Archives of Mining Sciences 50, Issue 3 (2005) 275–288

Archives of Mining Sciences 50, Issue 3 (2005) 275–288
275
STANISŁAW GUMUŁA*
A NEW CONCEPT OF HYDRAULIC MECHANIZED SUPPORTS RESISTANT TO THE CRUMPS
NOWA KONCEPCJA ZMECHANIZOWANEJ OBUDOWY GÓRNICZEJ ODPORNEJ NA TĄPANIA
A subject of the lecture is a description of construction and results of experimental investigations of
device called an energy accumulation and diffusion converter (EADC). The device gives a possibility of
rapid braking and prevention of equipment and mechanical vehicles against collision results by reducing
of stroke forces with simultaneous restriction of associated inertia forces in these processes.
The operating of these kind of equipment consists of conversion of progressive movement kinetic
energy of vehicle into kinetic energy of mechanical accumulator rotational movement. The mechanical
accumulator takes over the kinetic energy of vehicle through a gear. In the case of collision the gear is set
motion due a force of run obstacle if appears the braking due to subgrade reaction forces.
The investigations have been carried out on model vehicles of about 10 kg mass and real vehicles
(cars) of about 1000 kg mass.
One obtained many times lower maximum value of vehicle stroke force against the obstacle and
inertia force generating during the collision compared with the same forces in the case when bumping
vehicle was without the bumper with energy conversion.
The equipment could be applied as the safety device of hydraulic mechanized shield supports against
crumping results and protection of vertical hoisting and mining haulage in different kind of failures.
Keywords: hydraulic support, burst protection, energy conversion
Ważny i trudny do rozwiązania problem techniczny stanowi skonstruowanie hydraulicznej obudowy
górniczej odpornej na tąpania. Problem ten nie został dotychczas w sposób zadowalający rozwiązany.
Energię tąpnięcia, które obudowa powinna wytrzymać przyjmuje się na poziomie 105 J. Jest to energia
tego rzędu jaką posiada samochód o masie 1000 kg jadący z prędkością około 50 km/h. Można zatem
podjąć próbę przenoszenia do górnictwa rozwiązań stosowanych w technice motoryzacyjnej do ochrony
pojazdów mechanicznych przed skutkami zderzeń.
W pracy przedstawiona została zupełnie nowa metoda ochrony obiektów przed skutkami awarii,
w których może wystąpić zamiana energii kinetycznej poruszających się mas w pracę niszczenia. Metoda
*
WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ I ROBOTYKI, AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA, AL. MICKIEWICZA 30,
30-059 KRAKÓW, POLAND
276
polega na konwersji energii kinetycznej mas, na energię kinetyczną innych, specjalnie w tym celu wprowadzonych urządzeń.
Urządzenie mogące przejąć w ciągu czasu rzędu kilkudziesięciu milisekund energię rzędu 106 J
nazwane zostało energetycznym przetwornikiem akumulująco – rozpraszającym (EPARem).
EPAR i jego podstawowe części składowe pokazane zostały na rysunku 1. Główne części EPARu:
element – 2, przejmujący siłę uderzenia, mechanizm zębatkowy – 5, dzięki któremu następuje zamiana
energii kinetycznej ruchu postępowego w energię kinetyczną ruchu obrotowego, przekładnia multiplikacyjna – 6, przekazująca energię do akumulatora mechanicznego – 7.
Schemat stanowiska badawczego pokazany został na rysunku 2. Podstawowym elementem stanowiska
był samochód – 1. Samochód wyposażony był w zderzak zawierający EPAR – 2. EPAR posiadał układ
pomiarowy do rejestracji przebiegu prędkości obrotowej akumulatora wirnikowego – 3. Do samochodu
przymocowany był układ pomiarowy do określania przebiegu drogi, prędkości i przyspieszenia w funkcji
czasu – 4. Rejestracja tych wielkości dokonywana była przed zderzeniem i podczas zderzenia. Wewnątrz
samochodu przymocowany był akcelerometr do pomiaru i rejestracji przeciążeń (sił bezwładności) – 5.
Pojazd zderzał się z przeszkodą – 6. Przeszkoda wyposażona była w urządzenia do pomiaru i rejestracji
siły uderzenia – 7.
