Pochłanianie energii-porównanie sposobów tłumiących energię

Niewyhamowanie w sposób kontrolowany masy będącej w ruchu, spowodowanej niezadziałaniem systemu hamującego lub błędem operatora, może spowodować znaczne uszkodzenia podczas uderzenia. Aby tego uniknąć, wskazane jest zastosowanie systemu pochłaniania energii zaprojektowanego specjalnie dla danej aplikacji, którego koszt z reguły jest znacznie niższy, niż koszt usunięcia ewentualnych zniszczeń.

Wymagania dla systemów tłumiących energię
W celu zminimalizowania skutków uderzenia opisanego powyżej, należy zwrócić szczególną uwagę na zabezpieczenie zarówno elementów urządzenia, jak i urządzenia w całości.
Szkoda powstała w wyniku takiego uderzenia jest tym większa im siła uderzenia jest większa od dopuszczalnych sił, jakie mogą oddziaływać na elementy danego układu. Element absorbujący energię dobiera się w oparciu o dopuszczalną siłę tłumienia, która powstaje pomiędzy stałą powierzchnią oporową a poruszającymi się masami. Siła ta zależy od konstrukcji urządzenia. Dlatego też celem jest, aby maksymalna siła tłumienia była mniejsza od dopuszczalnych sił mogących oddziaływać na poszczególne elementy składowe urządzenia.

Przetwarzanie energii kinetycznej
Poruszające się element mogą być zatrzymane jedynie poprzez zamianę energii kinetycznej na inny rodzaj energii, np. cieplną, powstałą wskutek tarcia przy hamowaniu, lub energię odkształcenia, powstałą wskutek deformacji . W obu przypadkach oddziaływanie siły następuje na pewnym odcinku drogi. Aby poruszająca się masa została zatrzymana, iloczyn siły tłumiącej i drogi musi odpowiadać początkowej energii kinetycznej.
Jeśli długość odcinka drogi jest niewystarczająca, aby zatrzymać poruszającą się masę, wówczas siła oddziaływująca na element układu na końcu drogi znacznie wzrasta, co może spowodować znaczne szkody. Dlatego też, należy zwrócić szczególną uwagę, aby całkowita energia kinetyczna została skompensowana przez zastosowany element tłumiący. Bardzo często jednak nie dysponujemy wystarczającą  przestrzenią zabudowy. W takim przypadku należy przyjąć kompromis i dopuścić większą sztywność elementu tłumiącego i/lub ewentualnie wzmocnić elementy, które są narażone na uderzenie.

Koszty
Zrozumiałym jest, że użytkownik urządzenia jest zainteresowany zastosowaniem jak najtańszego elementu pochłaniającego energię, tym bardziej, że nie ma on wpływu na podstawową funkcjonalność urządzenia.
W przypadku, gdy prawdopodobieństwo wystąpienia uderzenia jest małe, zastosowanie jednorazowych, łatwo wymienialnych elementów pochłaniających energię może być lepszym rozwiązaniem niż droższe i bardziej złożone systemy wielokrotnego użycia.

Porównanie obecnie stosowanych systemów pochłaniania energii
Jeszcze w końcu ubiegłego wieku jako elementy pochłaniające energię powszechnie stosowane były zderzaki gumowe lub odbojniki tworzywowe, dobierane bez jakiejkolwiek analizy występujących sił. Ważna była jedynie funkcjonalność urządzenia. Gdy dochodziło do uderzenia i zniszczenia kosztownych części, było to traktowane jako nieprzewidywalne zdarzenie. Konieczna była wymiana uszkodzonych, nierzadko drogich części, a dodatkowym kosztem był czas nieplanowego postoju. Stosowane wówczas zderzaki czy odbojniki spełniały jedynie funkcję alibi. 
Dla aplikacji, gdzie wymagane jest niezawodne zabezpieczenie przed skutkami ewentualnych uderzeń dostępne są różnorodne elementy, których zadaniem jest pochłanianie energii. Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę najbardziej rozpowszechnionych elementów pochłaniających energię, z podziałem na jednorazowe i wielokrotnego użycia.

Jednorazowe systemy pochłaniania energii

Aluminiowa płyta warstwowa o strukturze plastra miodu
Elementy tego typu zajmują względnie dużą powierzchnię. Obliczenia i montaż są kosztowne i czasochłonne, a części stalowe, z którymi płyta ma kontakt, narażone są na korozję powierzchniową. Dodatkowym minusem są koszty produkcji aluminium.

