5. Analiza twórcza – pozostałe koncepcje
5.1. Analiza pracy w zbiornikach
Zespół projektowy nawiązał współpracę z Miejskim Przedsiębiorstwem Wodociągów i Kanalizacji (MPWiK) w Krakowie. W ramach współpracy udostępniono zespołowi zbiorniki
magazynujące wodę, które miały stanowić testową przestrzeń roboczą dla prototypu robota. Dzięki temu zaistniała też możliwość bliższego przyjrzenia się konstrukcji zbiorników, wyszczególnienia wszystkich elementów mogących wpływać na rozwiązania techniczne urządzenia oraz określić najczęstsze przyczyny uszkodzeń struktury żelbetu. Dodatkowo zespół projektowy skorzystał z okazji, by udokumentować tradycyjne sposoby inspekcji. Na rys.5.1 przedstawiono wejście do jednego ze zbiorników MPWiK. Można na pierwszy rzut oka zauważyć, że wejście do zbiornika znajduje się na jego zadaszeniu. Istnieją również włazy – nieco mniej wygodne – przez które po drabinie można zejść na dno zbiornika. Oczywiście rozwiązanie z włazami stanowi pewne utrudnienie, choćby ze względu na wymiary (ok. 70cm x 70 cm) co określa maksymalne gabaryty robota. Do tego dochodzi fakt, że w takiej sytuacji najlepiej zbudować specjalną rampę nad włazem, dzięki której można byłoby opuszczać urządzenie do środka.
82 Rys.5.2. Wnętrze zbiornika wypełnionego wodą
Część zbiorników wyposażona jest w zasilanie, do którego można podłączyć się w wygodny sposób w ich wnętrzu. W innych przypadkach trzeba być przygotowanym na podciągnięcie zasilania
z pobliskich obiektów. . Typowy obraz sytuacji w zbiorniku przedstawia rys.5.2. Zwykle poziom wody nie przekracza
kilku metrów. Pomiędzy lustrem wody a stropem również istnieje zwykle kilkumetrowy dystans. Fakt ten eliminuje możliwość zatrudnienia płetwonurków, którzy mogliby wykonywać inspekcję pod wodą ponieważ dokładna inspekcja stropu w takiej sytuacji jest bardzo mocno utrudniona. Rys.5.3 przedstawia typowe uszkodzenie struktury żelbetu. Wynika ono najczęściej z tzw. karbonatyzacji betonu. Dwutlenek węgla z atmosfery przenika przez pory betonu do alkalicznej warstwy okalającej zbrojenie. W połączeniu z wodą, CO2 tworzy kwas węglowy reagujący z warstwą alkaliczną, czego rezultatem jest powstanie soli – węglanu wapnia – kruchej, łupliwej, ulegającej łatwemu uszkodzeniu. W ten to sposób warstwy betonu wykruszają się, odsłaniając zbrojenie, które korodując powoduje dalsze osłabianie/niszczenie konstrukcji zbiornika. Z karbonatyzacją można związać fakt zmniejszania się współczynnika pH. W miarę upływu czasu zanika ochronna alkaliczna warstwa (OH-). Efekty zjawiska można badać wymienioną w rozdziale 3.4 metodą map potencjału
elektrycznego, gdyż w różnych miejscach stężenie jonów (OH-) jest różne a metoda pozwala określić miejsca występowania niebezpiecznie niskiego ich stężenia. W przypadku zbiorników wodnych
MPWiK stwierdzono dodatkowo niekorzystny wpływ chloru dodawanego do wody w procesie jej oczyszczania. Tak więc karbonatyzacja betonu, oddziaływanie chloru na beton i skorodowane
83 Rys.5.3. Typowe uszkodzenia struktur żelbetu.
Kolejny aspekt projektu robota inspekcyjnego to zapoznanie się z dotychczasowymi metodami inspekcji zbiorników. Rys.5.4 ilustruje sposób, w jaki jest dokonywany cały proceder. Konstruowane są kilkunastometrowej wysokości rusztowania, dzięki którym pracownicy mogą dotrzeć w trudno dostępne miejsca. W zbiorniku umieszcza się drabiny, oświetlenie oraz inny potrzebny sprzęt. Oczywiście na czas wykonywania tych czynności woda zostaje całkowicie usunięta ze zbiornika. Jak zostało wcześniej wspomniane, prace tego typu trwają około jednego miesiąca. Niewątpliwie bardzo istotnym elementem badania konstrukcji zbiorników jest analiza ich
dokumentacji technicznej (często w postaci dwuwymiarowej – rys.5.5). Na podstawie dokumentacji technicznej przygotowano wizualizację 3D wnętrza zbiornika (rys.5.6), co dodatkowo ułatwia tą analizę. Pozwala ona na wyszczególnienie pewnych cech konstrukcyjnych obiektu mogących mieć wpływ na gabaryty, funkcje, rodzaj zasilania, sterowanie, sposób lokomocji i.in. urządzenia inspekcyjnego. Przykładowo, obecność w prezentowanych zbiornikach metrowej średnicy rur przebiegających ok. pół metra nad dnem (widoczne na rys.5.5) ma na pewno wpływ na konstrukcję robota, który prawdopodobnie będzie musiał się pod nimi przemieszczać. Dodatkowy problem to wsporniki wspomnianej rury. Ponieważ w założeniu robot ma być zasilany i sterowany za pomocą kabli (zasilanie akumulatorowe byłoby zbyt mało wydajne), istnieje ryzyko ich poplątania. Dlatego też należy dodatkowo opracować sposób przemieszczania się robota wewnątrz zbiornika tak, by można było z łatwością wrócić do punktu wyjścia.