Przedstawimy wyniki badań uzyskane podczas jednego eksperymentu, w którym pojazd posiadający
wraz z kierowcą masę m = 1100 kg jadąc z prędkością V = 7,2 m/s (25,9 km/h), czyli posiadając energię
kinetyczną ruchu postępowego Eks = 28512 J, uderzył w nieruchomą przeszkodę zderzakiem połączonym
z karoserią za pośrednictwem EPARu. EPAR posiadał mechaniczny akumulator wirnikowy o momencie
bezwładności wynoszącym I = 0,0125 kg m2.
Wyniki badań przedstawione zostały w postaci wykresów na rysunkach 3, 4, 5, 6 i 7. Przebiegi parametrów fizycznych charakteryzujących badany proces rejestrowane były w ciągu czasu Δt = 100 ms.
W przyjętej na rysunkach skali czasu, w chwili równej zeru z przeszkodą zetknął się przymocowany do
samochodu czujnik przesunięcia mierzący drogę w funkcji czasu, oznaczony na rysunku 2 numerem 4.
W tej samej chwili rozpoczęła się rejestracja wszystkich parametrów. Samochód jechał nadal ze stałą
prędkością do chwili czasu t = 20 ms. W chwili czasu wynoszącej 20 ms nastąpił początek zderzenia, to
znaczy z przeszkodą zetknęła się przednia część zderzaka, która jest ruchoma względem samochodu. Od
tej chwili czołowa część zderzaka nie wykonywała już względem przeszkody żadnego ruchu, natomiast
nadal w ruchu znajdował się samochód. Ruch samochodu względem przedniej części zderzaka uruchomił
elementy EPARu a te przekazywały energię kinetyczną samochodu do akumulatora wirnikowego.
Przebieg drogi – x(t) w czasie zbliżania się samochodu do przeszkody oraz podczas procesu zderzenia
przedstawia rysunek 3. Długość drogi, na której samochód tracił prędkość i energię wynosiła Δx = 0,2
m. Długość tej drogi można w pewnym zakresie kształtować ciśnieniem początkowym w sprężynach
pneumatycznych. Przebieg prędkości ruchu samochodu – V(t), określonej termoanemometrem, przedstawia rysunek 4. Przebieg przyspieszenia (w tym przypadku opóźnienia), określonego jako pochodna
prędkości V(t) względem czasu, przedstawia rysunek 5. Przyspieszenie to będące wielkością kinematyczną oznaczone przez a–, zostało na rysunku wyrażone w bezwymiarowych jednostkach względnych
odniesionych do przyspieszenia ziemskiego (a–/g). Przebieg prędkości w funkcji czasu, pokazany został
na rysunku 4. Przebieg przyspieszenia w funkcji czasu, pokazany na rysunku 5, można również określić
na podstawie zarejestrowanego przebiegu drogi w funkcji czasu przedstawionego na rysunku 3. Rysunek
6 pokazuje określony przy pomocy akcelerometru przebieg przeciążenia. Przeciążenie będące wielkością
dynamiczną, zgodnie ze swoją definicją, również wyrażone jest w jednostkach względnych odniesionych
–
do przyspieszenia ziemskiego i oznaczone (b /g). Rysunek 7 pokazuje przebieg siły uderzenia pojazdu
w przeszkodę – F(t).
Analizując, związany z wprowadzeniem do pojazdu EPARu, problem zmiany wartości siły uderzenia
pojazdu w przeszkodę podczas zderzenia, wiemy z zależności (3), że obniżeniu wartości siły bezwładności
musi towarzyszyć obniżenie wartości siły uderzenia i odwrotnie. Przeprowadźmy tę analizę w oparciu
o zasadę pędu i popędu.
Porównajmy wyniki otrzymane z eksperymentu z wynikami, których należałoby się spodziewać
w oparciu o zasadę pędu i popędu. Opierając się na tej zasadzie należy przyjąć, że popęd siły uderzenia
pojazdu w przeszkodę – – jest równy zmianie pędu pojazdu – ∆p–. Co oznacza, że spełniona powinna
być zależność:
(5)
277
którą można również zapisać:
(6)
Pęd samochodu przed zderzeniem wynosił p– = 7,9 kNs natomiast po zderzeniu zero. Zatem wielkość ta jest równocześnie zmianą pędu. Popęd określony na podstawie wyników pomiarów, przebiegu
czasowego siły uderzenia w przeszkodę pokazanego na rysunku 7 wynosi około – = 1,4 kNs. Nie jest
zatem spełniona równość (5). Popęd siły uderzenia pojazdu w przeszkodę jest kilkakrotnie mniejszy niż
zmiana pędu pojazdu wywołana działaniem tej siły. Dzięki wprowadzeniu EPARu zmiana pędu pojazdu
zderzającego się z przeszkodą, następuje nie tylko na skutek popędu działającej na pojazd siły reakcji
ale również na skutek odpływu jego energii. Formułując to inaczej można powiedzieć, że występujący
podczas zderzenia przepływ energii powoduje znaczne odstępstwa przebiegu parametrów fizycznych tego
zjawiska od przebiegu wynikającego z zasady pędu i popędu.
