desenvolupament, Desequilibris i Global Canvi "(Technology, Sustainable Development, Imbalances and Global Change) of the U.P.C. (Universitat Politècnica de Catalunya); within the program of doctorate "Sostenibilitat, Tecnologia i Humanisme "(Sustainability, Tecnologi'a and Humanismo).

The problem of the emissions and its direct influence, the Climatic change that undergoes the planet, it is of world-wide scope, global, and in him the human being takes part of direct way, like individual and society. This Thesis, it tries to raise different possible ways towards the future in the short term, of this problematic environmental one, remembering very as much the physical factors as the political interrelations - social (feedbacks) that involves these emissions, that they repel and they will repel of so direct way in the life of the man, and in general, in the life of our planet.

For that reason and as it specifies the title of the thesis, the objective subject of this one is to make a study of the political implications, economic, technological and average environmental in the CO2 emissions, that it allows us to make diverse prospections of these emissions in a near future (with a vision to 12 Vista years), and that simultaneously defines the set to us of more suitable political actions, that they approach us most possible the agreements of the Protocol of Kyoto, under the point of view of the sustainability of the development.

For this aim, we will make a meticulous study of the evolution of the emissions until the present, as well as its relations with the technologies, the economy and the policy, in order to be able to know with the greater possible detail, its interrelations, later to be able to parametrizar them, and to make a model multilevel, hierarchic, that it allows us to make different prospections from future according to different hypotheses (most realistic possible).

The second step, it is to make a mathematical model of second level or mean level, that it relates the different variables to us, economic as as much technological, as well as average environmental, that it allows to predict different the possible evolutions us from
the gas discharges effect conservatory in the planet in the future, overlapped by a model of first level or superior level, in where we will consider the possible political implications that they can happen, depending on the different evolutions from these variables (inputs).

This model, it will follow the standards set by the Summit of Kyoto, as well as the marked ones by the following Conventions on this matter, considering the absorptions, and the possible market of emissions, and other mechanisms of flexibility anticipated by these international treaties.

This model will be developed being centered in main the dynamic relations that exist between the economy, the technology and the gas discharges of effect conservatory, as well as the policies and their interrelation through the time (transitory nonlinear system); we will publicly use the data available in the different data banks (IEA, The UN, The FAO and diverse international organisms), as well as results of integrated complex models, in order to parametrizar the variables of the models and to apply it to all the regions of the world.

For the calculation of the CO2 emissions we will use the criteria followed by the I.P.C.C. (International Pannel Climate Change).

Accionamiento y control del posicionado de aperos agrícolas mediante actuadores oleohidráulicos

