Zeszyty Naukowe Akademii Techniczno-Rolniczej im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy. Mechanika, z.41 (202), 1996

AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA 
IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 


.... 


ZESZYTY NAUKOWE NR 202 


MECHANIKA 41 


Gl- 
J100{; -1' 
,,
 
lU ., I 
1'"' .'
 


45-LECJE WYDZIAŁU MECHANICZNEGO ATR 
MATERIAŁY KONFERENCJI NAUKOWEJ 


BYDGOSZCZ - 1996
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA 
IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 


ZESZYTY NAUKOWE NR 202 


MECHANIKA 41 


! 
v, 


,I 


BYDGOSZCZ - 1996
>>>
PRZEWODNICZĄCY KOMITETU REDAKCYJNEGO 
prof. dr hab.Ojcumiła Stefaniak 


REDAKTOR NAUKOWY 
dr hab. inż. Bronisław Siołkowski, prof. nadzw. ATR 


OPRACOWANIE REDAKCYJNE I TECHNICZNE 
mgr Joanna Ekstowicz-Mąka, Zbigniew Gackowski 


Wydano za zgodą Rektora 
Akademii Techniczno-Rolniczej 
w Bydgoszczy 


ISSN 0208-6395 


WYDAWNICTWO UCZELNIANE 
AKADEMII TECHNICZNO-ROLNICZEJ W BYDGOSZCZY 
Wyd. I. Nakład 150 egz. Ark. aut. 8,8. Ark. druk. 8,75. Papier druk. kI. III. 
Oddano do druku we wrześniu 1996 r. Druk ukończono we wrześniu 1996 r. 
Uczelniany Zakład Małej Poligrafii ATR Bydgoszcz ul. Ks. A. Kordeckiego 20 
Zamówienie nr 16/96 



! 


l,"" ,
>>>
SPIS TREŚCI 


l. Antoni F. Budzyński: Ciekawsze rozwiązania naukowo-badawcze i projektowo- 
-konstrukcyjne zrealizowane w Katedrze Obrabiarek i Robotów.............................. 5 
2. Józef Flizikowski, Mieczysław Godlewski: Metodyka energetycznego 
rozwoju maszyn rolniczych i spożywczych............................................................. 11 
3. Lech M. Kamiński: Pneumatyczne strumieniowe przetworniki cyfrowo- 
-analogowe............ ............... .............. ....................... .......................... .................... 19 
4. Hubert Latoś: Kierunki prac Katedry Technologii Maszyn A TR ........................... 31 
5. Eugeniusz Ranatowski: Transmisja cech strukturalnych i mechanicznych 
w procesic spajania metali ...................................................................................... 41 
6. Jerzy Sawieki: Uogólnione równania ruchu cieczy niemagnetycznej i magne- 
tycznej w szczelinach między wirującymi powierzchniami obrotowymi................. 55 
7. Bronisław Siołkowski: Minimalizacja drgań mechanicznych i hałasu .................... 65 
8. Michał Styp-Rekowski, Ryszard Wocianiec: Osiągnięcia w działalności 
naukowo-badawczej Katedry Obrabiarek i Robotów i ich praktyczne 
wykorzystanie ..................................................... .................................................... 75 
9. Józef Szala: Problematyka zmęczenia w procesie projektowo-konstrukcyjnym ..... 87 
10. Marian Szymański: Doskonalenie obiegów ciepła w procesach 
technologicznych celulozowni .............................................................................. lal 
II. Maciej Woropay: Metoda racjonalnego sterowania systemem eksploatacji 
(na przykładzie systemu transportu miejskiego) ................................:.................. III 
12. Bogdan Żółtowski: Kształtowanie i ocena jakości maszyn w Katedrze 
Maszyn Roboczych i Pojazdów......................................................................... 123
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA l JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 
ZESZYTY NAUKOWE NR 202 - MECHANIKA (41) - 1996 


Antoni F. Budzyński 


CIEKAWSZE ROZWIĄZANIA NAUKOWO-BADAWCZE 
I PROJEKTOWO-KONSTRUKCYJNE ZREALIZOWANE 
W KATEDRZE OBRABIAREK I ROBOTÓW 


I. WSTĘP 


Ambicją pracowników Katedry Obrabiarek i Robotów") było zawsze uczestniczyć 
w tworzeniu światowego postępu w doskonaleniu szeroko rozumianych wszelkiego 
rodzaju narzędzi, do których współcześnie można zaliczyć obrabiarki i roboty. Ambicją 
jest także udzielanie pomocy miejscowemu i krajowemu przemysłowi w opracowywaniu 
projektów i konstrukcji oraz weryfikacji doświadczalnej artefaktów bądź wyposażenia 
do ich materialnej realizacji. 


l. PRACE Z ZAKRESU KSZTAŁTOWANIA ELEKTROCHEMICZNEGO (ECM) 


Obróbka elektrochemiczna (ECM) jak na razie jest jedyną ze znanych, która nie 
wnosi naprężeń w warstwie wierzchniej kształtowanych elementów, stąd też można 
uznać, że współcześnie jest obróbką najbardziej rozwijaną w świecie. Można już za jej 
pomocą wykonać np. wieniec turbiny gazowej wraz z łopatkami w jednej całości, a każ- 
dą łopatką jeszcze dodatkowo wydrążyć od środka dla poprawienia jej chłodzenia. Wy- 
daje się, że w badaniach procesu ECM, a także w budowie narzędzi i obrabiarek do tego 
procesu w Katedrze uczyniono najwięcej: 
- opanowano proces drążenia małych otworów w zahartowanych stalach narzę- 
dziowych o średnicy ok. 0,5 mm i stosunku l/d 200. Jak na razie jest to jedyny 
sposób wykonywania takich otworów. Badania te realizowano na zaprojektowa- 
nej i zbudowanej w Katedrze drążarce; 
- zbadano dokładnie proces wspomagania obróbki ściernej za pomocą ECM, 
szczególnie w zakresie obróbki kształtująco-wykańczającej otworów w wysokich 
klasach dokładności wykonania (IT5) i znacznym stosunku l/d. Zbudowano 
w tym celu prototypy obrabiarek umożliwiających ten proces. Praca nad tą pro- 
blematyką dała w efekcie wiele rozpraw dysertącyjnych [7, 8, 10, II, 13, 141 
i kilkadziesiąt patentów oraz uznanie wielu środowisk naukowych i technicznych 
w kraju oraz zagranicą, co przejawia się w organizowaniu przez Katedrę cyklicz- 
nych konferencji EM (Electromachining) począwszy od 1982 r. (rys. I), a także 


") Katcdra Obrabiarck i Robotów utworzona została w 1989 roku po przckształceniu Katcdry 
Podstaw Konstrukcji Maszyn Tcchnologicznych. Ta zaś powstała po podziclcniu Katcdry PKM 
na dwic oddzielnc. KOiR od początku jcj powstania kicrował prof.dr hab. inż. Antoni F. Bu- 
dzyński. Począwszy od 1992Joku Katedrą kieruje dr inż. Michał Styp-Rckowski.
>>>
6 


Antoni F. Budzyński 


zapraszanie pracowników Katedry do udziału w konferencjach światowych 
(rys. 2) [1,2, 3, 4, 5, 6]. W chwili obecnej trwają prace nad elektrodami o nume- 
rycznie nastawianych cechach geometrycznych. 


Rys \. Symbol cyklicznych konfcrcncji organizowanych przcl KOiR. 
Symbol .iednocześnic przedstawia możliwosci erodowania struną 


2. PRACE ZREALIZOWANE NA ZAMÓWIENIA PRZEMYSLU KRAJOWEGO 


Z prac na rzecz regionalnego i krajowego przemysłu do najważniejszych można 
zaliczyć: 
- prace nad poprawą stateczności [9] oraz zmniejszeniem strat energetycznych 
w rowerze [I2J realizowane na zlecenie Zakładów Rowerowych w Bydgoszczy; 
- prace nad ułożyskowaniami aero-hydro-statycznymi [15]; 
- prace na zlecenie Ośrodka Sterowania i Napędów w zakresie robotyzacji. 
W oparciu o te zlecenia zaprojektowano rodzinę robotów 7. przeznaczeniem głów- 
nie dla celów dydaktycznych. Roboty te mogą nie tylko być sterowane zdalnie (bez- 
przewodowo), ale potrafią także samodzielnie rozgrywać partie szachowe. Roboty te na 
niektórych Politechnikach stanowią podstawowe wyposażenic na powołanych specjalno- 
ściach robotycznych .
>>>
Ciekawe rozwiązania naukowo-badawcze ... 


7 


INTERNATIONAL SYMPOSIUM FOR ELECfROMACIUNING 
Aprll 17-21, 199', LaUSIIIIIC. Swlludaod 


CHAIRMAN 
Prol. W. KONIO (D) 


CO-CHAIRMAN 
Prol. B.N. ZOLOTYKH, Ru.ssI. 