Urządzenia typu EPAR mogą znaleźć szerokie zastosowanie w maszynach i urządzeniach górniczych.
Na rys. 8 pokazano koncepcję wykorzystania urządzenia typu EPAR do skonstruowania nowego typu
hydraulicznej obudowy górniczej odpornej na tąpania. W przypadku uderzenia o obudowę skał o energii
rzędu 105106 J energię uderzenia przejmuje EPAR a część obudowy podpierająca strop obniża się jedynie
o 1015 cm i nadal podpiera strop.
Istnieje również możliwość wykorzystania EPARów do zabezpieczenia urządzeń transportu pionowego. W przypadku urwania się liny lub awarii układów sterujących i upadku klatki o masie 10103 kg
z wysokości 102 m, EPAR zamontowany pod klatką może przejąć w momencie uderzenia około 90%
energii klatki, na dodatek ewentualni pasażerowie odczują nieznaczną część siły bezwładności w stosunku
do siły bezwładności jaka wynikałaby ze związku (1).
Koncepcja wykorzystania urządzeń typu EPAR w kopalnianym transporcie poziomym jest analogiczna
do przedstawionej na rysunku 2 dla pojazdów samochodowych.
Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów i analiz można stwierdzić, że poprzez konwersję
energii kinetycznej obiektów będących w ruchu w inny rodzaj energii, można znacznie obniżać popęd
sił uderzenia powstających przy zderzeniach tych obiektów z przeszkodami oraz znacznie obniżać siły
bezwładności związane z utratą prędkości na skutek tych zderzeń. W demonstrowanym przypadku maksymalną wartość siły bezwładności udało się obniżyć około pięciokrotnie, natomiast popęd siły uderzenia
udało się obniżyć ponad pięciokrotnie.
Słowa kluczowe: podpora hydrauliczna, ochrona przed pęknięciem, konwersja energii
Nomenclature
t
x
m
J
π–
p–
n
–
Bf
–
Br
–
–
–
–
–
–
–
–
time,
linear coordinate,
mass,
moment of inertia,
impulse,
momentum,
rotating speed of a mechanical rotary accumulator measured directly,
predicted inertia force, determined from acceleration measurements (kinematic quantity),
– real inertia force, determined from accelerometer readouts (force measurements),
278
–
F
–
R
Eks
Eka
Et
Ed
x–
–
V
a
a–/g
–
b /g
–
b
– impact force of collision between a moving object and an obstacle, measured
directly by a force sensor,
–
– force of obstacle reaction, equal in magnitude to the force F , though opposite
in direction,
– kinetic energy of a car in progressive motion, determined from velocity patterns,
– kinetic energy of rotating motion of a mechanical accumulator, derived on the
basis of the delivered rpm,
– energy converted into thermodynamic work of compression in pneumatic
springs, obtained from pressure and gas volume variations in the spring,
– estimated energy dissipated due to friction and deformations of car elements,
– distance, linear displacement measured by a potentiometric displacement sensor
along the x-coordinate,
– linear velocity of the car, measured by a hot-wire anemometer,
– linear acceleration of the car, derived from the velocity – time pattern V(t)
(kinematic quantity),
– dimensionless linear acceleration, determined on the basis of linear acceleration,
– gravity load measured directly by a accelerometer (force measurement),
– unit inertia force (for m = 1) determined on the basis of measured gravity
load.
1. Introduction
Of particular importance is the design and engineering of a hydraulic powered support
resistant to rock bursts. No adequate solution is available to date. In current solutions
the hydraulic system is complete with a fast-discharge valve, yet the overall system
performance is still far from satisfactory.
Another conceptual design of a burst-resistant powered support, in which the props
are equipped with an air cushion, is presented in the work (Gwiazda, 1997). In the conditions of a rock burst, the air cushion converts a portion of kinetic energy of the rocks
into the thermodynamic work of gas compression in the cushion. This solution supported
by fast-discharge valve may lead to an improved performance of the whole machine.
