Microsoft Word - Maszynoznawstwo.doc

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 1

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

MASZYNOZNAWSTWO

Maszyna - za maszynę uwaŜa się całość powiązanych ze sobą elementów z których przynajmniej
jeden jest ruchomy, wraz z odpowiednimi urządzeniami roboczymi, układami sterowania, zasilania
itp., które są połączone razem w celu określonego zastosowania w szczególności do przetwarzania,
obrabiania, przemieszczania i pakowania materiałów.

Maszynoznawstwo – jest to nauka o budowie i zasadach działania maszyn. To encyklopedyczny zbiór
wiedzy o maszynach oraz współpracujących z nimi urządzeniach technicznych.

Mechanizm – układ połączonych ze sobą części maszyn mogących wykonywać określony ruch w
wyniku pobrania energii mechanicznej. W teorii ruchu jest to łańcuch kinetyczny w którym jeden
człon jest nieruchomy (ostoja) pozostałe zaś wykonują ściśle określone ruchy.

Schemat budowy maszyny:

maszyna

S – silnik
T – transmisja
R – elementy, układy robocze
U – skutek uŜyteczny
M – masa
E – energia
I – informacja

S + T = układ napędowy
S + T + R = maszyna

UŜyteczne działanie maszyn – uzewnętrznia się najczęściej jako przetworzenie materii realizowane w
układzie roboczym maszyny.
Energia pobierana z silnika napędowego musi być przekształcona w układnie napędowym tak, aby
odpowiadała wymaganym parametrom energetycznym układu roboczego.
Sterowanie układem roboczym oraz dozowanie masy i natęŜenia energii jest realizowane przez
przetwarzanie informacji z udziałem człowieka lub automatycznie.

Wynik działania maszyny moŜna rozpatrywać jako skutek przetwarzania Energii, Masy i Informacji.

Podstawowe cechy i parametry maszyn: (3 cechy)

1. Funkcjonalność, to poprawne spełnienie funkcji przez maszynę do których jest przeznaczona
2. Trwałość i niezawodność, to uzyskanie Ŝądanego prawdopodobieństwa dobrej i bezawaryjnej

pracy maszyny przy danych obciąŜeniach, w załoŜonym okresie nie krótszym od Ŝądanego
(związane z obliczeniami wytrzymałościowymi)

3. Optymalność, to zapewnienie jak najlepszego spełnienia przez maszynę zadania w

określonych warunkach ze względu na załoŜone kryterium.

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 2

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

Przegląd maszyn i ich podział:

1. technologiczne – wykorzystuje się je do przetwarzania surowców i półwyrobów, poprzez

zmianą kształtu , objętości, własności fizycznych lub chemicznych i wytworzenia w ten
sposób gotowego wyrobu lub półwyrobu np.: walcarki (huty), młoty do kucia, prasy, maszyny
odlewnicze, górnicze, poligraficzne, włókiennicze.

2. transportowe – słuŜą do zmiany połoŜenia ciał stałych, cieczy i gazów. Maszyny

transportowe dzielimy na:

- maszyny o zasięgu nieograniczonym.

- maszyny o zasięgu ograniczonym.

Do maszyn o zasięgu nieograniczonym zaliczamy pojazdy szynowe, pojazdy samochodowe,
okręty, samoloty.

Maszyny o zasięgu ograniczonym to dźwignice, przenośniki (przemieszczające materiały
transportowe za pomocą cięgien), przenośniki bezcięgnowe, przenośniki przemieszczające
materiał transportowany za pomocą medium pośredniego (przenośniki hydrauliczne i
pneumatyczne).

3. energetyczne – wytwarzają z energii mechanicznej inne rodzaje energii np.: prądnice,

maszyny elektryczne, spręŜarki, silniki itp.

4. informatyczne –

a. maszyny kontrolno-sterujące,
b. informatyczne (matematyczne). Przetwarzają informacje które na podstawie Ŝądanego

algorytmu dokonują niezbędnych operacji matematycznych.

5. cybernetyczne – funkcjonują w oparciu o posiadaną sztuczną inteligencji (roboty wyposaŜone

w układy do rozpoznawania obrazów i kształtów, samodzielnej nawigacji, samokontroli).

Źródła i postacie energii:
Podstawą działania wszystkich maszyn są przemiany energii które w nich zachodzą. Energią określa
się jako najbardziej ogólną własność wszelkiego rodzaju ruchu materii. Energię zawierają np.: węgiel,
zbiornik ze spręŜonym powietrzem, napięta spręŜyna , które w odpowiednich warunkach mogą być
przemienione w pracę.
Z fizycznego punktu widzenia energię dzielimy na:

–  mechaniczną
–  cieplną
–  promieniowanie
–  elektryczną
–  chemiczną
–  jądrową

Spośród procesów technicznych wydzielamy następujące rodzaje:

1. transformację Energii bez zmiany jej postaci,

przemianę Energii z jednej postaci w inną,

np.: zamiana energii elektrycznej w energię mechaniczną

3. przesyłanie Energii
4. kształtowanie Materiałów

np.: obróbka plastyczna, wiórowa, formowanie tworzyw

5. przetwarzanie Materiałów, procesy zmiany własności fizycznych i chemicznych materiałów
6. transport i magazynowanie Materiałów

zmiana postaci Informacji

np.: odbierane i przekazywane informacje nie ulegają zmianie i są kodowane lub

występują jako nośnik informacji

8. przetwarzanie Informacji (zmiana charakteru informacji)
9. przesyłanie Informacji

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 3

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

Parametry maszyn:

– moc
– sprawność

(ŋc=ŋ

*ŋ

*...*ŋ

)

– praca
– wydajność (teoretyczna i praktyczna)

[ton na godzinę]

– udźwig

[w tonach]

– obroty

[obrotów na minutę]

– prędkość

[metrów na sekundę]

– prędkość obrotowa

[radiany na sekundę]

– okres
– siła lub moment obrotowy

–

ciśnienie

[Paskal 1Pa=N/M

]

Techniką przekształceń i przesyłania energii zajmuje się energetyka. Głównym źródłem energii jest
paliwo a głównym paliwem jest ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel kamienny i brunatny.

Procesy techniczne powodują, Ŝe przedmiot transformacji zmienia:

– własności zewnętrzne

(wygląd, kształt)

– własności wewnętrzne

(strukturę)

– połoŜenie

(współrzędne)

– potencjał

(energię)

W procesach technicznych moŜna wyróŜnić strumień główny któremu towarzyszy zazwyczaj
równoległy strumień informacji.
Sprawność to iloraz energii uzyskanej do energii włoŜonej lub pracy uzyskanej do pracy włoŜonej.

Ogólne problemy budowy maszyn:

1. Potrzeba – zaspokojenie określonej potrzeby urządzeniem lub maszyną w określonych

warunkach

2. Projektowanie – całokształt postępowania przy realizowaniu zamierzeń inwestycyjnych,

naleŜy uwzględnić:

a.  strumień zadań konstrukcyjnych
b.  analiza moŜliwych do zastosowania środków technicznych
c.  analiza ekonomiczna przedsięwzięcia

3. Konstrukcja i obliczenia

a. opracowanie załoŜeń związanych z opisem i zasadą działania maszyny, określenie

parametrów liczbowych oraz informacji o warunkach pracy maszyny

b. projekt wstępny, jest to pierwszy etap dobierania cech konstrukcyjnych
c. obliczenia wytrzymałościowe, realizowane są w oparciu o znajomość obciąŜeń i sił

działających na maszynę.

d. dobór kształtów i wymiarów elementów konstrukcyjnych –

W wyniku tych działań powstaje dokumentacja konstrukcyjna (techniczna)
4. Budowa i badania prototypu
5. Produkcja, decyzja o niej jest wynikiem badań prototypu (produkcja jednostkowa, seryjna,

wielkoseryjna, masowa – dotyczy elementów maszyn stosowanych w róŜnych maszynach
(znormalizowane)

6. Eksploatacja, to zespół czynności obejmujących planowanie, uŜytkowanie, obsługiwanie,

przechowywanie i inne przedsięwzięcia mające na celu racjonalne uŜytkowanie maszyny.
Nieprzestrzeganie racjonalnego uŜytkowania maszyny określonych przez producenta zwiększa
koszty eksploatacji.