ORGANIZING COMMIITEE 
Dr. J..P. S. van Orlc:lhuyscn (EPFL. Cli). Dr. D. F. Dauw (1&1. Cli). Prof. T. MasUZlwl (Unlv. ol 
Tolr.yo, J), Dr. D. Schumacbcl' (ISO, CH), Dr. D. KJdlSll (EPfL. CH), Mu 0\. Dcnolt (EPł;l.,Cłł). 


SClENT1łlC COMMlITEE 
Prof. A. F. DUDZYNSKJ. Poland 
Prac. J. R. CROOKALL. U.I.. 
Dr. D. F. OAUW. Swllurland 
Dr. J..P. S. van GR1.ETIiUYSEN. Swlturland 
Prof. CJ. HEUVELMAN. lbe Nc:ahala.uds 
Dr. K.. KORA Y ASHI. Jlpan 
Prof. w. KONIG. German)' 
PraC. R. KRAMPI1Z. Germany 
PraC. D. KREMER. FrancI: 
Prof. Dr. Ir. J.-P. KRllTH. Ocliłum 
Dr. X. MAlDAGAN, Spal D 


ADVISORY COMM1TIEE 
Prof. L. ALllNG. Dc:nmulr. 
Prof. O. BJORKE. Norge 
Dr. W. BRAUNER. Aubichc 
Prof. F. CAO. PR China 
Prof. V.S. KOVALENKO. Ulualne 
Prof. M.K.. MITSKEVICH. Rep. BJclonwl. 
Dr. U.Kh. POSTAGONOV, RIWi. 


Prof. T. MASUZAWA. Jaran 
ProC. I.A. McGEOUGII. UK 
J'rof. A. Y.C. NEE. Slngapore 
Dr. V. S. POLUY ANOV, Ruma 
Prol. K..P. RAlURKAR. USA. 
Prof. N. F. de RODlJ. Swlturland 
PraC. M. SANTOClłI. JWy 
Dr. D. SCHUMACIIER. Swlu.crland 
Prof. II.K. roNSHOFF Gamany 
Prof. IlVAN DRUSSEL. Beliłum 


Prof. F.C. PRUVOT. SwllUlla.ud 
Prot. E. M. SACHS. USA 
Dr. J. SENECKY. Sionki. 
Prof. R. WERTIlEIM.lsrad 
Prof. B. Y AN. TaJwan 
Prof. C. YU. P. R. ar China 
Prof. B. N. WLOTY KU, RusII. 


SPONSORJNG INSTITlTI10NS 
IN11'.RNATIONAL INS11T\JTlON RR PRODUcnON ENGINEEJUNG RESEARCłI (CI RP) 
ECOLE POL YIT.CIINQUE FffiffiA1.E DE LAUSANNE (EPFL) 
JAPAN SOClETY OF ELECJllICAL.MACłUNlNG ENGINNERS (JSEME) 
EDM n.cHNOLOGY TIlANSfER 
AGIE AO 
CHARMIU.ES 1F.CłINOLOG1E.S SA 
GALIKA AG 
MAKlNO Mn..UNG MACHINE CO. LID. 
MITSUBISIII ELECTRJC CORP. 
SOD1CKCO. Lm. 


Rys. 2. Skład komitctu naukowego International Symposium for Electromachining ISEMXI
>>>
8 


Antoni F. Budzyński 



 
i.i:tCIlu"c j,i.W;lili (Wft,iai 


!-
..:
;..t.f 
';
'h'" 
',ł..,.,,. 
.' I. 
i 


..,.,' 
 '}j'"(
' 
.".,/i2( 
...:,....,.).. 


.
 ' 


. " . " . ':', .
/:n
 


.' 
.
 


'}I 
'j. 



. 


Rys. 3. Istota dzialania ukladu widcokomputcrowcgo opraww,mcgo w Katcdrzc
>>>
Ciekawe rozwiązania naukowo-badawcze ... 


9 


3. ZREALlZOW ANE PRACE NA ZAMÓWIENIA ZAGRANICZNE") 


Sporo satysfakcji pracownikom Katedry sprawiły realizowane na zlecenia zagra- 
niczne prace naukowo-badawcze, projektowo-konstrukcyjne i weryfikacja doświadczal- 
na zbudowanych o powyższe prototypy obrabiarek dla elektroniki. W oparciu o te zle- 
cenia najpoważniejsze zrealizowane prace to: 
- prace podstawowe dotyczące granitowych korpusów obrabiarek oraz wielofazo- 
wych silników liniowych; 
- układy wideokomputerowe z widzeniem "światowidowym" (rys. 3) wykorzysty- 
wane do korekty położenia osi wierconych otworów w wielowarstwowych obwo- 
dach drukowanych; 
- układy wideokomputerowe z widzeniem "kameleonowym" wykorzystywane do 
orientowania względem siebie i obrabiarek elementów obrabianych. 
Wiele z tych układów pracuje obecnie w zakładach produkcyjnych Ameryki, Eu- 
ropy i Azji. W oparciu o te doświadczenia trwają obecnie prace nad układami wide- 
okomputerowymi w zastosowaniu dla nanotechnologii. 


4. ZAKOŃCZENIE 


Ten krótki przegląd dorobku Katedry Obrabiarek i Robotów za lata 1989 - 1995 
upoważnia do stwierdzenia, że d/a pracowników Katedry był to okres pełen pracy 
i znoju. Przyjmując, że sukces jest miarą ilości włożonej pracy - wnioski nasuwają się 
same. 


LITERA TURA 


[1] Budzyński A.F.: Theoretical Principles and Technical Factors of Electrochemical 
Honing. ISEM6. Cracow 1980. 
[2] Budzyński A.F.: Research on Optimization of the Proces s of Electrochemical Ho- 
ning (ECH). ISEM7. Birmingham 1983. 
[3] Budzyński A.F.: Electrochemical Honing - Studies on the Shape Precision of Holes 
Being Process. lSEM8. Moscow 1986. 
[4] Theoretical and Experimental Research on Process of Electrochemical Honing 
(ECH). ISEM9. Nagoya 1989. 
[5] Budzyński A.F.: The Influence of Cathode Movement Time of its Operation and 
the Mean of Electrolyte Delivery on the Diameter Increase of Electrochemical Ho- 
ned Holes (ECH). ISEMIO. Magdeburg 1992. 
[6] Budzyński A.F.: Theoretical Analysis and Experimental lnvestigations of the Po- 
ssi-bility of Shaping Rotational Cylinder Surface By Using EleCtrochemical Ho- 
ning (ECH). lSEM II. Lausanne 1995. 


U) 
Zdecydowana większość tych prac zrealizowana została przez istniejącą przy Katedrze 
w latach J 988 - 1992 Jednostk
 Innowacyjną.
>>>
10 


Antoni F. Budzyński 


[7] Budzyński A.F.: Theoretical and Experimental Research on the Process of Electro- 
chemical Honing (ECH). Assistant professor's dissertation. Warsaw Univ. ofTech- 
nology. Warsaw 1982. 
[8] Karwowski K.: Method and the Control System Diminishing the Rolling Errors 
of Holes Undergoing Honing. Doctor's dissertation. Warsaw Univ. of Technology. 
Warsaw 1982. 
[9] Łoś W.: Badania wpływu wybranych geometrycznych cech konstrukcyjnych ukła- 
du kierowniczego na stateczność pojazdu jednośladowego. Praca doktorska. Poli- 
technika Śląska, Wydział Mechaniczny Energetyczny. Gliwice 1977. 
[10] Orobiej J.: Examination ofFinishing Processing Parameters ofthe Holes 0.1 - 0.5 mm 
in Diameter. Doctor's dissertation. Warsaw Univ. ofTechnology. Warsaw 1982. 
[II] Seroka St.: Honing of Holes Making Possible the Obtaining of Rolling Area Pa- 
raBel to the Axis of Geometrical Structure. Doctor's dissertation. Warsaw Univ. 
ofTechnology. Warsaw 1982. 
[12] Styp-Rekowski M.: Wpływ wybranych cech konstrukcyjnych specjalnych łożysk 
tocznych na wewnętrzne opory ruchu w pojazdach jednośladowych. Politechnika 
Śląska. Wydział Mechaniczny Energetyczny. Gliwice 1985. Praca doktorska. 
[13] Wocianiec R.: Influence of Certain Parameters, Especially of the Tool Shape, on 
the Precision of Shape and Size of the Holes Undergoing Honing. Doctor's disser- 
tation. lOS. Cracow 1985. 
[14] Zakoście lny St.: Influence of Coarseness Directivity and Methods of Production on 
Wear and Grindability of the Structure Undergoing Honing, Based on HydrauJic 
Servo-motors. Doctor's dissertation. Silesian Technical University. Gliwice 1981. 
[15] Zastempowski B.: Model łożyska hydrostatycznego z automatyczną regulacją 
dławienia. XXII Sympozjon "Modelowanie w mechanice". Gliwice-Wisła 1983.
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA l JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 
ZESZYTY NAUKOWE NR 202 - MECHANIKA (41) - 1996 


Józef FLIZIKOWSKl 
Mieczysław GODLEWSKI 


METODYKA ENERGETYCZNEGO ROZWOJU 
MASZYN ROLNICZYCH I SPOŻYWCZYCH 


W pracy przedstawiono uniwersalną metodę wykorzystania modelu działa- 
nia systemu do aktywnego (rozwojowego) monitorowania energetycznego środo- 
wiska uprawowego i przetwórczego. Model opiera się o elementy, relacje 
i czas realizacji funkcji dzialania rolno-spożywczego. 