Tue, 12 Apr 2011 15:22:17 GMT

Accionamiento y control del posicionado de aperos agrícolas mediante actuadores oleohidráulicos Rivas, José Ricardo La presente tesis doctoral trata sobre el accionamiento y control del posicionado de aperos agrícolas que configuran aspectos funcionales de máquinas tales como palas cargadoras frontales, máquinas cosechadoras de caña de azúcar (alzadoras y combinadas), etc., siendo el objetivo fundamental desarrollar un sistema que accione y controle dos o más actuadores óleo-hidráulicos de manera simultánea, coordinada y sincronizada que mejore la funcionalidad de elevación de mecanismos tipo péndulo doble.
El estudio de la bibliografía consultada nos permite hacer un análisis detallado de los trabajos más importantes sobre los sistemas mecánicos de elevación, inclinación y volteo de tales máquinas, así como, las diferentes alternativas de sincronización.
Acorde con lo anterior, los objetivos básicos de la tesis se han centrado en: estudiar el comportamiento de un bloque de sincronización oleohidráulica constituido por dos unidades divisoras de caudal, de relación de partición variable, con compensación de carga así como dos unidades de regulación de presión (frenado y limitación de presión) pilotadas externamente, simular su interacción con las prestaciones del mecanismo de elevación utilizando el método de bond graph, y por último, validar y optimizar el diseño y la metodología empleada a través de ensayos experimentales. La elección del bond graph como método de simulación obedece a dos objetivos básicos: evaluación del comportamiento cinemático y dinámico del mecanismo, así como permitir su interacción con el modelo del bloque de sincronización oleohidráulico. Es decir, disponer de un modelado físico en un sistema multidominio.
La explotación sistemática de esta metodología teórico experimental ha permitido colegir las siguientes conclusiones:
Desde el punto de vista mecánico/oleohidráulico, a pesar de que el comportamiento cinemático-dinámico del sistema durante los ciclos de subida y bajada son diferentes, es posible utilizar unidades divisoras de caudal de características inherentes idénticas (curva partición de caudal en función de la posición de la aguja). Los valores obtenidos en laboratorio y los obtenidos mediante la simulación numérica difieren en el peor de los casos, en un valor menor del 10 % (caso de bajada).
Se ha constatado que, a excepción de que el mecanismo del péndulo doble incluidos los actuadores sea un mecanismo homotético, cualquier otra configuración geométrica del mismo, presenta una relación no lineal entre el cociente de velocidades de los actuadores en función del ángulo de elevación. Relación que limita drásticamente la sincronización. Las configuraciones no homotéticas son una constante en el accionamiento de aperos agrícolas y vienen impuestas, en la mayoría de las veces, por conveniencias estratégicas, tales como: ventajas mecánicas, visibilidad del operario, espacio de trabajo, estabilidad, transportabilidad, etc.
Para el prototipo construido y ensayado, los valores de partición de caudal óptimos se corresponden a una posición de aguja de 1.2-1.6, para el ciclo de bajada y de 7-7.1, para el ciclo de subida. Sin embargo, no es posible compensar la no linealidad con válvulas de aguja controladas manualmente.
También se ha constatado, experimentalmente y numéricamente, que la bondad del sincronizado es muy sensible a la posición de la aguja que define la partición de caudal.
En general, se puede considerar que la solución oleohidráulica ofrece unas buenas prestaciones aunque se ven penalizadas ya que la unidad hidráulica de sincronizado acusa una pérdida de presión excesiva.
Habida cuenta la gran sensibilidad de la posición de la aguja frente a la división de caudal mencionada anteriormente, se ha constatado, experimentalmente, una acusada diferencia de comportamiento entre los ciclos de subida y bajada. En algunos casos, estas diferencias han sido acumulativas y, en consecuencia, transcurrido un elevado número de ciclos, se pierde la capacidad de sincronización.; This doctoral thesis deals with the drive and control of the positioning of agricultural implements that form functional aspects of machines such as front-end loaders, sugar cane machines harvesters (gatherers and combined), etc. The main aim is to develop a system that drives and controls two or more hydraulic actuators in a simultaneous, coordinated and synchronised way that improves the elevation functionality of double pendulum type mechanisms.
The study of the consulted bibliography allows us to make a detailed analysis of the most important works of the elevation, inclination and turn around mechanical systems of such machines, as well as, the different synchronization alternatives.
In agreement with the above, the basic objectives of this thesis have been centered on: the study of the behavior of a hydraulic synchronization block consisting of two variable partition flow divider units with load compensation as well as two externally piloted pressure regulation units (restrained and limitation of pressure); the simulation of their interaction with the elevating mechanism characteristics using the bond graph method, and finally, the validation and optimization the design and the methodology used through experimental tests. The election of the bond graph as a simulation method obeys the two basic objectives: evaluation of the kinematic and dynamic behavior of the mechanism, as well as its interaction with the model of the hydraulic synchronization block. That is to say, to have a physical model in a multidominion system. The systematic operation of this experimental theoretical methodology has lead to the following conclusions:
From the mechanical / hydraulic point of view, although the kinematic-dynamic behavior of the system during the cycles of ascent and descent is different, it is possible to use flow divider units of identical inherent characteristics (the flow partition curve as a function of the position of the needle). The values obtained in the laboratory and these obtained by means of the numerical simulation differ in the worst case by a value smaller than 10 % (case of descent).
It has been stated that all geometric configurations of the double pendulum mechanisms including actuators (with the exception of a homothetic type) present a nonlinear relationship between the quotients of speeds of the actuators based on the elevation angle. A relationship that limits the synchronization drastically. The nonhomothetics configurations are constant in agricultural drive implements and are imposed, most of the time, by strategic advantages, such as: mechanical advantages, visibility of the worker, space of work, stability, transportability, etc.
For the manufactured and tested prototype, the optimal partition of flow values correspond to a position of the needle of 1.2-1.6, for the cycle of descent and 7-7.1, for the cycle of ascent. Nevertheless, it is not possible to manually compensate the nonlinearity with needle valves.
It has also been stated, experimentally and numerically, that the synchronous is very sensitive to the position of the needle that defines the flow partition.
In general, it is possible to consider that the hydraulic solution offers good performance characteristics although they are penalized as the synchronised hydraulic unit causes an excessive loss of pressure.
Taking into account the great sensitivity of the position of the needle as opposed to the flow division previously mentioned, it has been stated experimentally that there is a significant behavior difference between the cycles of ascent and descent. In some cases, these differences have been cumulative and consequently, after a high number of cycles, the synchronization capacity is lost.