84 Rys.5.4. Czynności remontowo-inspekcyjne
Rys.5.5. Analiza dokumentacji technicznej zbiorników jest istotnym aspektem projektu Należy również zwrócić uwagę na obecność i umiejscowienie wspomnianych wcześniej włazów/wejść a także charakteru powierzchni i geometrii ścian oraz dna. Wyszczególnić należy ponadto obecność wszelkich przeszkód mogących utrudnić bądź uniemożliwić poruszanie się robota.
85 Rys.5.6. Wizualizacja 3D zbiornika w programie CATIATM
5.1.1. Obszary pracy robota w zbiorniku
Kolejnym omawianym w tej pracy aspektem projektu, na który trzeba zwrócić szczególną uwagę, to obszary pracy robota inspekcyjnego. Ponieważ robot jako całość można rozważać jako zespół czujników oraz platformę przenoszącą te czujniki w obszarze zbiornika, dlatego należy wyróżnić wszystkie obszary, do których czujniki powinny mieć dostęp. Patrząc na rys.5.7 można jasno określić, że istnieją trzy takie obszary. Największym problemem konstrukcyjnym jest zagwarantowanie możliwości lokomocji platformy w obszarze C. Dodatkowo problem stwarza wymóg pracy w cieczy, a więc konieczność zastosowania np. uszczelnień oraz określenie parametrów
zasilania robota, tak by urządzenie nie stwarzało niebezpieczeństwa porażenia prądem. Wniosek z omawianego aspektu: jeśli zostaną opracowane skuteczne i bezpieczne metody lokomocji dla każdego z wyróżnionych obszarów z osobna, będzie można stwierdzić o możliwości poruszania
się robota inspekcyjnego na obszarze całego zbiornika. W przeciwnym razie należy szukać alternatywnych metod inspekcji obszaru C.
86 Rys.5.7. Trzy istotne obszary pracy robota inspekcyjnego we wnętrzu zbiornika z cieczą
5.1.2. Problem ruchu po pionowej ścianie
Jeśli założyć ruch robota ze stałą prędkością, wtedy na podstawie rys.5.8 można zbudować układ równań statyki widoczny na rysunku. Czyniąc dodatkowe założenia, istnieje możliwość wyboru pewnych parametrów (w tym przypadku są to współczynnik tarcia oraz ciężar robota), które można zmieniać w określonym zakresie. Zmienną, która będzie zależna od tych dwóch parametrów jest siła docisku do ściany Pr.
Należy bowiem zbadać, jaką siłą trzeba oddziaływać na robota aby umożliwić mu nieustanny kontakt ze ścianą podczas ruchu w pionie. Warto zaznaczyć, że siła wyporu U jest stała (wynika to ze stałej objętości cieczy wypartej przez prostopadłościan, który jest tu modelem rozpatrywanego pojazdu).
Istotnym jest również, że znaki sił tarcia tocznego FA i FB zmieniają się w zależności od różnicy między Q i U. Jeśli Q > U, robot jest ściągany w kierunku dna. Dlatego zgodnie z rys.5.8,
wartość signum(Q-U) = +1 zatem FA i FB są skierowane do góry.
Na podstawie sytuacji z rys.5.9 można wyciągnąć kilka wniosków mających wpływ na konstrukcję robota pracującego pod wodą.
87 Rys.5.8. Problem ruchu po pionowej ścianie
ª
«,1 C¬1 C- ) 0 ® 3 x¬¯°±0x2 3 x-¯°±0x2 1 C ) 0
C-@ 3 ®d 1 Cd 1 ³0d 1 c2 1 «;2 ) 0 s (5.1)
88
5.1.3. Problem ruchu po pochyłej ścianie
Na rys.5.10 rozważono problem poruszania się po pochyłej ścianie. Tym razem α oraz µ potraktowano jako parametry. Jak poprzednio szukana jest siła nacisku Pr.
Q jest stałe, ale wzięte są pod uwagę trzy przypadki jego wartości: 200N, 300N i 400N.
Zakres 200N – 400N jest optymalny, ponieważ robot inspekcyjny ma być relatywnie mały i lekki. Objętość robota jest trzy razy mniejsza niż poprzednio. Używając tylko dwóch z układu równań (5.2), można znaleźć funkcję Pr(α,µ).
Rys.5.10. Problem ruchu po pochyłej ścianie
ª «,@ A % 1 C >?@ % 3x¬¯°±0x2 >?@ % 3 x-¯°±0x2 >?@ % 1 C¬@ A % 1 C-@ A % ) 0 ® 1 ³ 3 «,>?@ % 1 C @ A % 3 x¬¯°±0x2 @ A % 3 x-¯°±0x2 @ A % 3C¬@ A % 3 C-@ A % ) 0 C¬s 2 1 3x¬d¯°±0x2 1 C-2 1 3xs -d¯°±0x2 3 ³c @ A % ) 0 (5.2)
Na podstawie wykresów z rys.5.11 można dojść do podobnych wniosków jak poprzednio: wartości Pr
są mniejsze dla większych wartości µ. Gdy porównać zakresy Pr w przypadkach a) i c), obydwa są większe od zakresu Pr w przypadku b). Jest tak, ponieważ ciężar robota w przypadku b) 300N ma prawie tę samą wartość co siła wyporu – 314N. W celu zminimalizowania wartości Pr, powinien zostać skonstruowany robot, którego ciężar miałby wartość maksymalnie zbliżoną do wartości siły wyporu. Naturalnie jest możliwość użycia balastu. W takiej sytuacji można zmieniać wartość U, zbliżając jej wartość do Q i jednocześnie sterować wysokością położenia robota.
89 Rys.5.11. Wykresy Pr(α, µ) na podstawie układu równań (5.2)