1. WPROWADZENIE 


W budowie i eksploatacji maszyn rolniczych i spożywczych, podobnie jak 
i w przetwórstwie rolno-spożywczym, środowisko energetyczne (informacyjne) obej- 
muje wicIe różnorodnych nośników, transmisji, transformacji i użyteczności energii [I, 
2,3,4, 5]: 
- elektrycznej (pobranej i oddanej - czynnej i biernej); 
- cieplnej (dostarczanie, wydzielanie, odbieranie, straty, przepływ); 
- mechanicznej (moment obrotowy, siła, praca, przełożenie kinematyczne); 
- płynu (strumień, cyrkulacja, ciśnienia, przepływ, turbulencja) itd. 
Podczas upraw, zbioru i przetwórstwa występują złożone przekształcenia strumie- 
ni cnergetycznych i informacyjnych, czyli tworzą się pewne systemy energetyczno- 
informacyjne. Funkcjonalność takiego systemu określa niedokładność realizacji zadanej 
funkcji. Raz będzie to niejednorodność geometryczna, innym razem - materiałowa, 
a jeszcze innym dynamiczno - ruchowa środowiska rolno - spożywczego (sprawność). 
Uogólniając pewne zdarzenia, można zaproponować metodykę aktywnego (rozwo- 
jowego) kreowania środowiska przetwórczego. Przy czym za kreowanie aktywne uważa 
się trzy racjonalne (ekologicznie, ekonomicznie, technicznie, społecznie) sposoby po- 
stępowania, prowadzące do rozwoju maszyn rolniczych i spożywczych: 
- zwykłego, reagującego na wpływy otoczenia w sposób normalny (losowy); 
- adaptacyjnego, dostosowującego działania do treści wybranego strumienia obo- 
wiązujących lub napływających informacji; 
- rozgrywającego, reagującego na wpływ otoczenia drogą porównania (rozegna- 
nia) możliwych modeli wykresów, warunków i rozwiązań, np. zatrzymanie pro- 
cesu i uruchomienie procesu w porze strefy nocnej. 
Środowisko energetyczne charakteryzowane jest przez: zbiory możliwości, infor- 
macji merytorycznych, ekonomicznych i decyzyjnych; czas, sterowanie i koordynowa- 
nie; korzyści, nakłady i efektywność; zbiory funkcji celów, estymujących oraz wszelkich 
ocen rozwoju.
>>>
12 


1. Flizikowski, M. Godlewski 


2. ZAŁOŻENIA 


Powszechnie zakłada się, że układ maszyn rolniczych i spożywczych w systemie 
funkcjonalnym o zmiennej strukturze wymaga ciągłej reakcji, adaptacji i rozgrywania w 
zakresie obsługiwania. Obsługa procesu rozwijającego się (również zmiennego) wymaga 
na ogół wspomagającego monitorowania. Proces rozróżniany jest w zakresie roboczym i 
organizującym działanie. Charakter roboczy wspomagany w zakresie: projektowania, 
wdrażania, produkcji, eksploatacji, dystrybucji, szkolenia, recyrkulacji. Monitorowanie jest 
podsystemem wspomagającym organizację działania w kierunku optymalnego wykorzy- 
stania systemów roboczych. 
Aktywne monitorowanie może być skierowane na rozwój procesów organizujących 
działanie (sterujących) lub tylko procesów roboczo-realizujących uprawę, zbiór, przetwór- 
stwo oraz zarówno jednych, jak i drugich - a więc na rozwój całego systemu. Z praktyki 
wiadomo, że procesy robocze mogą zmieniać się szybciej lub wolniej od organizujących 
lub koordynujących działanie. W tych przypadkach bez aktywnego monitoringu, nie mogą 
być wykorzystane rozwojowe możliwości systemu. 


3. MODEL 


Systemem maszyn rolno-spożywczych rozwijającym się będzie nazywany zbiór ele- 
mentów El , E 2 , ..., Em' powiązanych ze sobą według określonej koncepcji wraz z re- 
lacjami między elementami El , E 2 , ..., E.." przy czym kanałami tych powiązań płyną strumie- 
nie energetycme i informacyjne zgodnie z planem działania. Charakterystyki elementów oraz 
powiązania są funkcjami wielkości środowiska rolno-spożywczego W oraz czasu , jako 
zmiennej niezależnej rozwoju systemu i czasu procesu dynamicznego t. 
Oprócz tego relacje Rj zależą również od sygnałów sterowania S (e, t): 


Ej = Ej (W, e, t), 
E 2 = E 2 (W,e, t), 


Em = Em(W,e,t), 
RI = R)(W,s,e,t), 
R 2 = R 2 (W,s,e,t), 


R =R (W,s,e,t). 
n n 


Równanie działania systemu aktywnie monitorowanego w kierunku jego rozwoju ma 
postać: 


(H, E, R,e, t) = P(s, z,e, t - to), 


(J)
>>>
Metodyka energetycznego rozwoju ... 


13 


gdzie: _ 
H - charakterystyki działania jako wielkości wyjściowych (efektywność); 
E - charakterystyki elementów wewnętrznych (konstrukcja); 
R - charakterystyki powiązań elementów wewnętrznych (relacje elementów); 

-,(tl -t o )- czas; 
s - sterowanie; 
z - zakłócenia; 
p - funkcja ingerencji. 
Lewa strona równania (I) (modelu) opisuje właściwości procesu działania, jego ce- 
chy natury fizycznej, właściwej dla danej klasy działań. Te właściwości zależą od charakte- 
rystyk elementów El El, ..., Em powiązań pomiędzy tymi elementami R. Rl' ..., R.. oraz są 
funkcjami i t (czasu działania i procesu dynamicznego). Niewiadomymi są elementy 
zbioru charakterystyk H jako wielkości wyjściowych, od których zależy ocena ogólnej 
efektywności systemu - wspomniane wcześniej niejednorodności, skuteczność, wydajność, 
pobór i charakter mocy, jednostkowe zużycie energii itd. 
Prawa strona równania (I) jest opisem ingerencji wewnętrznej i zewnętrznej. Może 
ona zależeć od postaci świadomego oddziaływania - sterowania za pomocą sygnałów ze 
zbioru s (wspomaganego aktywnie), oddziaływania interakcyjnego z - wzajemnego od- 
działywania elementów gleba - maszyna - roślina - zwierzę - budowla - , oddziaływania 
tensyjnego - napięcia (związanego z różnicą potencjałów), będącego przyczyną procesów 
wyrównawczych; względnie może również wystąpić jako zakłócenie działania systemu 
wyrażone przez z . 
Najczęściej w praktyce występują wymienione oddziaływania jednocześnie. Przy 
czym sterowanie ma zazwyczaj charakter zdeterminowany, natomiast zakłócenia prze- 
biegają według praw stochastycznych. Stąd zadanie monitorowania aktywnego polega 
głównie na transformacji stochastycznej postaci zakłóceń do zdeterminowanego charakteru 
sygnału sterującego maszyną, materiałem lub procesem rojno-spożywczym. 
Analiza równania (l) prowadzi do ważnych wniosków o prawidłowości rozwoju 
systemów działania w rolnictwie: 
- jeśli system nie spełnia zadania, co wyrażają niskie oceny efektywności lub niewy- 
starczająca jakość produktu, to przyczynami mogą być: 
* nieprawidłowe zachowanie elementów Ei, lub błędna ich struktura Ri; 
* nieprawidłowe (statyczne) oddziaływanie sterownicze s ; 
* błędna istota realizacji procesu roboczego i błędne charakterystyki sterujące. 
Wyselekcjonowanie właś
iwej przyczyny pozwala na ustaleniu nowych warunków 
w środowisku działania W w i wydzieleniu wielkości, według których charaktery- 
styki powinny być zmieniane; 
- czas działania (dynamika) systemu IQ zależy od szybkości działania poszczególnych 
elementów, sposobu obserwacji i konceptualizacji (tworzenia przestrzeni istotnych 
cech), idealizacji - czyli określenia związków pomiędzy głównymi z istotnych cech 
systemu, konkretyzacji - wyróżnienie cech ubocznych i wreszcie od weryfikacji lo- 
gicznej i empirycznej wypracowania praw aktywności - czyli szybkości obiegu in- 
formacji między elementami. Czas działania, dynamika systemu zależą więc od: 
wiedzy na temat rolnictwa, paszoznawstwa, żywienia, doboru wskaźników do 
zmiennych opisujących proces, czujników i przetworników obiektowych, procedur
>>>
14 


1. Flizikowski, M. Godlewski 


przetwarzająco - sterujących, a nawet języka matematycznego użytego do rozwoju 
systemu rolno-spożywczego. 
Należy pamiętać, że wprowadzenie dodatkowych środków przyspiesza obieg infor- 
macji, ale jednocześnie zwiększa liczbę elementów w systemie. Istnieje pewne nasycenie 
systemu w środki techniczne, po przekroczeniu którego czas działania i dynamika systemu 
maleją. 