The rock burst energy that the powered support ought to withstand is estimated to be
105 J. Of the same order of magnitude is the energy of a car with a mass 1000 kg moving
at about 50 km/h. Accordingly, a solution adopted in motor industry can be applied to
the protection of mechanical vehicles and machines from the impacts of rock bursts.
This study outlines an entirely new method of protecting machines and vehicles
from emergency conditions when kinetic energy of moving masses is converted into
279
destructive work. The new method allows the conversion of kinetic energy of masses
into kinetic energy of other machines and devices, incorporated in the system for that
very purpose.
A device capable of absorbing the energy of the order of 106 J within 20-100 milliseconds is referred to as an energy – accumulating and dissipating converter (EADC).
The paper summarises the design of EADC and its dynamic properties.
Beside protecting powered supports from rock burst impacts, EADC devices can be
employed to protect transport installations, such as hoisting facilities, from the impacts
of emergency conditions.
2. Test object
Let us consider the design of an EADC device and its operating principles.
EADC device and its basic components are shown in Fig. 1. The operating principle
is as follows:
Fig. 1. EADC structure: 1– skid plate; 2 – element moving with respect to the skid plate, absorbing the
impact force and dissipating energy; 3 – elastic element reducing the maximal strains in the converter
components during collisions; 4 – element moving with respect to the skid plate, transferring the energy
to the gear mechanism; 5 – gear mechanism converting the progressive into rotating motion;
6 – multiplication gear; 7 – rotary accumulator
Rys. 1. Schemat rozwiązania konstrukcyjnego EPARu. 1 – płyta nośna, 2 – element ruchomy względem
płyty nośnej odbierający siłę uderzenia i przekazujący energię, 3 – element sprężysty obniżający maksymalne wartości naprężeń w elementach przetwornika w momencie uderzenia, 4 – element ruchomy względem płyty nośnej przekazujący energię do mechanizmu zębatkowego, 5 – mechanizm zębatkowy zmieniający ruch postępowy w obrotowy, 6 – przekładnia multiplikacyjna, 7 – mechaniczny akumulator wirnikowy
280
EADC components are mounted on a skid plate 1 fixed to the car body. A conventional facebar is not connected rigidly to the car body, instead it is connected to element 2,
which is mobile with respect to the car body. During collisions the force generated
when the car hits the obstacle is absorbed by the element 2 via the bumper system, and
kinetic energy is transmitted to element 4 via the flexible element 3. At the same time the
element 3 blocks the reverse motion. One of the vital components of element 4 is a rack,
interacting with a gear wheel thus forming a rack mechanism 5. While flowing through
the rack mechanism 5, kinetic energy of the vehicle’s progressive motion is converted
into kinetic energy of rotational motion. The rack mechanism 5 is connected to a multiplication gear 6, which transfers the energy to a rotary accumulator 7. The multiplication
gear might have several stages, Interactions between all energy-transferring elements have
the form of impulses, lasting between 20 and 100 milliseconds. When energy ceases to
flow, all interacting elements are disconnected, in other words their teeth are no longer
mating and hence energy is stored in a mechanical accumulator only.
3. Methodology
The experimental setup is shown in Fig. 2. The tested car 1 is equipped with
a bumper system complete with an EADC device 2 and a measuring system registering
the rotational velocity of the rotary accumulator is provided. Attached to the car was
Fig. 2. Experimental setup: 1 – car colliding with an immobile obstacle; 2 – energy accumulation and
dissipation converter (EADC) mounted in the car; 3 – instrument measuring the rotor’s rpm (a structural
component of EADC); 4 – instrument for measuring distance and car’s velocity and acceleration in the
function of time; 5 – accelerometer attached to the car; 6 – immoble obstacle; 7 – device for measuring
impact force of car-obstacle collision
Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego. 1 – samochód stosowany do zderzeń z nieruchomą przeszkodą,
2 – energetyczny przetwornik akumulacyjno – rozpraszający (EPAR) zamontowany w samochodzie,
3 – urządzenie do pomiaru prędkości obrotowej wirnika wchodzące w skład EPARu, 4 – urządzenie do
pomiaru drogi, prędkości i przyspieszenia samochodu w funkcji czasu, 5 – akcelerometr umocowany
do samochodu, 6 – nieruchoma przeszkoda, 7 – urządzenie do pomiaru siły uderzenia w przeszkodę
281
a measuring circuit 4 for monitoring the distance, velocity and acceleration in the function
of time. Those parameters were registered before and after the collision. Inside the car
was an acceleration meter 5 for gravity load (inertia force) measurement and recording.