Análisis teórico experimental sobre sincronización de actuadores oleohidráulicos

Tue, 12 Apr 2011 15:22:15 GMT

Análisis teórico experimental sobre sincronización de actuadores oleohidráulicos Rivera Medina, Ricardo José El desarrollo de esta tesis se centra en el estudio del sincronizado de actuadores lineales oleohidráulicos mediante válvulas divisoras de caudal.
La mayoría de los estudios dedicados al análisis del comportamiento dinámico de una válvula divisora plantean las ecuaciones de estado (sistema de ecuaciones diferenciales no lineales) y las integran aplicando un método clásico de integración, tal como, Runge-Kutta. Otros utilizan programas comerciales de simulación, tales como el Bathfp, Simulink, etc. En cualquier caso, el objetivo de todos ellos es demostrar la viabilidad de determinados métodos y códigos para la modelización. En ninguno de ellos se profundiza en la evaluación de parámetros o variables de diseño.
Acorde con todo lo anterior, los objetivos básicos de esta tesis se han centrado en la simulación mediante bond graph del comportamiento dinámico de las válvulas divisoras de caudal de doble funcionalidad con sistema antibloqueo al final de carrera de los actuadores, atendiendo al estudio de la influencia de las variables de diseño más importantes.
Con esta metodología, se dispuso de una valiosa herramienta para simular, evaluar, predecir y plantear nuevos diseños de válvulas divisoras de caudal.
Para la explotación sistemática de los modelos propuestos ha sido necesario desarrollar toda una serie de actividades experimentales con la finalidad de validarlos.
Las conclusiones más destacadas son:
La disposición de orificios en serie es la mejor configuración posible para el diseño de las válvulas divisoras/integradoras de caudal.
El modelo de simulación desarrollado para la válvula divisora de caudal permite contemplar en un solo bond graph los dos modos de funcionamiento (unidad divisora/integradora), acoplable como submodelo a cualquier modelo jerárquicamente superior que represente un circuito real.
Para valorar la precisión de las válvulas divisoras/integradoras de caudal se requiere considerar dos aspectos: el comportamiento dinámico del compensador de carga y el papel de las tolerancias de fabricación de las piezas con movimiento relativo, no solo en valor absoluto, sino también en valor relativo, es decir, nivel de simetría real del prototipo una vez fabricado.
El dimensionado de los orificios principales fijos (chicles) definen el caudal nominal de la válvula, o rango útil de caudales. El nivel de precisión es directamente proporcional a la sección efectiva de estos chicles. Sin embargo reducir estas secciones impide mantener una aceptable caída de presión dentro del intervalo de caudales para el cual ha sido diseñada la válvula.
El nivel de precisión es inversamente proporcional al cuadrado del diámetro de la corredera del compensador de carga, y se ve afectado ligeramente por el tamaño de los orificios de amortiguación.
Para cargas simétricas, si el nivel de fugas es idéntico en ambas ramas, se produce un error de división de caudal nulo. Y el error absoluto entre desplazamientos de los cilindros, también, es nulo.
Si los niveles de fugas son significativos y diferentes en ambas ramas, el error de división de caudal es apreciable y en consecuencia, el error absoluto entre desplazamientos de los actuadores aumenta con el tiempo.
Para cargas asimétricas, si el nivel de fugas es idéntico en ambas ramas el error de división de caudal se compensa al cabo de un tiempo, y el error absoluto entre desplazamientos de los cilindros se mantiene constante (error caudal), una vez compensado el error de división de caudal. Sin embargo, la magnitud del error absoluto entre desplazamientos es proporcional al nivel de las fugas.
Si el nivel de fugas es diferente en ambas ramas, el error de división de caudal tiende a compensarse, pero la influencia de la magnitud de las fugas en combinación con el estado de las cargas puede favorecer o desfavorecer el error absoluto de desplazamientos de los cilindros.; The development of this thesis is centered on the study of synchronization of hydraulic linear actuators by means of proportional flow divider-combiner valves.
Most of the studies dedicated to the analysis of the dynamic behaviour of a flow divider valve raise the equations of state (system of nonlinear differential equations) and integrate them by applying a classic method of integration, such as, Runge-Kutta. Others use commercial simulation programs, such as the Bathfp, Simulink, etc. Even though the objective of all of them is to demonstrate the viability of certain methods and codes for their modelling, none of them deepen the evaluation of parameters or design variables.
In agreement with the above, the basic objectives of this thesis have been centered on the simulation by means of the Bond graph method, of the dynamic behaviour of the flow divider-combiner valves of double functionality with system antiblockade at the end of the stroke of the actuators.
With this methodology, it was a valuable tool to simulate, evaluate, predict and raise new designs for flow divider valves.
For the systematic operation of the proposed models it has been necessary to develop a series of experimental activities with the purpose of validating them. The most outstanding conclusions are:
The disposition of orifices in series is the best possible configuration for the design of the flow divider-combiner valves.
The simulation model developed for the flow divider-combiner valve allows the analysis in a single Bond graph of both ways of operation (divider-combiner unit). It can be connected as a submodel to any hierarchically superior model that represents a real circuit.
In order to value the precision of the flow divider-combiner valve it is necessary to consider two aspects: the dynamic behaviour of the load compensator and the influence of the manufacturing tolerances of the pieces with relative movement. However, both the single movements in absolute and relative valves must be considered.
The sizing of the fixed primary holes defines the nominal flow rate of the valve, or the useful range of flows. The level of precision is directly proportional to the effective section of these holes. Nevertheless, reducing these sections prevents an acceptable drop in pressure within the interval of flow rate for which the valve has been designed.
The level of precision is inversely proportional to the square of the diameter of the track of the load compensator, and it is affected slightly by the size of the damping orifices.
For symmetrical loads, if the level of leakage is identical in both directions, a division error of zero flow takes place. The absolute error between displacements of the cylinders is also zero.
If the leakage levels are significant and different in both directions, the flow error of the flow division is considerable and consequently, the absolute error between displacements of the actuators increases with time.
For asymmetric loads, if the level of leakage is identical in both directions, the flow division error is compensated after a time and the absolute error between displacements of the cylinders stays constant (error of great flow), once flow division error is compensated. Nevertheless, the magnitude of the absolute error between displacements is proportional to the level of the leakage.
If the level of leakage is different in both directions, the flow division error tends to be compensated, but the influence of the magnitude of the leakage in combination with the state of the loads can favour or work against the absolute error of displacements of the cylinders.