7. Naprawa, to końcowy zabieg w czasie eksploatacji maszyny wynikający z faktu zuŜywania się

jej poszczególnych części. RozróŜniamy naprawy bieŜące i główne. BieŜące wykonuję się w
trakcie eksploatacji maszyn i urządzeń. Naprawy główne po określonym okresie uŜytkowania,
polegające na wymianie czy regeneracji elementów maszyn.

8. Wycofanie z eksploatacji (kasowanie)

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 4

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

ObciąŜenia wywołują w maszynie powstawanie napręŜeń, przemieszczeń i odkształceń.

PODSTAWOWE ZASADY KONSTRUKCJI MASZYN

Konstrukcja, to zespół cech obmyślonych ze wzglądu na określoną funkcję maszyny lub urządzenia.
Proces tworzenia konstrukcji nazywamy konstruowaniem.

Zbiór informacji o strukturze maszyny, będący opisem ich budowy nazywamy zespołem cech
konstrukcyjnych.

Cechy konstrukcyjne mogą być:

– materiałowe

(informacje o materiałach i rodzajach obróbki)

– geometryczne

(wymiary geometryczne elementów, odchyłki wymiarowe zapewniające poprawność działania),

– dynamiczne

(polegają na obliczaniu obciąŜeń działających na maszynę oraz wyznaczenie wytrzymałości)

Konstruowanie zawiera pewne cechy wspólne dla róŜnych rodzajów maszyn, a wynikają one z:

1. Zastosowania podstawowych części i zespołów w róŜnych maszynach i urządzeniach. Do

podstawowych części i zespołów maszyn naleŜą: śruby, wały, łoŜyska, sprzęgła, przekładnie.

2. Występowanie podobnych problemów podczas konstrukcji podobnych maszyn:

–  łączenie części
–  łączenie wałów
–  łoŜyskowanie
–  przenoszenie ruchu
–  hamowanie itp.

3. Stosowanie podstawowych zasad konstruowania.

Dwie podstawowe zasady konstruowania:

a. konstrukcja powinna spełniać podstawowe warunki konstrukcyjne w stopniu nie

gorszym od załoŜonego

b. konstrukcja powinna być optymalna w danych warunkach ze względu na podstawowe

kryteria optymalizacji,

Oprócz zasad podstawowych w procesie konstruowania, występują zasady szczegółowe które
nazywamy warunkami konstrukcyjnymi, są to: funkcjonalność, niezawodność, trwałość, sprawność,
lekkość, ergonomiczność, estetyka, bezpieczeństwo itp.

- funkcjonalność, to poprawne spełnienie funkcji przez maszynę do których jest przeznaczona
- trwałość i niezawodność, to uzyskanie Ŝądanego prawdopodobieństwa dobrej i bezawaryjnej
pracy maszyny przy danych obciąŜeniach, w załoŜonym okresie nie krótszym od Ŝądanego
(Spełnienie tego warunku jest związane z obliczeniami wytrzymałościowymi, zuŜyciem,
statecznością)
- sprawność – konstrukcja powinna zapewnić uzyskanie zamierzonej sprawności
- lekkość – wiąŜe się z wyborem materiału oraz rozwiązaniem konstrukcyjnym, konstrukcja jest
lŜejsza gdy stosujemy droŜsze materiały
- względy ergonomiczne – dostosowanie maszyny do obsługującego człowieka, dotyczy to
wygody obsługi, przestrzegania ograniczeń odnośnie hałasu i wibracji oraz ograniczeń
wynikających z przepisów BHP.
- estetyka, ma duŜy wpływ na psychikę człowieka a tym samym na wydajność pracy
- bezpieczeństwo – w przypadku niektórych maszyn i urządzeń jak maszyny transportowe,
zbiorniki ciśnieniowe, maszyny z duŜymi obciąŜeniami naleŜy oceniać współczynnikami
bezpieczeństwa.

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 5

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

Zapis konstrukcji – abstrakcyjny obraz maszyny powstający w myśli konstruktora jest zapisywany
według ogólnie obowiązujących zasad i umoŜliwia jego wyprodukowanie. Najbardziej
rozpowszechniony zapis konstrukcji to rysunek konstrukcyjny. Rysunki zawierają informacje o
kształcie i wymiarze przedstawionego elementu maszyny, materiale i jego własnościach, oraz
wskazówki montaŜowe oraz wykonawcze.

METODY OPTYMALIZACJI KONSTRUKCJI

Konstrukcję zapisuje się za pomocą zespołu zmiennych które dzielimy na parametry narzucone w
danym zagadnieniu optymalizacyjnym i zmienne decyzyjne które ustalamy podczas procesu
optymalizacji. Przeprowadzenie optymalizacji wymaga precyzyjnego sformułowania problemu
optymalizacji, to znaczy zbudowania modelu matematycznego danej konstrukcji. Model
matematyczny powinien dobrze przedstawiać rzeczywistą strukturę oraz fizyczną naturę zjawisk
zachodzących w określonym węźle maszyny.

Metodyka tworzenia modelu matematycznego konstrukcji
Aby zbudować model matematyczny naleŜy:

1. Określić wielkości występujące w rozwiązywaniu problemu, czyli zmienne decyzyjne i

parametry

2. Określić obszar dopuszczalny w którym poszukuje się rozwiązania
3. Utworzyć funkcję celu albo odpowiedni algorytm który pozwoli ustalić czy rozwiązanie jest

najlepsze.

Konstruktor moŜe wprowadzić optymalizację konstrukcji ze względu na kryteria:

1. optymalny stan obciąŜenia

(obciąŜenia dzielimy na stałe i przypadkowe)

2. dobór materiału
3. optymalna stateczność;

stateczność to taki stan równowagi układu który umoŜliwia jego skuteczne działanie

ze względu na przyjęte kryterium niezawodności

4. optymalne stosunki wielkości związanych

Metody optymalizacji konstrukcji:

Metoda wariantów konstrukcyjnych:

opracowujemy kilka wariantów i dokonujemy wyboru najlepszej w oparciu o przyjęte kryterium

Metody analityczne:

polegają na utworzeniu modelu matematycznego konstrukcji i analitycznym obliczeniu optymalnej wartości
przyjętej za kryterium

Wszystkie istniejące metody optymalizacji sprowadzają się do poszukiwania optimum funkcji celu w
danym obszarze dopuszczalnym fi.

1)

opt

u – funkcja celu
x – zmienna decyzyjna

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 6

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

ZADANIA KONSTRUKTORA W PROCESIE KONSTRUKCJI MASZYN

W procesie konstruowania maszyn zadania konstruktora są następujące:

1.  Dobór schematu kinematycznego
2.  Określenie parametrów kinematycznych i dynamicznych
3.  Dobór układu maszyny i powiązanie jej zespołów
4.  Konstrukcja zespołów
5.  Konstrukcja części
6.  Obliczenia funkcjonalne, dynamiczne i wytrzymałościowe

W procesie konstrukcji części do zadań konstruktora naleŜy zaliczyć:

1. Ustalenie kształtów i wymiarów elementów tak aby spełniały swe zadanie
2. Ustalenie materiałów, uwzględnia się własności wytrzymałościowe, technologiczne i inne jak

np. ścieralność, odporność na korozję i własności wytrzymałościowe.