The car would collide with an obstacle 6, equipped with the impact force measuring
equipment 7.
4. Results
The experimental data obtained in one test are summarised below. The vehicle with
a mass m=1100 kg (including the driver’s mass) moved at the speed v = 7.2 m/s (25.9
km/h), its kinetic energy in the progressive motion was Eks = 28512 J, and collided with
a immobile obstacle. The bumper facebar was connected to the car body via the EADC
device equipped with a mechanical rotary accumulator with the moment of inertia I =
0.0125 kg m2.
Results are plotted in Fig. 3, 4, 5, 6, 7. Variations of physical parameters characterising
the investigated process were registered in the form of time sequences t = 100 ms. The
time scale is such that at the instant t = 0 the displacement sensor attached to the car hits
the obstacle. The measurement sensor, measuring the distance in the function of time,
is designated as 4 in Fig. 2. Precisely at that moment the recording of all parameters
was commenced. The car would go on at constant speed till the time instant t = 20 ms.
At that moment the collision begins, in other word the bumper facebar (mobile with
respect to the car) hits the obstacle. Since that moment the facebar bumper would not
move with respect to the obstacle though the car was still in motion. The car’s movement
with respect to the bumper facebar would activate the EADC elements, which would
transmit the car’s kinetic energy to the rotary accumulator.
The distance in the function of time x(t) registered while the car was approaching
the obstacle and during the collision is plotted in Fig. 3. The distance over which the car
would slow down accompanied by energy decrease equalled x = 0.2 m. To a certain
extent this distance can be controlled by initial pressure in pneumatic springs. Variations
of the car velocity V(t) measured by a hot-wire anemometer are shown in Fig. 4. The
plot of acceleration (in this case deceleration), defined as the derivative of velocity V(t)
with respect to time, is given in Fig. 5. This acceleration, a kinematic quantity designated
by a–, is expressed in dimensionless units, related to the acceleration of gravity (a–/g).
Velocity in the function of time is plotted in Fig. 4. Fig. 5 shows the plot of acceleration
in the function of time. Variations of acceleration in the function of time might be also
established basing on the registered distances in the function of time, as shown in Fig. 3.
On the plot in Fig. 6 are gravity load variations measured by an accelerometer. Gravity
load as defined here is a dynamic quantity, and hence it is expressed in dimensionless
–
units related to the acceleration of gravity and designated as (b /g). On the plot in Fig. 7
is the impact force of the car-obstacle collision F(t).
282
Fig. 3. Distance covered by the car before and during the collision, in the function of time
Rys. 3. Przebieg drogi samochodu w funkcji czasu przed zderzeniem i podczas procesu zderzenia
z nieruchomą przeszkodą
Fig. 4. Car’s velocity before and during the collision, in the function of time
Rys. 4. Przebieg prędkości samochodu w funkcji czasu przed zderzeniem i podczas procesu zderzenia
z nieruchomą przeszkodą
283
Fig. 5. Car’s deceleration during the collision, in the function of time (Deceleration determined basing on
a kinematic definition of acceleration is expressed in dimensionless units, related to the acceleration of gravity
Rys. 5. Przebieg opóźnienia samochodu w funkcji czasu podczas procesu zderzenia z nieruchomą przeszkodą. Opóźnienie określone w oparciu o kinematyczną definicję przyspieszenia wyrażone w jednostkach bezwymiarowych (odniesione do wartości grawitacji ziemskiej)
5. Discussion of results
Inertia force acting upon a mass in a non-inertial system of co-ordinates associated
with a car is derived from a widely adopted formula linking kinematics and dynamics:
(1)
Acceleration data (a) are shown in Fig. 5. Thus defined quantity is termed as
‘theoretical/predicted inertia force’ as it is determined basing on measured accelerations.
This configuration of the measurement system allows the inertia force to be determined
from dynamic measurements taken with an accelerometer. Accordingly:
(2)
Thus determined inertia force is termed as “real” as it is obtained directly from force
measurements. Inertia force is opposite in direction to acceleration (or deceleration),
accordingly in a 1D coordinate system directed as shown in Fig. 2 it will have a positive
sign.