4. MIARY OCENY BUDOWY l EKSPLOATACJI MASZYN ROLNICZYCH 
I SPOŻYWCZYCH 


Wyznaczenie ocen i charakterystyk działania oraz jakości produktu rolno-spo- 
żywczego jest zagadnieniem złożonym. Ocena zawiera: informacje o środowisku i wa- 
runkach, kryterium lub zespół kryteriów działania i jakości, algorytm do obliczania 
wartości funkcji lub modelu matematycznego obiektu rozwoju. 
Ze względu na treść informacji wyróżnia się model: 
* model, w którym występują informacje dotyczące struktury i charakterystyk sys- 
temu (lS); 
* model, w którym występują informacje o jakości produktu (IW); 
* model, w którym występują informacje dotyczące systemu działania A. produktu 
(I S W). 
W ogólnym przypadku efektywność działania oraz jakości produktu: 


A. = A. [18, IW, ISW]. 


(2) 


Stosując metodę charakterystyk uogólniających, można zapisać: 


A.(W,e) = F(W,e) , 
K(W, e) 


(3) 


lub 


L(w,e) = F(W,ęl , 
K(W,e) 


(4) 


przy czym 


. F(W,e) 
F(W,e) = -----, 
Fo(Wo,e) 


(5) 


gdzie: 
A.(W,e) - wskaźnik efektywności działania systemu rolno-spożywczego; 
F(W,e) - efekt techniczny działania; 
K(W, e) - nakład techniczny na uzyskanie produktu; 
A.(W,e) - wskaźnik względnej efektywności działania; 
F(W,e) - względna wartość efektu działania;
>>>
Metodyka energetycznego rozwoju '" 


15 


K(W,e) - względna wartość nakładu na działanie; 
Fo (W,e) - założony efekt działania. 


Wzór roboczy do wyznaczania A.(W,e) ma postać: 


A.(W,e)= [t1F, (W,e) + t1F 2 (W,e) +t1F 3 (W,e)), (6) 
K(W,e) 


przy czym: 


i="I1j 
t1F](W,e)= L)Pi(W)Mi(])dt, 
;=\ o 


;=,,2 T 
t1F 2 (W,e)= L Jpi(W)M?)dt, 
i=1 o 


i=,,3T; 
t1F 3 (W,e) = L fpj(W)M?)dt, 
i=\ o 


Mi =[foi(W,e)-fj(W,e)]K;, 


gdzie: 
Mi (W,e) - przyrost efektu technicznego w i-tych warunkach; 
Pi - funkcja wagi; 
fi - funkcja oceny; 
Ki - wykładnik formy - aspektu analizy; 
Jl - liczba wskaźników i aspektów oceny. 


5. PRZYKŁAD 


Zaproponowaną metodykę aktywnego monitorowania weryfikowano w idealizo- 
wanym przypadku analizy efektywności mieszania A. produktu po rozdrobnieniu ziarna 
pszenżyta o trzech wymiarach rozdrabniania KI/'  1,50 mm; 0,50  KI/2  1,50; 
K I/3  0,50 mm; strawności [1] odpowiednio f 2l1 = 0,65, f 212 = 0,78, f213 = 0,94; oraz 
udziałach masowych: P3I1 = 0,03, PJI2 = 0,85, PJ/J = 0,12, energii brutto produktu mie- 
szania Eb = 16,2 MJ/kg; jednostkowego zużycia energii na jednorodne zmieszanie 
RI = K,(W'-J,e) = 12 kJ/kg; uzyskano: 


A.(W,e) = 44,5,
>>>
16 


1. Flizikowski, M. Godlewski 


w stosunku do produktu o jednorodnym wymiarze KI/I 
 1,50 mm; 


A.(W,e) = 18,4. 
W porównaniu z jednorodnym produktem 0,50  K KI/2  1,50 mm; oraz 
Ą(W,e) = 12,3 - w porównaniu z jednorodnym produktem KI/3 Ś 0,50 mm. 
Przykład ten ilustruje, w sensie dynamiki rozwoju - postępowy rozwój typu ewolucyjne- 
go, gdy system stopniowo przyjmuje cechy (stany) korzystniejsze - w określonym sensie 
energetycznym - strawności "in vitro" jako funkcji celu rozdrabniania. 


6. PODSUMOWANIE 


Na podstawie przeprowadzonej analizy, założeń, modelu i miar efektywności dzia- 
łania systemu maszyn rolno-spożywczych można sformułować pewne spostrzeżenia 
w zakresie opisu funkcjonalnego aktywnego monitorowania energetycznego środowiska 
przetwórczego i wnioski ze stosowania metodyki: 
-opis funkcjonalny w kategoriach czasu, stanu, zdarzenia, funkcji, procesu działa- 
nia powinien umożliwiać odpowiedź na pytanie systemu monitorującego: jakie 
funkcje i procesy realizowane są w systemie? - jaka jest organizacja, koordynacja 
funkcji w środowisku maszyn (systemie)? - jakie powinny być najbardziej pożą- 
dane przebiegi tych procesów? - czy struktury systemu (środowiska) odpowia- 
dają realizowanym procesom w sensie przyjętych kryteriów? - w jaki sposób ce- 
chy, charakterystyki elementów (obiektów) i relacji między nimi wpływają na 
efektywność procesu i jakości produktu działania? 
-zastosowanie metodyki aktywnego monitorowania energetycznego środowiska 
przetwórczego - umożliwia wyznaczenie wskaźników efektywności i ich warto- 
ści; charakteru rozwoju realizowanego procesu mieszania - według obiektywnych 
charakterystyk i wreszcie podejmowanie decyzji o kierunkach doskonalenia ste- 
rowania i procesu roboczego. 


LITERA TURA 


[I) Flizikowski 1.: Badania i podstawy konstrukcji wielotarczowych rozdrabniaczy 
nasion. Rozprawy A TR nr 42/1990, Bydgoszcz. 
[2] Sienkiewicz P.: Teoria efektywności systemów. Ossolineum, Wrocław PAN 1987 
[3] Bochat A.: Ermitteln des Schnittwiderstandes be im Entleeren von Silos. Maschi- 
nenmarkt 17, Wilrzburg, 1995, s.26-3 \. 
[4] Bogusz M.: Młyn obrotowo - wibracyjny z hydraulicznym wymuszaniem ruchów 
roboczych. Materiały z Konferencji Naukowej nt.: "Mechanika '95", Politechnika 
Gdańska, Gdańsk 1995. 
[5] Dulcet E.: Wpływ wydajności zbioru zielonki na równomierność wymieszania jej 
z konserwantem. Zeszyty Naukowe A TR nr 194, Mechanika 39, Bydgoszcz 1996. 
[6] Flizikowski J., Górecki A.: Badania funkcjonalności zespołu rozdrabniającego 
z nieliniowym zarysem rzutu krawędzi rozdrabniających. Zeszyty Naukowe A TR 
nr 192, Mechanika 37, Bydgoszcz 1995.
>>>
Metodyka energetycznego rozwoju '" 


17 


[7] Flizikowski J.: Mahlgutbewegung im Arbeitsraum von Mehrscheibenzerkleinerern. 
Maschinenmarkt nr 26, WUrzburg ]995. 
[8] Jankowska M.: Stacja uzdatniania wody powierzchniowej z akcelatorem. Materiały 
z V Międzynarodowej Konferencji Naukowej nt.:"Recyrkulacja w budowie ma- 
szyn", Bydgoszcz 1995. 
[9] Jarmocik E.: Równomierność oprysku w praktyce rolniczej. Zeszyty Naukowe 
A TR, Mechanika. 
[10] Kikiewicz Z., Kalwaj 1.: Modernization of hammermill in mixed feed processing. 
Międzynarodowe Sympozjum ZRNKO'95 Zagrzeb 1995. 