Estudio cinemático y dinámico de un sólido elástico giratorio accionado mediante un servoactuador hidráulico

Tue, 12 Apr 2011 15:22:12 GMT

Estudio cinemático y dinámico de un sólido elástico giratorio accionado mediante un servoactuador hidráulico Freire Venegas, Francisco Javier El conocimiento del comportamiento de los sistemas con elementos flexibles es cada vez mas importante en la técnica moderna. La notable mejora de las prestaciones dinámicas que comporta la reducción de la masa de los elementos en movimiento, se encuentra compensada por la pérdida de precisión que aparece como consecuencia de la flexibilidad. Para comprender mejor los sistemas con elementos flexibles, en esta tesis se ha investigado el comportamiento particular de una viga flexible giratoria accionada mediante un servoactuador oleohidráulico, con la intención de obtener una metodología aplicable a casos similares.

A continuación, se indica la estructura con la que se ha planteado esta tesis:
a) estudio teórico,
b) simulación,
c) validación experimental, y
d) estrategias de control.

Estudio teórico

l estudio teórico se ha iniciado considerando, en una primera aproximación, que la viga elástica es un sólido rígido. Este estudio sirve de introducción a la segunda parte en la que se considera la flexibilidad de la viga.

El estudio teórico se ha iniciado de la manera mas general posible, añadiéndose hipótesis simplificadoras progresivamente, solo cuando son necesarias. En primer lugar se han planteado las ecuaciones diferenciales del movimiento considerando las hipótesis de Timoshenko, así como los efectos debidos a las fuerzas centrífugas y de Coriolis. Se ha utilizado el método de Lagrange, lo que ha permitido automatizar el planteamiento de las ecuaciones.

Las ecuaciones diferenciales del movimiento son integro diferenciales en derivadas parciales.
Debido a su notable complejidad se ha sustituido la hipótesis de viga de Timoshenko por la de viga de Euler-Bernoulli. Así mismo se ha considerado que la masa de la viga es mucho mas grande que la masa situada en el extremo de la viga.

En la ecuación diferencial obtenida se ha justificado la existencia de un término que puede ser despreciado. Esto ha permitido integrar las ecuaciones, y obtener las frecuencias propias y las formas modales. Se han realizado diversas aplicaciones numéricas del método anterior.

Simulación

La elección del método empleado para modelar un sistema real es una decisión compleja. Debido a que el sistema estudiado abarca varias disciplinas tecnológicas, se impone la necesidad de utilizar una escala jerárquica de submodelos encapsulables. Estos submodelos se definen explícitamente a partir de leyes físicas. De todas las alternativas contempladas se ha decido utilizar Bond Graph porque cumple con los requisitos citados y, además, es conceptualmente didáctico.