Ustalenie w sposób ogólny wykonania części

np. odlew, odkuwka, wyrób walcowany, czy teŜ tłoczony

lub w całości obrabiany mechanicznie.

Ustalenie obróbki powierzchniowej – określa się na podstawie analizy wymaganej jakości
współpracy elementów

np. gładkość, pokrycie galwaniczne, malowanie itp.

5. Ustalenie obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej części

(hartowanie, wyŜarzanie, ulepszanie cieplne)

Te zabiegi podyktowane są wymaganiami własnościowymi materiału a takŜe i charakterem
współpracy części.

6. Ustalanie dokładności wykonania części

(tolerancje, odchyłki [kształtu, połoŜenia], pasowanie)

WŁASNOŚCI I ZASTOSOWANIE PODSTAWOWYCH ELEMENTÓW MASZYNY

I. ŁĄCZNIKI GWINTOWE (śruby) – jest to połączenie kształtowo-cierne, rozłączne, utworzone
przez dwa elementy zaopatrzone w powierzchnie gwintowe o zbliŜonych zarysach i wymiarach ich
przekroju oraz o tym samym skoku i skręcie. UmoŜliwia to łączenie ich i rozłączenie wzajemnym
ruchem śrubowym oraz przeniesienie obciąŜeń wzdłuŜnych.

RozróŜniamy trzy rodzaje łączników gwintowych (śrubowych)

a) śruby, są to łączniki mające łeb ukształtowany tak aby moŜna je było zakręcać za pomocą

odpowiedniego klucza

b) wkręty, są to łączniki z łbem mającym nacięcie do wkrętaka za pomocą którego są wkręcane
c) nakrętki, są to elementy współpracujące ze śrubami lub wkrętami

B
Y

Z łbem sześciokątnym

Z łbem czworokątnym

Z gniazdem

sześciokątnym

K
R
Ę

T
Y

Z łbem

walcowym

płaskim

Z łbem

stoŜkowym

płaskim

Z łbem stoŜkowym

soczewkowym

Z łbem kulistym

bez łba

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 7

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

NAKRĘTKI:

Sześciokątna

Czworokątna

Koronowa

Motylkowa

Gwinty:
Podziałka gwintu h

jest to odległość sąsiednich zarysów mierzona wzdłuŜ osi gwintu.

Skok gwintu h jest to przesunięcie zwoju wzdłuŜ osi przy pełnym jego obrocie.

GWINTY:

trójkątny

trapezowy

symetryczny

trapezowy

niesymetryczny

prostokątny

okrągły

Zastosowanie gwintów metrycznych i trapezowych:
Gwinty metryczne trójkątne o kącie rozwarcia 60° stosowane są jako gwinty złączne (spoczynkowe)
do łączenia elementów maszyn w jedną sztywną całość.
Gwinty trapezowe stosuje się w połączeniach ruchomych jako śruby robocze. Gwinty trapezowe o
kącie rozwarcia 30° mają najniŜszą sprawność a największą wytrzymałość. Z tego względu są
uŜywane w konstrukcjach obciąŜonych np. dźwigniki śrubowe.

II. KOŁA ZĘBATE

Na wieńcu zębatym wyróŜniamy trzy powierzchnie:

Powierzchnia wierzchołków i odpowiadająca im średnica d

Powierzchnia podziałowa i odpowiadająca im średnica d

Powierzchnia stóp i odpowiadająca im średnica d

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 8

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

h = h

+ h

t → długość łuku pomiędzy dwoma sąsiednimi zębami
g → grubość zęba
s → szerokość wrębu
t = g + s

obwód π

= z

z → liczba zębów
d

= m → moduł koła zębatego

(jest podstawową wielkością wymiarów kół zębatych)

! d

= m·z !

= m

= 1,25m

= d

-d

= h

= d

III. ELEMENTY SPRĘśYSTE

Do najczęściej stosowanych w budowie maszyn elementów spręŜystych naleŜą spręŜyny. Są to
łączniki wykonane w materiałów o niewielkiej odkształcalności a których duŜą podatność uzyskuje się
dzięki specjalnemu ich ukształtowaniu.

Zastosowania spręŜyn:

1. Nagromadzenie energii w celach napędowych (spręŜyny zegarów)
2. Łagodzenie uderzeń i wstrząsów (zderzaki wagonów, resory pojazdów, spręŜyny

amortyzacyjne)

3.  Dociskanie elementów konstrukcyjnych w czasie ich pracy (s. zaworowe)
4.  Pobudzanie lub łagodzenie drgań (spręŜyny w urządzeniach wibracyjnych)
5.  Mierzenia siły (s. w dynamometrach)

Rodzaje spręŜyn:

–  śrubowe
–  spiralne
–  wielopłytkowe

Rysunek spręŜyny:

d – średnica pręta spręŜyny
h – skok lini śrubowej spręŜyny
D

– średnica wewnętrzna spręŜyny

– średnica zewnętrzna spręŜyny

– długość spręŜyny

ząb

głowa

stopa

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 9

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

IV. OSIE I WAŁY

Osią lub wałem nazywamy element maszynowy najczęściej mocowany w łoŜyskach na których
osadzone są części maszynowe wykonujące ruchy obrotowe lub wahadłowe

(koła zębate, koła pasowe, jezdne)

Wały stosuje się przede wszystkim do przenoszenia momentu obrotowego. Są zawsze ruchome tzn.
obracają się wraz z osadzonymi na nich elementami.
Osie nie przenoszą momentu obrotowego ale są przeznaczone do utrzymywania w określonym
otoczeniu innych obracających się elementów maszyn. Osie mogą być stałe (zamocowane w
uchwytach) i ruchome (osadzone w łoŜyskach)

oś nieruchoma

oś ruchoma

Osie są z reguły proste, wały mogą posiadać karby lub wykorbienia

oś

Wały napędzają osadzone na nich części.
Karby są znormalizowane, zaleŜne od średnicy!

wał

V. ŁOśYSKA

ŁoŜyska są elementami których zadaniem jest podtrzymywanie obracających lub przesuwających się
wałów lub osi oraz przejęcie działających na nie obciąŜeń i przeniesienie ich na korpus lub fundament
urządzenia. Cechą charakterystyczną pracy łoŜysk są bardzo małe opory tarcia. Dzielimy je na
ś

lizgowe i toczne.

ŁoŜyska ślizgowe mogą przenosić obciąŜenia poprzeczne (promieniowe) lub wzdłuŜne (osiowe) i
mogą być dostosowane do przenoszenia jednocześnie obciąŜeń wzdłuŜnych i poprzecznych. Ruch
względny czopa wału względem korpusu odbywa się w tych łoŜyskach zazwyczaj za pośrednictwem
panewki wykonanej z brązu lub stopów łoŜyskowych.

ŁoŜyska toczne to takie w których powierzchnie czopa wału i gniazda łoŜyska nie stykają się
bezpośrednio ze sobą lecz za pośrednictwem elementów tocznych (kulek lub wałeczków) toczących
się między dwoma pierścieniami.
ŁoŜyska dzielimy na kulkowe i wałeczkowe.

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 10

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

Wałeczkowe mogą być w kształcie:

- walców
- igiełek
- stoŜków
- baryłek

łoŜysko kulkowe

łoŜysko walcowe

ŁoŜyska są elementami znormalizowanymi.