ENERGETICS DEVELOPMENT METHODOLOGY OF AGRICULTURE AND 
FOOD MACHINERY 


SUMMARY 


A modeling methodology applicable to energetics development of machinery is 
proposed. This methodology represents a unifield approach, in which the essential 
features of previously developed analytic and numerical models are integrated. A syste- 
matic approach underlying the methodology facilites separation of various features and 
phenomena characteristic of agriculture and food machinery in the process of model 
building.
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 
ZESZYTY NAUKOWE NR 202 - MECHANIKA (41) - 1996 


Lech M. Kamiński 


PNEUMATYCZNE STRUMIENIOWE PRZETWORNIKI 
CYFROWO-ANALOGOWE 


W pracy przedstawiono pneumatyczne elementy automatyki stosowane 
w komputerowych ukladach automatyki. Omówiono niektóre problemy przetwa- 
rzania sygnału cyfrowego na sygnał analogowy w układach pneumatycznych. 
Przedstawiono rozwiązania strumieniowych przetworników cyfrowo-analogo- 
wych. Poza tym podano przykład zastosowania elementów strumieniowych w 
układzie zasilania silnika spalinowego. Uzyskane wnioski mogą być wykorzystane 
w dalszych pracach badawczych. 


l. WPROWADZENIE 


Rozwój elektronicznej techniki komputerowej i miniaturyzacja sprzętu cyfrowego 
stwarza szerokie możliwości realizacji złożonych układów sterowania maszyn, w tym 
również obiektów ruchomych jak pojazdy, kombajny i maszyny manipulacyjne. Wyma- 
gane są jednak odpowiednie przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe 
przekazujące informację w komputerowym układzie automatyki. 
W Zakładzie Pomiarów Cieplnych i Automatyki (obecnie Katedra Sterowania 
i Konstrukcji) Wydziału Mechanicznego A TR w Bydgoszczy przy współpracy z Wy- 
działem Mechanicznym Politechniki Białostockiej wykonano szereg opracowań na 
temat pneumatycznych przetworników cyfrowo-analogowych oraz zastosowania ele- 
mentów strumieniowych w układach cyfrowych i analogowych, np. w układzie zasilania 
silnika spalinowego z zapłonem iskrowym. 
Układ automatycznej regulacji wymaga ingerencji obsługi ustalającej wartości 
zadane poszczególnych wielkości regulowanych oraz tzw. nastawy regulatorów. Dane 
te obsługa otrzymuje z jednostek analizujących przebieg procesu lub biura projek- 
towego opracowującego daną instalację. Dążenie do eliminowania bezpośredniej pracy 
ludzkiej i przerzucenia jej na odpowiednie urządzenia techniczne prowadzi do sto- 
sowania komputerów optymalizujących proces i przystosowujących go do warunków 
zewnętrznych. 
Na rys. 1 przedstawiono hierarchiczny układ automatycznej regulacji zawierający 
poza regulacją dalsze poziomy, tzn. optymalizację i adaptację. Poziom regulacji składa 
się z obiektów P i regulatorów analogowych lub cyfrowych C, które przeciwdziałają 
zakłóceniom Z i prowadzą proces zgodnie z nastawami i wartościami zadanymi 
W wielkości regulowanych otrzymanymi z poziomu optyJT1alizacji B. Poziom optymali- 
zacji B na podstawie danych uzyskanych z procesu technologicznego X oraz algorytmu 
L ustalonego przez poziom adaptacji A opracowuje nastawy regulatorów i wartości 
zadane W wielkości regulowanych. Poziom adaptacji A przy ustalaniu algorytmu opty- 
malizacji L uwzględnia przebieg procesu oraz dane zewnętrzne dotyczące otoczenia O
>>>
20 


Lech M. Kamiński 


czyli cen surowców produktów na rynku, warunki ekonomiczne stan aparatury 
procesu. 


z 


x 


Rys. I. Hierarchiczny układ automatycznej regulacji: A - poziom adaptacji, 
B - poziom optymalizacji, C - regulatory, L - algorytm optymalizacji, 
O - otoczenie, P - obiekty, W - wartości zadane, nastawy regulatorów, 
X - wielkości regulowane, Y - wielkości nastawiane, Z - zakłócenia 


Poziomy optymalizacji B i adaptacji A stanowią komputery odpowiednio opro- 
gramowane i współpracujące ewentualnie z innymi układami. Z przedstawionej struk- 
tury hierarchicznego układu automatycznej regulacji wynika, że pneumatyczne prze- 
tworniki cyfrowo-analogowe potrzebne są w miejscu sygnału W, o ile stosowane są 
pneumatyczne regulatory analogowe C lub w miejscu sygnału Y, o ile stosowane są 
regulatory cyfrowe C, a obiekty w procesie technologicznym P posiadają pneumatyczne 
urządzenia wykonawcze. 
Niektóre obiekty regulacji wymagają sterowania strumieniem gazu zgodnie z syg- 
nałami z urządzenia sterującego jak np. zasilanie silników spalinowych, turbin i niek- 
tórych instalacji przemysłowych. W tego typu obiektach można wykorzystywać zasady 
techniki strumieniowej pozwalającej eliminować mechaniczne części ruchome i zwią- 
zane z nimi niedogodności eksploatacyjne. Szersze wykorzystanie techniki strumien- 
iowej w budowie układów sterowania może doprowadzić do wyeliminowania elemen- 
tów elektronicznych, które są wrażliwe na działanie wysokich temperatur oraz pól 
elektromagnetycznych i radioaktywnych. 


2. PRZETWARZANIE CYFROWO-ANALOGOWE 


W przemysłowych układach automaty,ki w celu przetworzenia cyfrowego sygnału 
elektrycznego z układu komputerowego na analogowy sygnał pneumatyczny łączy się 
dwa przyrządy (rys. 2): elektryczny przetwornik cyfrowo-analogowy 1 i analogowy 
przetwornik elektropneumatyczny 2.
>>>
Pneumatyczne strumieniowe przetworniki ... 


21 


:
___ 
C/
 X.

2 X
 


Rys. 2. Układ przetwarzający cyfrowy sygnał elektryczny na analogowy sygnał 
pneumatyczny: l - elektryczny przetwornik cyfrowo-analogowy, 2 - analo- 
gowy przetwornik elektropneumatyczny 


Elektryczne przetworniki cyfrowo-analogowe mogą być budowarfc z odpowiednio 
dobranych rezystorów łączonych jako tzw. drabinki i pracujące w sposób dławieniowy 
[8]. Przykład tego rodzaju drabinkowego przetwornika cyfrowo - analogowego dla 3 - 
bitowego napięciowego sygnału wejściowego XI , Xz , X3 doprowadzonego na rezystory 
RI , Rz i R3 przedstawiono na rys. 3. Sygnałem wyjściowym analogowym jest napięcie x 
odbierane pomiędzy rezystorami 
 a Rs. Zakładając liniową zależność natężenia 
przepływu prądu od różnicy napięć na rezystorach (prawo Ohma) oraz, że: 
Rs = R6 = R , 


RI = R] = R3 = R4 = R7 = 2R, 


(1) 


otrzymuje się: 


I I I I l 
x = -x 2 +-xo +-x 3 +-x 2 +-x). (2) 
3 12 3 6 12 
Dobór napięć X z i Xo pozwala uzyskać żądany zakres napięcia wyjściowego x. Przy 
jednakowych wartościach napięć wejściowych XI = Xz = X3 mają one wpływ na sygnał 
wyjściowy x odpowiadający naturalnemu kodowi dwójkowemu, czyli w tym przypadku 
o 1/7, 2/7 i 4/7 zakresu. 


XZ R4 ł X R 5 R6 R7 XO 
R3 R 2 R[ 
X 3 X 2 X l 


Rys. 3. Drabinkowy przetwornik cyfrowo-analogowy: Xj, X2, XJ - cyfrowy sygnał wej- 
ściowy, x - analogowy sygnał wyjściowy, x" Xo - stałe napięcia, RI...R7 - 
rezy story 


W pracy [1] przedstawiono wyniki badań pneumatycznego przetwornika cyfrowo- 
analogowego zbudowanego wg schematu na rys. 3, przy zastąpieniu rezystorów elek- 
trycznych i napięć rezystorami pneumatycznymi i ciśnieniami powietrza. Starano się 
w tym przypadku uzyskać pneumatyczny sygnał analogowy w zakresie 20 - 100 kPa.
>>>
22 


Lech M. Kamiński 


Niestety charakterystyki przepływowe oporów pneumatycznych w podanym zakresie 
ciśnień sąnieliniowe [10, II, 14, 16, 17]. W celu uzyskania żądanych wartości ciśnienia 
wyjściowego x zróżnicowano oporności w stosunku do warunków podanych 
zależnościami (I). 
Niektóre firmy podjęły produkcję pneumatycznych przetworników cyfrowo- 
-analogowych przystosowanych do współpracy z konwencjonalną pneumatyczną apara- 
turą regulacyjną. Przykładem jest pneumatyczny mieszkowy przetwornik cyfrowo- 
-analogowy produkowany przez VEB Regelwerk Dresden przedstawiony na rys. 4 [18]. 
W przyrządzie wykorzystano elementy pneumatycznego przetwornika pomiarowego 
przy zastąpieniu czujnika układem sprężyn obciążających dźwignię równoważni I mo- 
mentem siły zależnym od wejściowego sygnału cyfrowego. Dźwignia równoważni I 
oddziałuje na dyszę 5 kaskady sterującej i wzmacniacz wyjściowy 7. Ciśnienie wy- 
jściowe py wzmacniacza 7 stanowi analogowy sygnał wyjściowy przetwornika i do- 
prowadzone jest do mieszka sprzężenia zwrotnego 6. Moment obrotowy od siły w mi- 
eszku 6 równoważy momenty obrotowe od sił sprężyn 2. Ciśnienia wejściowe Xi przez 
elementy negacji i siłowniki 4 dołączają sprężyny 2 do dźwigni I. Jeśli brak jest 
ciśnienia w kanale Xi , to następuje podniesienie tłoka w siłowniku 4, dźwigni 8, łącznika 
3 i odłączenie sprężyny 2 od dźwigni I. Jedna ze sprężyn 2 służy do zerowania przyr- 
ządu. Siły sprężyn 2 oraz ramiona ich działania na dźwigni I są tak dobrane, aby 
zapewnić momenty obrotowe o wartościach zgodnych z naturalnym kodem dwójkowym 
wejścia cyfrowego oraz wartości ciśnienia wyjściowego py przetwornika w zakresie 
20 - 100 kPa. Przetwornik pracuje poprawnie przy stosunkowo szerokich tolerancjach 
sygnału wejściowego ("O" - O - 20 kPa, "I" - 80 - I 00 kPa). 