La modelización de la viga flexible mediante Bond Graph seguirá un planteamiento nodal, pues no es posible garantizar a priori que las frecuencias propias de la viga flexible sean independientes del resto del sistema. El modelo nodal desarrollado es esencialmente una discretización en elementos finitos de la viga de Euler-Bernoulli.

El planteamiento nodal considera la viga como un conjunto de rebanadas conectadas entre sí. La masa de las rebanadas se considera concentrada en su centro de masas. Las rebanadas están articuladas entre sí y existe un muelle entre ellas que se opone al giro.

La explotación sistemática de este modelo, con pequeñas variaciones, permite observar los efectos debidos a la presión de alimentación, al área del actuador lineal, al caudal nominal de la servoválvula, al rozamiento mecánico y a las fugas en el actuador, así como a la posición del actuador con respecto a la viga.

Estudio experimental

Se ha diseñado, construido y puesto a punto un banco de ensayos que ha permitido validar experimentalmente los modelos teóricos y los modelos de simulación desarrollados en esta tesis.

Se ha obtenido experimentalmente una estimación de la función de transferencia del sistema viga flexible/actuador lo que ha permitido validar las frecuencias propias obtenidas mediante cálculos teóricos y mediante simulación.

Estrategias de control

Se han ensayado diversas estrategias de control, tanto experimentalmente como por simulación. Finalmente se propone el siguiente enfoque: se ha creado un bucle de realimentación en el que se mide la aceleración en el extremo de la viga para intentar anularla. Como este enfoque frenaría la rampa de aceleración del sistema, solo se activará en las cercanías del punto de llegada del actuador. Esta estrategia es la que ha dado mejores resultados, consiguiendo experimentalmente la desaparición de las vibraciones en 0.5 s.; Understanding the behaviour of systems with flexible elements is increasingly important in modern day technology. Reducing the mass of machine elements leads to a remarkable improvement in dynamic performance. However, a loss of precision also occurs with such an increase in flexibility. In order to arrive at a better understanding of systems with flexible elements, this thesis investigated the particular behaviour of a hydraulic servodriven rotating flexible beam with the aim of obtaining a methodology that could be applied to similar cases.

The thesis was structured in the following way:

a. theoretical study
b. simulation
c. experimental validation, and
d. control strategies

Theoretical Study

The first phase of the theoretical study began by considering the elastic beam as a rigid solid. This study served as a base for the second phase in which the flexibility of the beam was taken into account.

The theoretical study began in a general way and continued by adding simplifying hypotheses when necessary. Firstly, the differential equations of motion were written considering the hypothesis of Timoshenko, as well as the effects due to centrifugal and Coriolis forces. The Lagrange method was used to computerise the writing of the equations.

The differential equations of motion contained integral terms. Due to the remarkable complexity of the Timoshenko beam hypothesis, it was replaced by the Euler-Bernoulli beam. The mass of the beam was also considered to be of greater magnitude than the mass located at the end of the beam.

Within the differential equation obtained via this hypothesis, it was shown that one of the terms was negligible. This allowed integration of the equation to find the modal frequencies and modal forms. Diverse numerical applications of the previous method were carried out.

Simulation

Choosing a method to model a real system is a complex decision. The studied system includes several technological disciplines therefore it is necessary to use a hierarchic scale of sub-models. These sub-models are defined explicitly from physical laws. Bond Graph was chosen as it fulfilled the mentioned requirements and, in addition, is conceptually didactic.

The flexible beam Bond Graph model was nodal, because it wasn't possible to guarantee before hand that its own frequencies would be independent from the rest of the system. The developed nodal model was essentially a finite set of elements of the Euler-Bernoulli beam and considered the beam to be like a set of connected elements. The mass of the elements was assumed to be concentrated at its centre of mass. Every element was pinned to its neighbours and there was a rotational spring between them.

The systematic operation of this model, with small parameter variations, made it possible to observe the effects due to:

- the hydraulic pressure,
- the linear actuator section,
- the servovalve dimension
- to the mechanical friction and losses in the actuator,
- the link position between the actuator and the beam.

Experimental Study

A test bank, to experimentally verify the theoretical and simulation model used in the thesis was designed and erected.

An estimation of the transference function of the flexible beam/actuator system allowed the frequencies obtained via theoretical calculations and simulation to be verified.

Control Strategies

Several control strategies were considered, both experimental and by simulation. Finally, the following approach was used: a feedback loop created using the acceleration in the end of the beam. The acceleration signal was processed and added to the set point signal which was sent to the servo actuator with the intention of reducing the beam end acceleration. As this approach restrained the system start acceleration, it was only activated in the vicinity of the actuator set point. This strategy gave the best results, achieving experimentally that the vibrations disappeared in 0.5s.