ZAPIS MASZYNY

Maszyna moŜe być rozpatrywana jako system, to jest zbiór relacji sprzęŜeń i relacji przekształceń
dotyczących energii, masy i informacji (sterowania) który moŜna przedstawić poglądowo schematem
blokowym jak równieŜ zapisać w postaci grafu zaleŜności i powiązań.

Schemat blokowy maszyny w ujęciu systemowym:

Schemat blokowy układu U stanowiącego część całego systemu C z wejściem We i wyjściem Wy.
Układ składa się z pięciu elementów o relacjach przekształceń stałych jak w elementach 1, 4, 5 lub o
relacjach uwarunkowanych jak w elementach 2 i 3. Oddziaływanie zwrotne elementu 3 na 2 jest
sprzęŜeniem zwrotnym charakterystycznym w układach regulacji automatycznej.

Graficzny zapis moŜna przedstawić w postaci:

1.  Schematycznego zarysu postaci
2.  Modelu blokowego
3.  Za pomocą grafu

1. Schematyczny zarys postaci.
(tutaj powinien być rysunek tej śmiesznej koparki z oznaczeniami podzespołów)
1 – silnik spalinowy
2 – transmisja obejmująca przekładnię hydrokinetyczną i skrzynię biegów
3 – podwozie z układem kół jezdnych
4 – pompa do układu hydrokinetycznego napędu i sterowania
5 – siłowniki hydrauliczne
6 – łyŜka z wysięgnikiem
7 – kabina sterowania

7a – układ sterowania jazdą koparki

7b – układ sterowania łyŜką ładowarki

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 11

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

2. Model blokowy

1 – Zamiana energii chemicznej paliwa na mechaniczną silnika
2 – Zmiana parametrów energii mechanicznej silnika określonej przez moment i obroty (M

, n

)

3 – Zmiana ruchu obrotowego kół na ruch liniowy ładowarki
4 – Zmiana energii mechanicznej na energię potencjalną cieczy
5 – Zmiana energii potencjalnej cieczy na energię mechaniczną siłownika
6 – Nabieranie masy przeładunkowej na łyŜkę, przemieszczanie masy i opróŜnianie łyŜki
7a – przetwarzanie informacji o oporach jazdy, sterowanie skrzynią biegów
7b – przetwarzanie informacji o oporach napełniania łyŜki i sterowanie siłownikami hydraulicznymi,

NORMALIZACJA I UNIFIKACJA W BUDOWIE MASZYN

Normalizacja polega na racjonalnym wyborze , uporządkowaniu, uproszczeniu i ujednoliceniu pojęć,
nazewnictwa, wymiarów, kształtów, metod badawczych, obliczeniowych metod dokładności
wykonania.
DąŜenie do obniŜenia kosztów wymaga uporządkowania w przemyśle maszynowym normalizacji i
unifikacji.

Zadania normalizacji polegają na:

–  ograniczeniu ilości kształtów,
–  ograniczeniu ilości wymiarów
–  ograniczeniu ilości materiałów elementów typowych występujących w róŜnych maszynach i

urządzeniach

(śruby, kołki, łoŜyska, uszczelki lub całe zespoły: sprzęgła, hamulce itp.).

Normalizacja obejmuje nie tylko elementy i zespoły maszyn ale równieŜ niektóre szczegóły
konstrukcyjne np.: średnice wałów, otworów, kształtów podtoczeń, wymiary gwintów, zbieŜność
stoŜków oraz narzędzia do kontroli tych wymiarów.

Normalizacja daje następujące korzyści techniczno-ekonomiczne:

1. Ułatwia i przyspiesza proces konstruowania
2. ObniŜenie kosztów własnych wytwarzania przez oszczędności surowcowe, uproszczenie

metod produkcji i zmniejszenie ilości potrzebnych narzędzi

3.  Zmniejszenie asortymentu produkowanych i magazynowanych części
4.  Ułatwia produkcję, eksploatację i remont maszyn
5.  UmoŜliwia budowę maszyn w oparciu o standardowe zespoły i podzespoły
6.  Stwarza moŜliwości szeroko pojętej specjalizacji produkcji.
7.  Ułatwia rozwój nauki i piśmiennictwa naukowego

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 12

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

PN – polskie normy
BM – branŜowe normy
ZN – zakładowe normy

Unifikacja ma charakter mniej ogólny niŜ normalizacja i dotyczy zagadnień technicznych nie
objętych normami. Unifikacja obejmuje przede wszystkim powszechnie stosowane zespoły a nawet
całe maszyny tworząc określone typoszeregi o ściśle określonych parametrach technicznych. Jednym z
waŜniejszych skutków normalizacji i unifikacji jest osiągnięcie zamienności, tzn. zapewnienie
elementom lub zespołom wzajemnego ich zastępowania bez naruszenia funkcjonalności danej
maszyny.

Kierunki normalizacji w budowie maszyn:

1. Normalizowanie teoretycznych, podstawowych wielkości w budowie maszyn (tolerancje i

pasowania, zarysy zębów kół zębatych, zarysu gwintu itp.)

2. Normalizowanie metod i sposobów obliczeń funkcjonalnych i wytrzymałościowych
3. Normalizowanie materiałów konstrukcyjnych, dotyczy sposobów wytwarzania i warunków

odbioru technicznego

4.  Normalizacja powierzchni stosowanych w elementach maszynowych
5.  Normalizowanie metod wytwarzania elementów maszyn
6.  Normalizowanie warunków dostawy i odbioru technicznego maszyn i urządzeń
7.  Normalizowanie sposobów i warunków przeprowadzania prób i badań
8.  Normalizowanie podstawowych jednostek miary (np. układ SI)
9.  Normalizowanie symboli, nazewnictwa, pojęć, oznaczeń technicznych i rysunku technicznego

Rzeczywiste wymiary odbiegają od tzw. wymiarów nominalnych w zaleŜności od dokładności
obróbki i są zmiennymi losowymi. Dokładność wykonania ma wpływ na prawidłowość montaŜu i
jakość współpracy. Zapewnienie właściwej współpracy uzyskamy przez wykonanie części maszyn w
określonych granicach wymiarowych co odbywa się przez tolerowanie. RóŜnice dopuszczalnych
wartości tolerowanego parametru nazywa się tolerancją. Obszar w którym moŜe się zmieniać wartość
tolerowanego parametru nazywa się polem tolerancji. Tolerowanie geometryczne wiąŜe ze sobą
proces myślowy i konstrukcyjny z procesem fizycznym związanym z obróbką. Tolerowanie
geometryczne warunkuje jednoznaczną i obiektywną kontrolę jakości. Na podstawie znajomości
tolerancji geometrycznej moŜna dobierać odpowiednie metody kontroli i narzędzia kontrolno
pomiarowe.

Tolerowanie geometryczne wymiarów:
Przez wymiar rozumie się wartość długości lub kąta wyraŜony w określonych jednostkach.

RozróŜniamy cztery typy wymiarów:
- zewnętrzny (c)
- wewnętrzny (d)
- mieszany (h)
- pośredni (l)

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 13

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

Pola tolerancji:

linia
zerowa

Pola tolerancji wyznaczają następujące wymiary:
- wymiar nominalny N
- odchyłki górna i dolne (e

i e

)

- wymiary graniczne (A i B)

B = N + e

A = N + e

bo N – A = -e

- tolerancja T

T = e

- e

= B-A

= B – N

= A – N

→ 50

+0,1

+0,2

Rodzaj tolerancji:

1. Tolerowanie symetryczne

-0,1

+0,1

2. Tolerowanie asymetryczne

a. tolerowanie na plus

49,9

+0,2

b. tolerowanie na minus

-0,2

3. Tolerowanie asymetryczne dwustronne

-0,2

+0,1

4. Tolerowanie asymetryczne jednostronne

+0,2

+0,1

-0,2

Tolerowanie swobodne jest tolerowaniem którego odchyłki są dobierane według uznania
konstruktora. Tolerowanie normalne występuje gdy odchyłki są zgodne z normami tolerancji.