5 


-- 


I 
t Pz 


Rys. 4. Pneumatyczny mieszkowy przetwornik cyfrowo-analogowy: 
a) schemat równoważni, b) układ włączania sprężyn
>>>
Pneumatyczne strumieniowe przetworniki ... 


23 


3. STRUMIENIOWE PRZETWORNIKI CYFROWO-ANALOGOWE 


Technika strumieniowa stwarza szerokie możliwości budowy przyrządów cyfro- 
wych, w tym również przetworników cyfrowo-analogowych. Szczególnie korzystne jest 
stosowanie techniki strumieniowej w zakresie niskich nadciśnień rzędu do 1,5 kPa, 
natomiast trudne jest zbudowanie przyrządu pracującego w zakresie ciśnień normalnie 
stosowanych w przemysłowych układach automatyki. 
W Zakładzie Pomiarów Cieplnych i Automatyki podjęto w latach 1973-1975 pra- 
ce nad wykorzystaniem techniki strumieniowej w przetwarzaniu sygnału cyfrowego na 
sygnał pneumatyczny w zakresie 20-100 kPa [2]. Na zlecenie Przemysłowego Instytutu 
Automatyki i Pomiarów w Warszawie po przeanalizowaniu szeregu możliwych roz- 
wiązań opracowano i wykonano prototyp pneumatycznego 5-cio bitowego przetwornika 
cyfrowo-analogowego z komparatorem strumieniowym (rys. 5). W przetworniku zasto- 
sowano pneumatyczny wzmacniacz 2 przełączny dwustanowo sygnałem y z kompara- 
tora I. Wzmacniacz 2 ładuje lub rozładowuje komorę 3 do żądanego ciśnienia wy- 
jściowego py w zakresie 20 - 100 kPa, które mierzone jest manometrem 4 z tarczą 
kodową 5 w kodzie Graya przysłaniającą dysze 6 nadające niskociśnieniowy sygnał 
cyfrowy s\, S2,"SS sprzężenia zwrotnego podawany do komparatora l. W komparatorze I 
zbudowanym z elementów strumieniowych systemu INTEFLUID-SPAS, porównywany 
jest niskociśnieniowy pneumatyczny cyfrowy sygnał wejściowy x\, X2,..XS w naturalnym 
kodzie dwójkowym z sygnałem sprzężenia zwrotnego z manometru 4 [4]. Przetwornik 
pracował poprawnie i spełniał stawiane wymagania. 


X I 
X 2 
Xn 


3 


L 


Rys. 5. Pneumatyczny przetwornik cyfrowo-analogowy z komparatorem strumienio- 
wym: I - komparator, 2 - wzmacniacz, 3 - komora, 4 - manometr, 5 - tarcza 
kodowa, 6 - dysze
>>>
24 


Lech M. Kamiński 


G 


H M H 'vi H D 
r r i r 
x I X 2 Xn 



 


Rys. 6. Schemat przetwornika cyfrowo-analogowego z modulacją szerokości impul- 
sów prostokątnych: G - generator, M - modulator, W - przerzutnik mono- 
stabilny, D - demodulator 


Przetwarzanie sygnału cyfrowego na sygnał analogowy można uzyskać przez mo- 
dulowanie szerokości (czasu trwania) impulsów prostokątnych [3, 5, 6]. Schemat przet- 
wornika z modulacją szerokości impulsów prostokątnych przedstawiono na rys. 6. 
Pneumatyczne impulsy prostokątne z generatora G są modulowane cyfrowym sygnałem 
wejściowym x), X2, ",x n w modulatorze strumieniowym M, a następnie wzmacniane 
w przerzutniku monostabilnym W. Impulsy o modulowanej szerokości wprowadzane są 
na demodulator D (filtr), który może stanowić kaskada pneumatyczna. Ciśnienie wy- 
jściowe Py zależne jest od szerokości impulsów wprowadzanych na filtr. Przedstawiony 
przetwornik cyfrowo-analogowy z modulacją szerokości impulsów nie posiada żadnych 
mechanicznych części ruchomych, co stanowi szczególnie cenną zaletę. 
Strumieniowy cyfrowy modulator szerokości impulsów prostokątnych może być 
rozwiązany w sposób przedstawiony na rys. 7a, jeśli zostaną użyte przerzutniki mono- 
stabilne i komory opóźniające o czasach opóźnienia t, , t 2 , ...t" dobrane zgodnie z natu- 
ralnym kodem dwójkowym. Na wyjściu modulatora należy umieścić układ logiczny 
realizujący funkcję "zakaz przez b" dla sygnałów a (impulsy z generatora drgań pros- 
tokątnych) i b (impulsy opóżnione w modulatorze). Przebiegi ciśnień w wybranych 
miejscach modulatora przedstawiono na rys. 7 b. 
Przedstawiony strumieniowy modulator z przerzutnikami monostabilnymi z po- 
wodzeniem może pracować w zakresie nadciśnień rzędu 30 kPa, a to pozwala zrea- 
lizować przetwornik cyfrowo-analogowy z sygnałem wyjściowym 20-100 kPa przy 
wykorzystaniu odpowiedniego sumatora ciśnień [7, 9]. Można użyć dwu strumie- 
niowych przetworników cyfrowo-analogowych z modulatorami MI i M 2 , jak przed- 
stawia to rys. 8, jeśli sumator S pracuje wg zależności: 
Py=PI+2P2, (3) 


gdzie: 
Py 
p), P2 


- ciśnienie wyjściowe przetwornika cyfrowo-analogowgo; 
- ciśnienia wyjściowe przetworników strumieniowych wprowadzane do su- 
matora S.
>>>
Pneumatyczne strumieniowe przetworniki .., 


25 


b) 


[""'ffi 
 


y 


a 


Rys. 7. Strumieniowy cyfrowy modulator szerokości impulsów prostokątnych: 
a) schemat, b) przebiegi ciśnień 


Py: PI. 2 Pc 


s 


-") -6 1 7 II 


Rys. 8. Przetwornik cyfrowo-analogowy z pneumatycznym mieszkowym sumatorem 
ciśnień 


4. STRUMIENIOWY UKŁAD ZASILANIA SILNIKA SPALINOWEGO 


Na rys. 9 przedstawiono schemat strumieniowego układu zasilania silnika spali- 
nowego z zapłonem iskrowym opracowany na podstawie patentu USA Nr 3.574.346 
Fuel System The Bendix Corporation [12, 13]. Układ składa się z pięciu wzmacniaczy 
\,2,3,4 i 5, pneumatycznych kaskad korekcyjnych (dławiki i komory 7... 18) pracu- 
jących na podciśnieniu z kolektora dolotowego, z czujników ciśnienia otoczenia 20, 
temperatury otoczenia 22 i temperatury silnika 2\, wtryskiwacza 6 i przewodów 
łączących. Wzmacniacze strumieniowe zasilane są paliwem z pompy 23, a wymagana 
dawka paliwa korygowana w zależności od temperatury otoczenia przez dławik 7 
dostarczana jest do wtryskiwacza 6 w kolektorze ssącym. Podciśnienie w zwężce Ventu- 
riego zależne od otwarcia przepustnicy 19 i ilości dostarczanego powietrza do silnika 
steruje strumieniowym wzmacniaczem I, a ten wzmacniaczami 2 i 3. Wzmacniacze 1,2
>>>
26 


Lech M. Kamiński 


i 3 realizują pożądaną charakterystykę dozowania paliwa w zakresie średnich obciążeń 
silnika. 
Wzbogacanie mieszanki przy dużej prędkości obrotowej wału silnika (uzyskanie 
mocy maksymalnej) realizowane jest za pomocą wzmacniacza 4. Dławik 14, połączony 
z ciśnieniem zasilającym, pozwala uzyskać odpowiednie ciśnienie podporowe odchyla- 
jące strumień główny wzmacniacza 4 i przepływ paliwa do zbiornika. Drugie wyjście 
tego wzmacniacza połączone jest z dwoma kanałami sterującymi wzmacniacza 2 i dła- 
wi strumień paliwa dostarczanego do silnika. Pełne otwarcie przepustnicy powoduje 
zmniejszenie efektu dławienia strumienia wzmacniacza 4, co prowadzi do zmniejszenia 
efektu dławienia strumienia wzmacniacza 2 i wzbogacenie mieszanki. 
Tzw. "pompkę przyspieszającą" zrealizowano za pomocą układu kaskadowego 
złożonego z dławików 12 i 13 oraz komory 18. Gwałtowne otwarcie przepustnicy 
powoduje powstanie różnicy podciśnień sterujących wzmacniacza I, co prowadzi do 
okresowego wzbogacenia mieszanki. Po zatrzymaniu przepustnicy 19 w dowolnym po- 
łożeniu podciśnienia w pierwszej parze wejść sterujących wzmacniacza 1 się wy- 
równują. 
Dozowanie paliwa na biegu jałowym zapewnia korekcyjny układ kaskadowy 
z dławikami 8,9, 10 i 11, gdyż podciśnienie w zwężce Venturiego jest za małe do wy- 
sterowania wzmacniacza I. Przy całkowicie zamkniętej przepustnicy powstaje znaczne 
podciśnienie przed dławikiem 8, które przez układ dławików 8, 9, 10 i II oddziałuje na 
wejście sterujące wzmacniacza I zapewniając wymagany skład mieszanki. Intensywność 
tego oddziaływania zapewnia dławik 9. Dławik 10 koryguje ilość paliwa w zależności 
od temperatury silnika, a dławik 11 - w zależności od ciśnienia otoczenia. Niezbędna 
ilość powietrza przy biegu jałowym (niezbędna prędkość obrotowa wału korbowego) 
ustalana jest za pomocą dławika 17. Zwiększenie otwarcia przepustnicy 18 powoduje 
wyłączenie się z pracy dławików 8 oraz 9 i zaprzestanie działania korekcyjnego układu 
kaskadowego biegu jałowego. 