284
Fig. 6. Gravity load variation. (When multiplied by mg, it yields the inertia force acting in the coordinate system associated with the car. Gravity load is measured by an accelerometer and expressed in
dimensionless units (related to acceleration of gravity)
Rys. 6. Przebieg przeciążenia. Po pomnożeniu przez mg przebieg siły bezwładności, działającej w układzie współrzędnych związanych z samochodem. Przeciążenie zmierzone przy pomocy akcelerometru
i wyrażone w jednostkach bezwymiarowych (odniesione do wartości grawitacji ziemskiej)
–
Impact force F experienced when the car hits the obstacle is plotted in Fig. 7. In the
coordinate system adopted here it has a positive sign, too. When its sign is changed, the
–
–
force F becomes the force R of obstacle response acting upon the car.
–
–
During a collision these two forces: F and R only would act along the x-axis. The
–
comparison of force patterns: B (gravity load shown in Fig 6 multiplied by the product
–
–
m g) and R (force F plotted in Fig. 7, following a sign change) reveals that their patterns are greatly similar though they have opposite signs. With a close approximation
the following equation is satisfied:
(3)
When no external forces are acting upon the car, the relationship (3) expresses the
d’Alambert principle. Accordingly, the d’Alambert principle is fulfilled for a car treated
as a rigid solid proceeding in the straight-line progressive motion. This statement would
not appear noteworthy but for the fact that this condition is fulfilled for the real inertia
force only (2), and not for the predicted values (1).
285
Fig 7. Impact force of the collision in the function of time
Rys. 7. Przebieg siły uderzenia samochodu w nieruchomą przeszkodę w funkcji czasu.
Let us consider the flow of car’s energy before the collision and formulate the energy
balance. Assuming the progressive motion of a car, its kinetic energy before a collision
would amount Eks = 28 512 J. Let us assume it to be the total energy of the investigated
system. As a result of collision, this energy is converted into other energy types and
work. A rotary accumulator would absorb kinetic energy of Eka = 24 200 J and store it
in the form of kinetic energy of rotating motion. Energy converted into work involved
in thermodynamic processes in pneumatic springs equals Et = 1000 J. On account of
a very short time of its duration, the process was taken as adiabatic). Assuming that
the amount of energy dissipated into heat and deformations of vehicle’s components is
Ed = 3300 J (it is extremely hard to measure), the approximate formula can be written:
(4)
yielding the energy balance, which might be interpreted as fulfilling the principle of
energy conservation.
Further analysis of experimental data reveals a most interesting phenomenon not
mentioned previously: the registered gravity load values (see Fig. 6) are decidedly lower
at those time instants than the registered dimensionless accelerations (Fig. 5). Measured
absolute values (no matter what the sign) of dimensionless acceleration (a–/g) (a kinematic
–
quantity established basing on velocity patterns) and of gravity load (b /g) (a dynamic
286
quantity measured by a force sensor) ought to be equal and when multiplied by mass
and acceleration of gravity in accordance with (1) and (2) should yield the inertia forces.
In the case considered here it is not so. Inertia forces measured by an accelerometer
(basing on force sensor readouts), i.e. the real inertia forces are several hundred percent
less that predicted values based on accelerations. It is reasonable to suppose that when
we induce a rapid and low-force flow of kinetic energy from a colliding object to an
EADC device, we in fact depart from the principle (1) linking kinetic energy with the
occurring accelerations or decelerations.
As regards potential applications of EADC, let us reconsider the problem of variations
of impact forces produced when a car hits an obstacle during a collision. It is a wellestablished fact (3) that the reduction of inertia force must be accompanied by reduction
of the impact force and the other way round. Let us analyse this problem in the context
of impulse-momentum principle.
Let us compare the experimental data with the results anticipated from the impulsemomentum principle. Accordingly, the impulse of the impact force experienced when
the car hits the obstacle π– is equal to the vehicle’s momentum change, which implies
that the following condition should be satisfied:
(5)
which can be rewritten as:
(6)
The car’s momentum before the collision was p– = 7.9 kNs and after the collision
it would be zero, hence the first value becomes the momentum change. The impulse
determined from measurements of time variations of impact force experienced during
the collision (Fig. 7) would amount to π– = 1.4 kNs. Therefore, the equation (5) is not
fulfilled. The impulse of the impact force is several times smaller than the momentum
change due to the action of that force. When an EADC device is incorporated, the momentum change of a colliding car is brought about by the impulse of the reaction force
acting upon the car and by dissipation of the car’s energy. In other words, energy flow
during a collision causes the patterns of physical parameters of these processes to depart
from that based on the impulse-momentum principle.