Φ70H7

70 – wymiar nominalny
H – symbol połoŜenia pola tolerancji względem osi zerowej. DuŜe litery dotyczą tolerowania otworu, małe wałka.
7 – klasa dokładności wykonania. Jest 19 klas: 01, 0, 1, 2, 3, ... , 17

RozróŜniamy pasowania:
- luźne – pole tolerancji otworu leŜy powyŜej pola tolerancji wałka (L

min

i L

max

– luzy graniczne)

- mieszane – pola tolerancji częściowo pokrywają się w L

max

i W

max

(wcisk maksymalny)

- ciasne – pole tolerancji wałka leŜy powyŜej pola tolerancji otworu (W

min

i W

max

– wciski graniczne)

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 14

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

PołoŜenie pól tolerancji:

K M

otwór

luźne

mieszane

ciasne

wałek

luźne

mieszane

ciasne

PRZEGLĄD MATERIAŁÓW UśYWANYCH W BUDOWIE MASZYN

Koniecznym warunkiem dobrej pracy konstrukcji jest znajomość materiałów konstrukcyjnych, ich
własności, wpływu warunków pracy na te własności i sposób wykonania elementu z danego materiału.
Dobór materiału opiera się na następujących przesłankach:

1. Eksploatacyjnych, podyktowanych warunkami pracy konstrukcji,

np. przeznaczenie, rodzaj i

charakter obciąŜeń, trwałość, itp.

Technologicznych

np. moŜliwości wytwarzania, sposób obróbki, liczba produkowanych elementów

3. Ekonomicznych, ogólnie koszty materiałów i wytwarzania elementów

Przy doborze materiałów korzysta się z norm materiałowych. Normy materiałowe materiałów
metalowych podają (np. dla stali) rodzaj i gatunek stali, obowiązujące oznaczenie, skład chemiczny,
własności mechaniczne i technologiczne, obróbką cieplną i niektóre własności specjalne.
Stal jest to stop Ŝelaza z węglem o zawartości C do 2%.
Stale dzielimy na węglowe i stopowe (według składu chemicznego)
Stale węglowe konstrukcyjne dzielimy na:

1. Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości, ogólnego przeznaczenia
2. Stale węglowe konstrukcyjne wyŜszej jakości. Są to stale o określonych własnościach

mechanicznych jak i składzie chemicznym.

3. Stale węglowe konstrukcyjne o określonym przeznaczeniu i szczególnych własnościach, np.

łańcuchy górnicze, mosty, kadłuby statków, kotły parowe.

Stale stopowe otrzymujemy przez dodanie przez dodanie odpowiednich składników a zawartość tych
składników przekracza wartości określone dla stali węglowych.
Staliwa – jest to stal lana czyli lejny stop Ŝelaza z zawartością C do 2% i z innymi składnikami
stopowymi. Dzielimy je na stopowe i węglowe.
śeliwa – jest to stop Ŝelaza z węglem o zawartości C powyŜej 2% oraz innymi pierwiastkami jak
krzem, mangan, siarka i fosfor.

Stopy metali nieŜelaznych:

1. Miedź i stopy miedzi – najczęściej stosowanymi w budowie maszyn stopami miedzi są

mosiądz i brąz. Mosiądz to stop miedzi z cynkiem o zawartości Zn do 50%. Brązy są to stopy
miedzi z innymi składnikami stopowymi oprócz cynku.

2.  Aluminium i jego stopy.
3.  Ołów i jego stopy np. łoŜyska cynkowe z cyny i ołowiu.
4.  Cynk i jego stopy.

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 15

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

Materiały niemetalowe:
Do materiałów konstrukcyjnych niemetalowych zalicza się przede wszystkim tworzywa sztuczne,
gumę, drewno, beton i porcelanę.

Tworzywa dzielimy na:

a) termoplastyczne – przy podgrzewaniu do temperatury 150-200°C stają się plastyczne i dają się

formować a po ostygnięciu sztywnieją, przy czym proces ten jest powtarzalny, np. PCV,
teflon, poliamidy.

b) termoutwardzalne – stają się plastyczne po ogrzaniu do temperatury 180-220°C tylko jeden

raz. Po ostygnięciu są juŜ nieodwracalnie sztywne i utwardzone np. Ŝywice epoksydowe,
poliestry, tworzywa fenolowe itp.

PODSTAWOWE ZAGADNIENIA EKSPLOATACJI MASZYN

Eksploatacją nazywa się zespół czynności których celem jest racjonalizacja uŜytkowania maszyn i
urządzeń.
Eksploatacja dzieli się na następujące etapy:

1. UŜytkowanie – jest to etap eksploatacji w czasie którego odbywa się praca sprawnej maszyny

oraz bieŜąca kontrola jego stanu technicznego.

2. Obsługiwanie - jest to zespół działań które są wykonywane pomiędzy uŜytkowania maszyny

w celu zachowania jej pełnej sprawności. Zaliczamy tu między innymi obsługę techniczną i
naprawy bieŜące.

3. Przechowywanie – jest to oczekiwanie, najczęściej w magazynie maszyn na przekazanie ich

do uŜytkowania, obsługi czy naprawy.

RODZAJE ZUśYCIA MASZYN I URZĄDZEŃ

Prawidłowe działanie maszyny ocenia się na podstawie jej charakterystyki roboczej. Wszelkie
odchylenia charakterystyk świadczą o nieprawidłowościach spowodowanych złą regulacją lub
zuŜyciem.
KaŜda maszyna składa się z wielu połączeń ruchomych i spoczynkowych. W wyniku zmian w tych
połączeniach następują zmiany ich charakterystyk.
Na intensywność zuŜywania się połączeń części maszyn mają wpływ następujące czynniki:

a)  konstrukcja części i zespołów
b)  jakość uŜytych materiałów oraz jakość obróbki
c)  dobór pasowań
d)  rodzaj stosowanych olejów i smarów

ZuŜycie jest procesem w czasie którego pogarsza się stan techniczny urządzenia. Naturalne zuŜycie
dzieli się na mechaniczne i chemiczne.

ZuŜycie mechaniczne – występuje przede wszystkim na skutek tarcia pomiędzy współpracującymi
między sobą powierzchniami części.

Krzywa zuŜycia od czasu eksploatacji:

szybkość

zuŜycia

docieranie zuŜycie normalne

zuŜycie

przyspieszone

czas

eksploatacji

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 16

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

ZuŜycie chemiczne – polega na zmianach w strukturze powierzchni współpracujących części
powstających w wyniku korodującego działania kwasów zawartych w olejach i smarach oraz wpływu
ś

rodowiska.

Korozję mogą powodować czynniki chemiczne lub elektrochemiczne.

Korozja chemiczna metalu jest to proces niszczenia wywołany bezpośrednio wpływem na metal
suchych gazów lub środowisk ciekłych nie przewodzących prądu elektrycznego.
Korozja elektrochemiczne – zachodzi w skutek przepływu prądu elektrycznego między częściami
metalowymi w roztworze wody i kwasów.