,------ 
: lfj l2 18 
I 
ł 'I 
I 
- ,I 
I: 


Rys. 9. Strumieniowy układ zasilania silnika spalinowego
>>>
Pneumatyczne strumieniowe przetworniki ... 


27 


Korekcję dawki paliwa przy gwałtownym zmniejszeniu mocy silnika zapewnia 
monostabilny wzmacniacz 5, współpracujący ze wzmacniaczem 3. 
Przedstawiony układ zasilania silnika może być przystosowany zarówno do paliwa 
ciekłego, jak i gazowego. Istnieją szerokie możliwości kształtowania charakterystyk 
układu zasilania i przystosowania go do wszelkich wymagań. Istotną zaletą omawianego 
układu jest bezpośrednie sterowanie czynnikami procesu tzn. paliwem i powietrzem, co 
gwarantuje krótsze czasy reakcji na zmiany niż w przypadku pośrednictwa zaworu elek- 
tromagnetycznego i innych elementów sterujących. 


5. WNIOSKI 


Przedstawione rozwiązania przyrządów pneumatycznych świadczą o szerokich 
możliwościach rozwoju j zastosowania pneumatyki w komputerowym sterowaniu 
maszyn. Szczególnie interesująco zapowiada się realizacja przyrządów przetwarza- 
jących sygnały cyfrowe przy wykorzystaniu modulacji szerokości impulsów. Przyrządy 
tego typu zapewniają wysoką dokładność niezależnie od czasu eksploatacji. Żądany czas 
opóźnienia uzyskiwany jest przez odpowiednią objętość komory, a nie oporność 
dławika, która może zmieniać się wskutek zanieczyszczeń. Z tego względu wszelkie 
rozwiązania typu drabinkowego wydają się mniej przydatne. Interesująco zapowiadają 
się również rozwiązania bezpośredniego sterowania obiektami, bez energii pomocniFzej 
jak np. strumieniowy układ zasilania silnika spalinowego. W przedstawionym rozwiąza- 
niu posiada on jednak układy korekcyjne z dławikami o odpowiednich opornościach 
i w związku z tym należy spodziewać się utraty dokładności w czasie eksploatacji. 
Należy więc opracować układ, w którym własności korekcyjne będą zależne od ob- 
jętości komór, a nie oporności dławików. Wówczas układ będzie posiadał stałą dokład- 
ność w czasie eksploatacji, co przy wyeliminowaniu mechanicznych części ruchomych 
i braku opóźnień w działaniu oraz odporności na ciężkie warunki ruchowe zapewni mu 
zastosowanie. 


LITERATURA 


[l] Kamiński L.M., Golik A., Smoleński 1.: Pneumatyczny kaskadowy przetwornik 
cyfrowo-analogowy. Prace VI Krajowej Konferencji Automatyki, Poznań 9-11 
września 1974 r. tom II s. 98-102. 
[2] Kamiński L.M., Golik A., Peszyński K., Smoleński 1., Gawda M., Olszewski W.: 
Pneumatyczny strumieniowy przetwornik cyfrowo-analogowy. Praca badawcza dla 
Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów w Warszawie Al. Jerozolimskie 
202, nr ew. BZ-12/74, 1973-1974, nr problemu 03.01.06. 
[31 Kamiński L.M., Siemieniako F.: Mechaniczny generator pneumatycznych impul- 
sów prostokątnych o modulowanej szerokości. Prace Naukowe Instytutu Konstruk- 
cji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskiej nr 30, Konferencje Nr 4/1975 

. 259-266. VI Ogólnopolska Konferencja Teorii Maszyn i Mechanizmów, 
Swieradów 15-) 8 września 1975. 
[4] Kamiński L.M.: Pneumatyczny przetwornik cyfrowo-analogowy z komparatorem. 
Pomiary Automatyka Kontrola Nr 11/1976 s. 407-408.
>>>
28 


Lech M. Kamiński 


[5] Kamiński L.M.: Analityczne wyznaczanie odpowiedzi pneumatycznych układów 
kaskadowych na wymuszenie ciągiem impulsów prostokątnych. Zeszyty Naukowe 
Politechniki Białostockiej nr ] 6/] 977 Nauki Techniczne Mechanika s. 273-284. 
[6] Kamiński L.M.: Pneumatyczny cyfrowy modulator szerokości impulsów. Patent 
Tymczasowy 91046 opublikowany 30.11.1977. 
[7] Kamiński L.M., Golik A.: Sposób sumowania sygnałów mechanicznych szcze- 
gólnie cyfrowych. Patent Tymczasowy 95751 opublikowany 31.05.1978. 
[8] Kamiński L.M.: Pneumatyczne przetworniki cyfrowo-analogowe. Bydgoskie 
Towarzystwo Naukowe. Prace Wydziału Nauk Technicznych Seria B 1978 Nr 10 
s. 57-65. 
[9] Kamiński L.M.: Mieszkowy sumator pneumatyczny jako zespół wyjściowy stru- 
mieniowego przetwornika c/a. l Konferencja - Pneumatyczne Elementy Auto- 
matyki, Warszawa 19-2] wrzesień 1979 Instytut Automatyki Przemysłowej Po- 
litechniki Warszawskiej, s. ]20-] 23. 
[10] Kamiński L.M.: Teoria kaskad płyn owych jako elementów maszyn i mechaniz- 
mów. IX Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Dydaktyczna Teorii Maszyn i Me- 
chanizmów, Kraków 2-3 XII ]982, materiały konferencyjne s. 83-87. 
[I]] Kamiński L.M.: Rozkład ciśnień w pneumatycznej kaskadzie wielokomorowej. 
IX Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Dydaktyczna Teorii Maszyn i Mechaniz- 
mów. Kraków 2-3 XII 1982, materiały konferencyjne s. 114-118. 
[12] Kamiński L.M., Żdanuk W.: Opracowanie i badania modelu strumieniowego 
wzmacniacza analogowego jako wtryskowego układu zasilania silników zj. Kon- 
ferencja naukowo-techniczna - Pojazdy Samochodowe, Problemy postępu i roz- 
woju AUTO PROGRES' 83/84, sekcja II Problemy konstrukcji silników, podwozi 
i nadwozi samochodów, Jadwisin styczeń ] 984, s. 4] - 43. 
[13] Kamiński L.M., Żdanuk W.: Strumieniowy układ zasilania wtryskowego silnika zj. 
Auto-Technika Motoryzacyjna nr 3/1985 s. 14-16. 
[14] Kamiński L.M.: Obliczanie ciśnień w kaskadzie pneumatycznej. Zeszyty Naukowe 
Politechniki Śląskiej 1987 seria Mechanika, zeszyt 85 Nr kol. 10] O s. 99-106. XI Ogól- 
nopolska Konferencja Teorii Maszyn i Mechanizmów, 27-30. 04.] 987 Zakopane. 
[15] Kamiński L.M.: Siłownik pneumatyczny o ruchu aperiodycznym Zeszyty Naukowe 
Politechniki Śląskiej Nr 1027/1989, z 92, s. 75-80. 
[16] Kamiński L.M.: Charakterystyka przepływowa oporu pneumatycznego. Vll1 
Konferencja PNEUMATYKA' 94 - Sterowanie i pomiary w przemyśle, Wrocław 
1994 - Prace Naukowe Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów 47, seria: 
Konferencje 8, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1994, s. 85-89. 
[17] Kamiński L.M.: Współczynniki wzmocnienia pneumatycznej kaskady proporcjon- 
alnej. VIII Konferencja Krajowa "Mechanika Płynów" Białystok-Białowieża 05- 
09.09.1988, t. I, s. 341-346. 
[18] Schrepel D., Schwarz A.: pneumatic analog / digital - und digital / analog - umset- 
zer, Messen Steuern Rege]n, H ]2/1968, s. 446-469. 
[19] Siemieniako F.: Demodulacja impulsów prostokątnych w pneumatycznych kas- 
kadach dwukomorowych. Praca doktorska. Politechnika Warszawska 1975. 
[20] Werszko M.: Demodulacja pneumatycznych sygnałów częstotliwościowych za 
pomocą wzmacniaczy turbulizujących. Prace Naukowe Instytutu Techniki Cieplnej 
i Mechaniki Płynów politechniki Wrocławskiej, Nr II, Wrocław] 974.
>>>
Pneumatyczne strumieniowe przetworniki". 


