UM Pneumatische Systeme

Modellierung der Dynamik von Körpersystemen mit pneumatischen Elementen

Das Softwarepaket "Universal Mechanism" enthält das spezielle Modul UM Pneumatic Systems, das Werkzeuge zur Modellierung der Dynamik von Körpersystemen mit pneumatischen Elementen enthält.

Folgende Elemente sind zur Modellierung in dem Modul verfügbar:

• Pneumatischen Luftfedern
• Kammern mit konstantem Volumen
• Pneumatischer Schlauch
• Düse (Öffnung)

Pneumatische Luftfeder (Luftbalg)

Folgenden pneumatische Feder Modelle stehen zur Verfügung:

• Tabellarisches Modell: experimentelle Daten über Kraft und Volumen in tabellarischer Form;
• Modell von Nishimura
• Modell von Berg
• Thermodynamisches Modell

Statistisches Modell PF 1T15-M0 des Herstellers

Luftbalg-Modell in tabellarischer Form importiert in UM

Hersteller stellen Informationen über die Eigenschaften von pneumatischer Feder oft in Form von Diagrammen zur Verfügung. Ein Diagramm, wie in der oberen Abbildung dargestellt, enthält die Ergebnisse von statischen Tests in Form Kraft/Höhe und Volume/Höhe. Mit Hilfe solcher Daten ist es möglich, ein dynamisches Modell der pneumatischen Feder im UM pneumatische Systeme zu erstellen, das ein einigermaßen genaues dynamisches Verhalten abbildet.

Pneumatik Schläuche (Kanäle)

Stationäre Modelle

Schlauchlänge 3m, Durchmesser 5mm

Für Pneumatische Röhre sind in UM pneumatische Systeme Modul drei Modelle, die den Massenstrom in Abhängigkeit vom Druckabfall darstellen, enthalten:

• "Atlas"

• Strömungsmechanikmodell;

• Darcy-Weisbach-Gleichungen

Strömungsmodel eines pneumatischen Rohrs über ein Zeitintervall

Das dynamische Modell des Luftstroms in einem pneumatischen Rohr wird durch ein System von Differentialgleichungen beschrieben. Das Modell berücksichtigt Transiente von Übergangsprozessen sowie die Trägheitseigenschaften von Strömung in langen Rohren.

Verifizierung des dynamischen Modells eines pneumatischen Rohres

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Verifizierung des dynamischen Strömungsmodells in einem Rohr

Frequenzgang: Vergleich von Simulation und Experiment

Modelle einer Öffnung, einer Düse

Ähnlich wie die Rohrpost ist die Öffnung (wie auch die Düse, das Ventil usw.) ein Verbindungselement zwischen zwei Einheiten des pneumatischen Systems. Das mathematische Modell eines solchen Elementes beinhaltet die Abhängigkeit des Massendurchflusses vom Druckabfall. Das UM pneumatische Systeme Modul enthält zwei Modelle einer Öffnung:

• Düse
• ISO 6358

Pneumatische Systeme

Das pneumatische System in UM ist ein Graph, d. h. eine Menge von Knoten (Vertices), die durch Kanten verbunden sind, dargestellt. Jeder Knoten entspricht einem Typ folgender pneumatischen Elemente:

• Kammer mit konstantem Volumen
• Pneumatischer Luftfeder (Luftbalg)
• Einfacher Knoten

Die Rippen sind:

• Pneumatische Schläuche (Kanäle)
• Blenden/Bohrungen

Luftbalge verbunden durch zwei T-Stücke

Luftbalge verbunden mit Nebenkammern durch Schläuche

Verifizierungstests

Test 1: Luftbalg, der über einen Kanal mit der Nebenkammer verbunden ist

Schema des Experiments zur Untersuchung des Einflusses des Luftschlauches auf die dynamische Steifigkeit und Dämpfung der Luftfeder mit Nebenkammer

Dynamische Steifigkeit in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz: Vergleich von Simulation und Experiment

Test 2: Luftbalg, der über einen Anschluss mit einer Hilfskammer (Nebenkammer) verbunden ist

Luftbalg und Nebenkammer

a = 1mm	a = 2.5mm
a = 5mm	a = 7.5mm
Übertragungskoeffizient: Vergleich von Simulation und Experiment

Simulationsbeispiel: Hochgeschwindigkeitszuges(Zugverband)

Model eines Zugverbandes

Modell des Zug-Trolleys mit zwei Luftbälgen

Vergleich von Simulationsergebnisse Luftfedern mit Hilfskammern und isolierten Luftfedern (obere Tabelle) und Luftfedern mit zusätzlichen Dämpfern in der Sekundärfederung (untere Tabelle)