ZuŜycie zmęczeniowe

– pojawia się w wyniku obciąŜeń zmiennych (jednostronnie lub dwustronnie)

czas

obciąŜenia

czas

obciąŜenia

Krzywa Wo:hlera:

liczba cykli

ią

gran

SMAROWANIE

Smarowanie – zmniejsza straty energii na pokonywanie tarcia i zapobiega wczesnemu zuŜyciu części.
Wprowadzenie pomiędzy współpracujące powierzchnie cieczy smarnej o bardzo małym tarciu
wewnętrznym ma na celu zmniejszenie współczynnika tarcia.

Po za tym smarowanie spełnia równieŜ inne zadania:

1.  częściowe zabezpieczenie przed korozją części metalowych
2.  chłodzenie części przez odprowadzenie ciepła z pomiędzy współpracujących części
3.  przyspieszenie procesu docierania
4.  odprowadzenie z obszaru współpracy części zuŜytych mikrocząstek materiału

W zaleŜności od rodzaju, metody powstawania warstwy smarnej rozróŜnia się smarowanie
hydrostatyczne i hydrodynamiczne. Smarowanie hydrostatyczne występuje wtedy gdy ciecz
smarująca jest dostarczana do obszaru między współpracującymi powierzchniami pod ciśnieniem
zapewniającym określoną siłę wyporu. Smarowanie hydrodynamiczne występuje wtedy gdy
warstwa cieczy smarnej wnika między współpracujące elementy w wyniku ich ruchu względnego

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 17

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

tworząc tak zwany klin smarowy. Do smarowania maszyn i urządzeń stosuje się oleje maszynowe i
smary stałe.
Występują dwa podstawowe układy smarowania:

– indywidualny

Przy smarowaniu indywidualnym kaŜdy punkt smarowania ma własny zbiornik napełniany
okresowo.

– centralny

Smarowanie centralne polega na tym, Ŝe wiele punktów jest zasilanych ze wspólnego
zbiornika.

DIAGNOSTYKA TECHNICZNA

Jest to metoda określania stanu technicznego maszyny lub urządzenia z lokalizacją ewentualnych
niedomagań bez demontaŜu maszyny. Obejmuje ona m. in. obserwacją i rejestrację zewnętrznych
objawów towarzyszących procesom chemicznym, analizę i ocenę rejestrowanych danych oraz
stawianie diagnozy. W wyniku badania otrzymuje się informację o wewnętrznych cechach maszyny
których cechy chcemy określić, chociaŜ części są zazwyczaj niedostępne do bezpośredniego badania.

Trwałość i niezawodność:
Przez trwałość maszyn i urządzeń rozumiemy własność która charakteryzuje proces ich zuŜywania się
podczas eksploatacji.
Przez niezawodność rozumie się zdolność urządzenia do bezawaryjnej pracy.
Kryteriami określającymi niezawodność urządzeń i maszyn są:

–  duŜa trwałość
–  pewność działania
–  bezawaryjność
–  zdolność do długotrwałej pracy bez pogarszania parametrów wyjściowych
–  mały zakres i łatwość obsługi
–  długie okresy międzynaprawcze
–  mała pracochłonność napraw i obsługi

Trwałość i niezawodność zaleŜą od rozwiązania konstrukcyjnego, jakości wykonania i warunków
uŜytkowania.

Jako wskaźnik trwałości moŜna przyjąć:

1. Czas pracy określony w godzinach lub latach aŜ do całkowitego zuŜycia
2. Czas uŜytkowania – czas pracy aŜ do całkowitego zuŜycia bez uwzględniania przestojów

Wskaźnik niezawodności urządzenia jest to prawdopodobny średni czas bezzakłuceniowej pracy.

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 18

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

SILNIKI WIATROWE

Silniki wiatrowe są to silniki które wykorzystują energię kinetyczną poruszającego się powietrza
atmosferycznego i zmieniają ją na inny rodzaj energii np. na pracę.

Koło wiatraka (1) składa się z pewnej liczby skrzydeł umieszczonych na poziomym wale (2). Wał
obraca się w łoŜyskach umieszczonych w obudowie (3). W obudowie mieści się przekładnia zębata
przenosząca ruch wału poziomego na wał pionowy. Wał ten napędza maszynę roboczą, którą
najczęściej jest prądnica. Razem z wałem i kołem wiatraka zamontowany jest ster kierunkowy.

W strumieniu powietrza atmosferycznego poruszającego się z prędkością v umieszczamy płytkę na
którą działać będzie siła aerodynamiczna. Strumień powietrza opływającego płytkę z pewną
prędkością powoduje zwiększenie ciśnienia powietrza na powierzchni górnej. RóŜnica ciśnień jest
przyczyną powstania siły aerodynamicznej skierowanej ku górze, których wypadkową jest siła W. Siłę
W rozkładamy na składową Z prostopadłą do prędkości v zwaną siłą nośną oraz na składową X zwaną
oporem czołowym.
Siły aerodynamiczne oblicza się z następujących wzorów:

X = C

* F * (v

Z = C

* F * (g*v

F – powierzchnia płytki
g – gęstość powietrza
C

– współczynnik oporu

– współczynnik siły nośnej

v – prędkość powietrza

Wartości tych sił będą zaleŜne od kąta natarcia łopatek wirnika (α)

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 19

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

Powietrze przepływające przez pole skrzydeł wiatraka wykonuje pewną pracę równą jego energii
kinetycznej. Stosunek energii kinetycznej wykorzystanej w wiatraku do pełnej energii nazywa się
współczynnikiem wykorzystania wiatraków

__ psi. Współczynnik ten wynosi od 0,3 do 0,6.

Moc wiatraka moŜna obliczyć z zaleŜności

N=(v

1530

RozróŜniamy wiatraki wolnobieŜne o duŜej liczbie skrzydeł (do 24) wypełniających prawie całą
powierzchnię koła i szybkobieŜne. Wiatraki szybkobieŜne charakteryzują się małą liczbą ramion (2-4).
Miarą szybkobieŜności jest tzw. moduł wiatraka:

Jest to stosunek prędkości obrotowej końca skrzydła do prędkości wiatru. Moment jaki uzyskuje się
zaleŜy od modułu. Do oceny pracy wiatraków wykorzystuje się moment bezwymiarowy __.
Wartość __ wyznaczamy z zaleŜności

M – moment silnika wiatrowego
energia strugi wiatru –

Pomiędzy tymi momentami obowiązuje zaleŜność

Charakterystyki aerodynamiczne wiatraka:

TURBINY WODNE

Turbiny wodne są to maszyny które przetwarzają energię wody na pracę mechaniczną, a więc naleŜą
do grupy silników. Aby uzyskać energię, woda musi być spiętrzona w sposób naturalny lub sztuczny.
Podstawowym elementem kaŜdej turbiny jest obracający się wirnik zaopatrzony w łopatki.
RozróŜniamy turbiny akcyjne i reakcyjne.

W turbinie akcyjnej Energia potencjalna spiętrzonej wody w całości przekształca się w energię
kinetyczną jeszcze przed wirnikiem w nieruchomej dyszy lub kierownicy. Ruch obrotowy wirnika
uzyskuje się w skutek naporu strugi na jego łopatki. Ciśnienie wody przed i za wirnikiem jest
jednakowe i równe atmosferycznemu. WzdłuŜ łopatek wirnika woda przepływa ruchem jednostajnym.

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 20

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

W turbinie reakcyjnej tylko część energii potencjalnej spiętrzonej wody przekształca się w
nieruchomej kierownicy przed wirnikiem w energię kinetyczną strugi. Pozostała część zamienia się w
energię kinetyczną dopiero na łopatkach wirnika. Kanały między łopatkami wirnika zwęŜają się w
kierunku przepływu cieczy (wody) więc prędkość strugi zwiększa się a ciśnienie maleje. Pracę wirnika
turbiny reakcyjnej zawdzięcza się przede wszystkim dzięki działaniu reakcji hydrodynamicznej strugi
na łopatkach wirnika.
Ciśnienie wody przy wejściu na łopatki wirnika jest większe od ciśnienia atmosferycznego i maleje
przy przepływie.