EADC devices might be widely employed in mining machines and installations.
Fig. 8 shows the potential application of an EADC device in a newly-designed powered
support resistant to rock bursts. When the support is hit by rocks possessing energy of
the order of 105-106 J, the impact energy is absorbed by an EADC converter whilst the
support section propping up the roof will move lower by 10-15 cm only, still ensuring
adequate roof support.
Besides, EADC devices might be employed to protect hoisting installations. In the
conditions of rope breaking or the failure of control systems, when the cage with the
287
Fig. 8. Conceptual design of a burst-resistant powered support, utilising an EADC device
Rys. 8. Nowa koncepcja hydraulicznej obudowy górniczej odpornej na tąpania,
wykorzystującej urządzenie typu EPAR
mass 10 × 103 kg falls down from the altitude 102 m, an EADC converter mounted underneath the cage may absorb up to 90% of the cage energy. Furthermore, the passengers
will perceive the action of inertia force as if it was much smaller in magnitude than that
derived from formula (1).
The operating principle of an EADC device protecting the mine hoist systems is the
same as that employed in mechanical vehicles, as shown in Fig. 2.
6. Conclusions
Extensive studies supported by experimental data reveal that conversion of kinetic
energy of moving objects into another form of energy might considerably reduce the
impulse of impact forces produced when those objects collide with obstacles, what is
more, inertia forces associated with the loss of velocity due to those impacts will be
reduced, too. In the case demonstrated here the maximal value of inertia force was reduced nearly 5-fold, whilst reduction of the impact force impulse was 5-fold and more,
which is indicative of the major departure from the relationship linking inertia force
and acceleration, to which no exceptions were admitted so far. Furthermore, that marks
a major departure from the momentum – impulse principle.
288
The collision process can be precisely controlled such that before the moving object
actually reaches the obstacle, the kinetic energy and velocity of the solid object equipped with an energy-converting bumper will be zero or a tiny fraction of that possessed
before the collision.
Within such s short time, as the time of the collision, kinetic energy of fast moving
vehicles is hard to disperse by conventional methods. Since this energy cannot be dispersed in a programmable manner, it changes into destructive work when both the object
and the obstacle it hits are damaged.
The outlined concept of dispersing energy of moving objects through converting it into
kinetic energy of other bodies such that it can be slowly dispersed or recovered, might
be widely utilised in the design of machines and installations, particularly in the mining
sector threatened by numerous dangers associated with large kinetic energy of moving
masses, where large kinetic energies have to be dispersed within very short times.
REFERENCES
D o r u c h , H., G u m u ł a , S., 2003. Układy do hamowania i zabezpieczenia pojazdów przed skutkami zderzeń poprzez przekazanie energii akumulatorom mechanicznym. VI Sympozjum Naukowo – Techniczne: Silniki spalinowe
w zastosowaniach wojskowych. Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie, Akademia Marynarki Wojennej
w Gdyni. Jurata.
D o r u c h , H., G u m u ł a , S., 2003. Bumpers and brakes of vehicles with kinetic energy conversion of a vehicle progressive motion into kinetic energy of a mechanical accumulator rotational motion. 7th Conference on „Dynamical
Systems – Theory and Applications”. Łódź.
G u m u ł a , S., Ł ą g i e w k a , L., 2004. O możliwościach kształtowania związku między siłami a przyspieszeniami
w układach mechanicznych i przydatności tego spostrzeżenia w technice. Przegląd Komunikacyjny, nr 7-8. Warszawa.
G u m u ł a , S., Ł ą g i e w k a , L., 2004. Zderzak z konwersją energii redukujący siły uderzenia i siły bezwładności
podczas zderzeń pojazdów mechanicznych. Międzynarodowa Konferencja Motoryzacyjna. Bezpieczeństwo i ekologia
pojazdów. KONMOT – AUTOPROGRES. Zakopane.
G w i a z d a , J.B., 1997. Górnicza obudowa hydrauliczna odporna na tąpania. Wyd. Śląsk. Katowice.
REVIEW BY: PROF. DR HAB. INŻ. ANTONI TAJDUŚ, KRAKÓW
Received: 20 December 2004