Elementy pochłaniania energii wykonane ze zoptymalizowanych syntetycznych polimerów (OSP)
Zastosowanie tego rozwiązania umożliwia dobór gotowych podzespołów, odpowiednich dla aplikacji, które zapewniają całkowitą zamianę energii kinetycznej w energię plastyczną deformacji i zatrzymanie poruszającej się masy, bez żadnego wpływu na urządzenie. Przykładem takiego rozwiązania są zderzaki DEFORM plus firmy Ringfeder. Jest to zabezpieczenie jednorazowe i po każdym uderzeniu musi zostać wymienione.

Systemy pochłaniania energii wielokrotnego użycia

Sprężyna śrubowa
Sprężyna śrubowa ze względu na prawie 100% efekt odbicia, w zasadzie nie posiada właściwości tłumiących, co skutkuje dużym efektem odbicia, a pomimo to bardzo często wykorzystywana jest jako element tłumiący

Sprężyny talerzowe
Podobnie jak sprężyny śrubowe, sprężyny talerzowe również posiadają charakterystykę liniowo-diagonalną, a co za tym idzie ugięcie jest znacznie wyższe. Zdolność przejęcia energii jest porównywalna z OSP dla tych samych wymiarów. Niestety sprężyny talerzowe charakteryzują się niewielką zdolnością tłumienia energii, co powoduje duży efekt odbicia.

Sprężyny pierścieniowe
Elementem tłumiącym, który redukuje efekt odbicia do 1/3, są sprężyny pierścieniowe, które są w stanie wytłumić 2/3 energii. Sprężyny te również mają liniowo-diagonalną charakterystykę. Przy takiej samej zdolności absorbcji energii sprężyny pierścieniowe mają większe wymiary niż elementy OSP.

Cylindry hydrauliczne
Cylindry hydrauliczne zapewniają wysoką skuteczność pochłaniania energii, jest ona jednak zależna od prędkości poruszającej się masy. Niedogodnością przy zastosowaniu tego rozwiązania jako elementu pochłaniającego energię w przypadku kolizji jest wymóg okresowej konserwacji. Istnieje tu ryzyko wycieku oleju, który jest substancją palną, dlatego też nie może być stosowany w niektórych aplikacjach - wszędzie tam gdzie jest prawdopodobieństwo iskrzenia lub ze względu na przepisy ochrony środowiska. Po dłuższym postoju może dojść do tzw. efektu zakleszczenia, wówczas smar pomiędzy uszczelką i tłokiem wysycha, wskutek czego dochodzi do przejściowego, podwyższonego tarcia. Przy takiej samej zdolności pochłaniania energii cylindry hydrauliczne mają większe wymiary niż elementy OSP.

Zderzaki z tworzywa komórkowego
Zastosowanie tworzywa komórkowego jako materiału pochłaniającego energię poruszającej się masy wymusza zabezpieczenia większej przestrzeni zabudowy w porównaniu do zderzaków Deform plus. Zderzaki te posiadają progresywną charakterystykę.

Zderzaki gumowe, zderzaki standardowe poliuretanowe
Podobnie jak zderzaki z tworzywa komórkowego zderzaki gumowe posiadają progresywną charakterystykę tłumienia jak również wymagają podobnej przestrzeni do zabudowy. Odpowiednikiem tego rozwiązania są elementy pochłaniania energii wykonane z optymalizowanych syntetycznych polimerów Deform plus R firmy Ringfeder, jednak posiadają one większą zdolność pochłaniania energii przy porównywalnych wymiarach niż zderzaki gumowe czy z tworzywa komórkowego.

Podsumowanie

Trudno wskazać uniwersalne rozwiązanie zabezpieczające daną aplikację przed uderzeniem z niekontrolowanym ruchem niewyhamowanej masy. Dobór zależny jest od wielu czynników.

Firma Ringfeder jako producent elementów pochłaniających energię wykonanych z optymalizowanych syntetycznych polimerów (OSP) Deform plus i Deform plus R oraz sprężyn pierścieniowych poleca swój zespół techniczny w celu pomocy doboru odpowiedniego rozwiązania do Państwa aplikacji.

źródło:

https://blog.ringfeder.com/comparison-damping-systems