Moc uŜyteczna P

turbiny wodnej oddawana jej wale:

– moc uŜyteczna

– sprawność ogólna turbiny

__ – gęstość cieczy (wody = 1000

)

Q – strumień objętości cieczy przepływającej przez turbinę (

)

H – róŜnica poziomów wody zwanej spadem
g – przyspieszenie ziemskie

Moc największych turbin P

osiąga wartości 500 MW.

Przepływalność Q przekracza wartość 1000

(strumień objętości cieczy przepływającej przez turbinę)

Wykorzystywane spady wody H: 1,5 – 2300 m.
Osiągane sprawności n: 0,8 – 0,94

Schemat turbiny Peltona (akcyjnej):

Turbina składa się z obrotowego wirnika (1) i z kierownicy strumienia wody (dysza z iglicą – 2). W
kierownicy następuje przekształcenia całego spadu na energię kinetyczną przekazywana na łopatki
wirnika. Kierownica ma kształt dyszy i jest umieszczona moŜliwie blisko łopatek wirnika i jest
nieruchoma. Przekrój wylotu dyszy moŜna regulować za pomocą osiowego przesuwu iglicy i tym
samym regulować natęŜenie wypływu wody. Przy poziomej osi wirnika stosuje się zwykle 2 dysze.

Sprawność tych turbin wynosi 90%.
Prędkość obrotowa wirnika turbiny wynosi 750-1600

obr

min

rednica wirnika wynosi od 0,2 – 4 m

Osiągana moc tej turbiny to 30MW

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 21

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

Schemat turbiny Francisa w komorze otwartej:

(rura ssawna wytwarza podciśnienie u wylotu z wirnika i umoŜliwia uzyskanie części spadu odpowiadającego odległości
wirnika od zwierciadła wody w kanale dopływowym ale ponad to gwarantuje odzyskanie części energii kinetycznej wody
opuszczającej wirnik)

W turbinie reakcyjnej o dopływie promieniowym, dośrodkowym woda przepływa przez kierownicę
(1) o nastawnych łopatkach i zasila na całym obwodzie wirnik (2) przepływając przez kanały
międzyłopatkowe wirnika i uchodzi przez rurę ssącą (3). Przepływając przez odpowiedni
ukształtowane łopatki kierownicy struga wody nabiera prędkości w skutek częściowego spadku
ciśnienia. Pozostała część energii ciśnienia zostaje w wirniku bezpośrednio przekształcona na pracę
skutek siły reakcji hydrodynamicznych.

Współczesna technika zmierza do konstruowania turbin:

– duŜej mocy
– pracujących nawet przy małych spadkach przy duŜej przepływności (natęŜenie przepływu

przez wnętrze turbiny

– pozwalające na uzyskanie stosunkowo duŜej prędkości obrotowej

Te wymogi spełniają turbiny szybkobieŜne

Turbiny wodne stosowane są w elektrowniach wodnych gdzie wytwarzana energia mechaniczna
wykorzystywana jest do napędu generatorów i zamieniana w energię elektryczną.

Przykład turbiny szybkobieŜnej (turbina Kaplana):

Sprawność do 93%
Ś

rednica wirnika od 1 do 10 m.

Moc uŜyteczna = 200MW
Przepływność Q = 500

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 22

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

Charakterystyka turbin:

Wirnik turbiny wodnej reakcyjnej obraca się dookoła osi O z prędkością kątową __. Linia 1-2
przedstawia zarys łopatki wirnika. Cząstki cieczy przepływają do wirnika przez prowadnicę walcową
o promieniu r

z prędkością bezwzględną c

i wpływają przez powierzchnię walcową o promieniu r

prędkością c

. Prędkości c

i c

rozkładamy na prędkości unoszenia u

i u

i prędkości względne w

. Kąty zawarte między prędkością bezwzględną oznaczamy jako __ i __. Kąty zawarte między

prędkościami względnymi a ujemnymi wektorami prędkości unoszenia B

i B

. Składowe obwodowe

oznaczamy przez Cu

i Cu

a składowe prędkości względnych przez Wu

i Wu

. Całkowity moment

obrotowy jaki płynący strumień wytwarza między ściankami łopatek jest równy zmianie momentu
ilości ruchu w jednostce czasu wywołanej zmianą składowej prędkości Cu

i Cu

Wartość tego momentu:

Moc reakcji hydrodynamicznej strumienia przepływającego przez wirnik a zatem moc
przekazywana turbinie przez wodę wynosi:

Wprowadzając prędkość obrotową u

= r

__, u

= r

__ otrzymujemy wzór na moc w postaci:

cos__ - c

*cos__ = __*g*H

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 23

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

POMPY

Pompą nazywamy maszynę roboczą która kosztem energii silnika przenosi ciecz z poziomu niŜszego
na wyŜszy. Działanie pompy opiera się na wytwarzaniu róŜnicy ciśnień między przestrzenią ssącą a
tłoczącą za pomocą ruchomego elementu roboczego.

Pompy objętościowe są to takie pompy których działanie polega na przetłaczaniu dawki cieczy z
przestrzeni ssawnej przez odpowiedni ruch elementu roboczego do przestrzeni tłocznej.

Pompy przepływowe są to takie pompy których działanie polega na wykorzystaniu warunków
ciągłego i równomiernego przepływu cieczy przez przestrzeń wewnętrzną pompy.

ZaleŜnie od warunków pracy pompy dzielimy na ssące, tłoczące i ssąco-tłoczące.

Pompy objętościowe charakteryzują się wyrównanym ciśnieniem które działa na ruchomy element
roboczy. ZaleŜy ono jedynie od połoŜenia tłoka zamykającego przestrzeń roboczą i odpowiadającemu
temu połoŜeniu objętości czynnika roboczego.
Działanie pomp objętościowych opiera się na zasadach statyki cieczy.

Pompy tłokowe
Ruchomy element roboczy który wytwarza róŜnice ciśnień między przestrzenią ssawną a tłoczną
pompy, potrzebną do wywołania ruchu cieczy jest w pompie tłokowej płaski tłok.

Parametrami pomp tłokowych są:

–  wysokość ssania
–  wysokość tłoczenia
–  wydajność Q
–  sprawność objętościowa
–  moc
–  sprawność ogólna

Schemat pompy tłokowej jednostronnego działania:

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 24

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

W pompie tłokowej ruchomy element roboczy wytwarza róŜnicę ciśnień między przestrzenią ssącą a
tłoczącą potrzebną do wywołania ruchu cieczy. Ilość cieczy określa zaleŜność:

s – skok tłoka
n – ilość obrotów korby na minutę (50-250

obr

min

)

Pompy rotacyjne
Są pompami wyporowymi o obrotowym ruchu elementu roboczego. Elementy robocze tych pomp
podczas jednostajnego obrotu okresowo zwiększają przestrzeń ssawną zmniejszając przestrzeń tłoczną
i na odwrót w skutek czego następuje jednoczesne zasysanie cieczy do wnętrza komory roboczej i
wytłaczanie na zewnątrz. Elementy robocze stale oddzielają przestrzeń ssawną od tłocznej i zbyteczne
jest stosowanie zaworów. Przykładem pompy rotacyjnej jest pompa zębata:

P = 5-32 MPa
Q = 20 l/s
n = 0,7 – 0,85

Pompa łopatkowa –

do cieczy o własnościach samosmarujących

Wydajność Q do 500 m3/h
Ciśnienie pracy 100 MPa
Temperatura cieczy t = 450

Sprawność n = 0,5 – 0,9

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 25

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

KOTŁY I SILNIKI PAROWE

Kotły i silniki parowe słuŜą do zamiany energii cieplnej na energię mechaniczną. Dostarczając ciepło
otrzymujemy w tych maszynach pracę. Pośrednikiem w tym procesie jest tak zwany czynnik
termodynamiczny

. Do wytwarzania pary wodnej słuŜą kotły parowe które są podstawową częścią

siłowni parowej. Kocioł jest to naczynie zamknięte w którym pod działaniem energii cieplnej woda
przechodzi w parę o ciśnieniu wyŜszym od atmosferycznego, a para ta jest wykorzystywana na
zewnątrz kotła.

Wytwarzanie pary w kotle jest związane z trzema zjawiskami

a)  spalaniem paliwa dla wytworzenia pewnej ilości ciepła
b)  wymiana ciepła między spalinami a wodą zasilającą
c)  parowaniem wody

Schemat urządzenia kotłowego:

1 – parownik
2 – palenisko
3 – węŜownica

Kocioł powinien być stale zasilany wodą, powietrzem i paliwem. Produktem głównym kotła jest para
wodna o określonym ciśnieniu a produktem ubocznym s a spaliny, popiół i ŜuŜel.

Główne elementy kotła

1. Parownik – czyli właściwy kocioł w którym z wody wytwarza się parę mokrą nasyconą.

Składa się on z reguły z naczyń stalowych zwanych walczakami.

2. Palenisko – jest urządzeniem słuŜącym do przetwarzania energii chemicznej paliwa na energię

cieplną w procesie spalania

3. Przegrzewacz pary – jego zadaniem jest osuszanie pary pobieranej z parownika oraz

przegrzanie jej do temperatury 300-350

Podstawowe parametry kotłów:

a)  wydajność kotła D – jest to ilość pary wytworzonej podczas jednej godziny [kg/h ; t/h]
b)  ciśnienie pary p – waha się w granicach od 50 KPa do 60 MPa
c)  temperatura pary t – waha się w granicach od 100-700

d) powierzchnia ogrzewalna H – pole powierzchni ścianek parownika które są po jednej stronie

omywane wodą a po drugiej spalinami [m

], największe kotły – 20 000 m

e) natęŜenie powierzchni ogrzewalnej

– jest to stosunek wydajności kotła do pola

powierzchni ogrzewalnej [kg/m

·h]

Wartość tego parametru charakteryzuje wykorzystanie powierzchni ogrzewalnej i zaleŜy od
konstrukcji paleniska i kotła a takŜe od rodzaju paliwa i warunków pracy urządzenia
kotłowego

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 26

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

f) Wielokrotność parowania

B –

jest to stosunek wydajności kotła do ilości B – kg.

węgla

spalonego w ciągu jednej godziny

g) Sprawność urządzenia kotłowego __ wynosi od 0,5 do 0,74

O wartości sprawności urządzenia kotłowego decydują straty energii cieplnej. Największą
stratą jest tzw. strata kominowa spowodowana unoszeniem duŜej ilości niewykorzystanego
ciepła przez gorące spaliny do komina.

SILNIKI PAROWE

Działanie silnika parowego polega na zamianie energii wewnętrznej czynnika o wysokiej temperaturze
na pracę. Zamiana ta moŜe nastąpić tylko podczas wymiany ciepła między ciałem o wysokiej
temperaturze i ciałem o niskiej temperaturze . Silniki parowe mają zastosowanie w siłownikach
cieplnych w których prądnice wytwarzają prąd elektryczny i napędzane są turbinami parowymi.

Uproszczony schemat połączeń urządzeń siłowni parowej:

1 – kocioł parowy
2 – podgrzewacz pary
3- silnik parowy
4 – prądnica
5 – skraplacz
6 – pompa

Silniki parowe dzielimy na dwa rodzaje:

1. Tłokowe (objętościowe
2. Wirowe (przepływowe) czyli turbiny parowe

Tłokowy silnik parowy jest silnikiem cieplnym w którym energia wewnętrzna pary wodnej zamienia
się na pracę za pomocą tłoka poruszającego się w cylindrze ruchem posuwisto-zwrotnym. Ciśnienie
pary kotła działa na przemian lub po jednej stronie tłoka a ruch tłoka przekazywany jest przez układ
korbowy i przekształca się w ruch obrotowy wału korbowego.

Turbina parowa jest cieplnym silnikiem wirowym w którym energia wewnętrzna pary zamieniona w
dyszy w energię kinetyczną strugi zostaje przekazana łopatkom wirnika. Zasadniczymi elementami
turbiny parowej jest nieruchoma dysza i obracający się wirnik z odpowiednio ukształtowanymi
łopatkami.

RozpręŜanie pary w turbinie moŜe być dokonywane dwoma sposobami.
W turbinie akcyjnej

rozpręŜania zachodzi jedynie w dyszy a przepływ strugi pary przez kanał

międzyłopatkowy wirnika odbywa się przy stałym ciśnieniu czyli kanał międzyłopatkowy ma stałe
pole przekroju poprzecznego.

M a s z y n o z n a w s t w o

S t r o n a

| 27

P o l i t e c h n i k a P o z n a ń s k a

W turbinie reakcyjnej

para rozpręŜa się częściowo w dyszy a częściowo w kanałach

międzyłopatkowych wirnika czyli kanał międzyłopatkowy zmienia się podobnie jak w dyszy/

TURBINY PAROWE AKCYJNE

Głównym elementem turbiny parowej jest nieruchoma dysza i obracający się wirnik z łopatkami. W
dyszy zmniejsza się ciśnienie pary a wzrasta jej prędkość. Struga pary przepływającej wzdłuŜ łopatek
wywiera na nie napór co powoduje ruch obrotowy wirnika. W turbinie parowej reakcyjnej para
przepływająca przez zwęŜające się kanały między łopatkami wirnika rozpręŜa się w nich i zwiększa
swoją prędkość względną a przyspieszeniu towarzyszy powstanie reakcji hydrodynamicznej która
obraca wirnik.

SILNIKI SPALINOWE

Przekształcają energię cieplną paliw na pracę mechaniczną. Są to silniki o spalaniu wewnętrznym co
oznacza, Ŝe paliwo jest spalane bezpośrednio w cylindrze roboczym silnika, bądź teŜ w komorze
spalania stanowiącą całość z konstrukcją silnika.

Pod względem konstrukcyjnym wyróŜniamy następujące rodzaje silników spalinowych:

a)  silniki tłokowe o ruchu tłoka postępowo - zwrotnym
b)  silniki typu Wankla z tłokami wirującymi
c)  przepływowe silniki wirowe (turbiny spalinowe i gazowe)
d)  przepływowe silniki odrzutowe (przelotowe i rakietowe)

Tłokowe silniki spalinowe dzielimy:

a)  ze względu na cykl pracy na 4-suwowe i 2-suwowe
b)  w zaleŜności od sposobu przygotowywania mieszanki na wtryskowe i gaźnikowe
c)  ze względu na rodzaj zapłonu na silniki z zapłonem iskrowym (niskopręŜne) i z zapłonem

samoczynnym (wysokopręŜne)

d) ze względu na sposób chłodzenia na silniki chłodzone powietrzem i cieczą
e) ze względu na rodzaj konstrukcji na silniki z układem korbowym i bezkorbowym

Schemat silnika spalinowego:

1 – kadłub z blokiem cylindrowym
2 – skrzynia korbowa
3 – głowica z zaworami
4 – układ korbowy