29 


PNEUMATIC FLUIDICS mGITAL - TO - ANALOG CONVERTERS 


SUMMARY 


The paper describes pneumatic elements for computer controi systems. Some 
digital to analog transformation conceptions used in pneumatic systems are considered. 
There are schown solutions of the digital to analog fluidic converters. Apart from this 
the pap er presents a example application fluidic elements to carburettor system of inter- 
nal combustions engine. The results obtained may be used for new research works.
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 
ZESZYTY NAUKOWE NR 202 - MECHANIKA (4]) - 1996 


Hubert Latoś 


KIERUNKI PRAC KATEDRY TECHNOLOGII MASZYN ATR 


I. WPROWADZENIE 


Technologia maszyn jest częścią technologii budowy maszyn i na ogół nie obej- 
muje występujących tam zagadnień związanych z projektowaniem i konstruowaniem 
maszyn. Należy ona do nauk, których osiągnięcia są bezpośrednio stosowane w wytwa- 
rzaniu i usługach. Dlatego to, co uznaje się niekiedy w danej chwili za jej kanony, 
zmienia się w tempie proporcjonalnym do tempa postępu w technice wytwarzania ma- 
szyn i usług związanych z maszynami oraz tempa zmian samych maszyn. Ciągle po- 
wstają nowe sposoby wytwarzania zwiększające możliwości technologiczne wytwarza- 
nia, bez likwidacji dotychczasowych sposobów. 
Katedra Technologii Maszyn (KTM) obejmuje dydaktycznie i badawczo, ogólną 
technologię materialnego wytwarzania wszelakich maszyn wraz z projektowaniem pro- 
cesów i związków występujących podczas tego wytwarzania. W wyniku rozwoju histo- 
rycznego w wielu uczelniach, katedry technologii maszyn obejmują także niektóre tech- 
niki szczegółowe lub inne przedmioty, bezpośrednio związane z technologią maszyn i 
ją wspomagające. WATR Bydgoszcz przedmiotami takimi są, zgodnie z kolejnością 
występowania w planach studiów: 
- metrologia techniczna, głównie pomiary długości i kąta; 
- obróbka za pomocą skrawania i narzędzia skrawające; 
- przetwórstwo i obróbka tworzyw sztucznych; 
- zarządzanie i marketing; 
- systemy zapewnienia jakości. 
W rozwoju historycznym, w ATR były okresy, gdy niektóre z wymienionych 
grup przedmiotów realizowały istniejące wtedy inne samodzielne zakłady. Był także 
okres, gdy KTM obejmowała przedmioty związane z obrabiarkami. W dalszej części 
omawiane będą tylko prace związane z aktualnym zakresem przedmiotów dydaktycz- 
nych realizowanych przez nauczycieli akademickich KTM. 


2. DOTYCHCZASOWE PRACE 


W początkowym okresie istnienia zespołu z zakresu technologii maszyn, nauczy- 
ciele akademiccy oprócz dydaktyki zajmowali się pracami projektowymi z zakresu ob- 
róbki skrawaniem, a także projektowaniem i wykonawstwem urządzeń na użytek innych 
pracowni Wyższej Szkoły Inżynierskiej i zakładów regionu. W tym czasie wykonywano 
między innymi:
>>>
32 


Hubert Latoś 


- urządzenia laboratoryjne dla laboratorium celulozy Wyższej Szkoły Inżynier- 
skiej w Bydgoszczy; 
- obrabiarkę zespołową wraz z oprzyrządowaniem dla Zakładów Wytwórczych 
Sprzętu Instalacyjnego A-4 w Nakle, obecnie POLA M-Nakło S.A.; 
- oryginalne gwintowniki do gwintów trapezowych dla Fabryki Maszyn Rolni- 
czych "Unia" w Grudziądzu. 
Pod koniec lat 60, w Polsce, zrównano warunki awansu naukowego w naukach 
praktycznych z naukami teoretycznymi. Zmiany te dotyczyły głównie nauk nie będacych 
typowymi dla uniwersytetów, w tym dotyczyły nauk technicznych. Z jednej strony za- 
hamowało to przyjmowanie na stanowiska nauczycieli akademickich w naukach tech- 
nicznych ludzi o dużym, dobrym doświadczeniu przemysłowym, lecz bez stopni nauko- 
wych, z drugiej strony wytworzyło konieczność realizowania prac doktorskich w na- 
ukach praktycznych przez osoby już zatrudnione na stanowiskach nauczycieli akade- 
mickich. Realizacja tego drugiego postulatu zbiegła się z wprowadzeniem wATR Byd- 
goszcz jednolitych dziennych studiów magisterskich. 
Praktycznie, do tej pory w Polsce nie zmieniono, nie przystającego do nauk prak- 
tycznych, nie stosowanego w krajach o przodującej technice, systemu kreowania aka- 
demickich kadr nauczycielskich. Zmiany systemu kreowania i rozwoju nauczycieli aka- 
demickich szczególnie silnie dotknęły przedmioty praktyczne, w tym technologię ma- 
szyn i przedmioty z nią bezpośrednio związane. Spowodowało to także znaczący wzrost 
kosztów utrzymania kadry, który musiał teraz uwzględniać inny, wyższy koszt jej roz- 
woju naukowego. 
W tym czasie, dla ograniczenia rosnących kosztów badań w obróbce za pomocą 
skrawania, opracowano w Polsce system zakładający podział tematyki badań z punktu 
widzenia materiału obrabianego. Dzięki staraniom ówczesnego kierownika zespołu 
technologii maszyn prof.dr inż. Mieczysława Felda, udało się wtedy pozyskać dla KTM 
do wieloletnich, wielowątkowych badań - stopy aluminium. W ramach tej tematyki 
opracowano normatywy różnych sposobów skrawania stopów Al oraz zrealizowano 
cztery prace doktorskie i umocniono Katedrę Technologii Maszyn na naukowej mapie 
obróbki skrawaniem w Polsce. 
W okresie tym badania prowadzono jako badania własne lub zlecone. Główny 
efekt badań własnych to zakończonych dwadzieścia przewodów doktorskich i jeden 
habilitacyjny. Załączone w dalszej części tego opracowania zestawienie prac dysertacyj- 
nych pozwala zorientować się w tematyce szczegółowej prezentowanej przez poszcze- 
gólnych nauczycieli. W większości badania prowadzono na zlecenie jednostek ze- 
wnętrznych i to głównie w dwóch grupach tematycznych związanych z: 
- technologią obróbki skrawaniem; 
- przetwórstwem i obróbką tworzyw sztucznych. 
Uzupełnieniem tych badań były badania w 7..akresie: nagniatania, marketingu i za- 
rządzania oraz analizy wymiarów tolerowanych. 
Poniżej zestawiono tematykę ważniejszych prac na zlecenie jednostek zewnętrz- 
nych.
>>>
Kierunki prac katedry ... 


33 


a. Prace koordynowane w ramach RWPG 


Badanie ostrzy z określeniem poboru mocy modułowych urządzeń do rozdrabnia- 
nia kabli. Zadanie w ramach międzynarodowego programu badań RWPG: INTERE- 
LEKTRO, temat nr 4.35: Sozdanie kompleksa specjal'nogo technologiceskogo oboru- 
dovanija na baze gibkogo proizvodstel'nogo modulja dlja razdekenija otchodov kabel- 
nogo proizvodstva na sostavljanuscie komponenty. Praca dla Biura Studiów 
i Projektów Przemysłu Kablowego "BIPROKABEL" w Bydgoszczy. Zakończono 
w 1988 roku. 


b. Prace koordynowane centralnie 


· Opracowanie normatywów warunków obróbki stopów aluminium. Badania i opra- 
cowanie wyników badań. W ramach problemu resortowego 1.105 , temat FIS-584/1 
na zlecenie Instytutu Obróbki Skrawaniem w Krakowie. Zakończono w 1975 r. 
· Określenie charakterystyk skrawalności i normatywów przy toczeniu i frezowaniu 
żeliwa sferoidalnego. W ramach problemu węzłowego 05.1.5. poz. 13.0Id, na zlece- 
nie Instytutu Odlewnictwa w Krakowie. Zakończono w 1975 r. 
· Opracowanie normatywów warunków obróbki dla automatów, półautomatów wie- 
lowrzecionowych. W ramach problemu węzłowego 05.1.4-6, na zlecenie Instytutu 
Obróbki Skrawaniem w Krakowie. Zakończono w 1981 roku. 
· Zastosowanie i ocena przydatności tworzyw sztucznych do aplikatorów dozujących 
preparaty płynne do konserwacji pasz. W ramach programu rządowego PR- I, pod- 
problem kierunkowy 5 poz. U.5.4.4 na zamówienie Instytutu Zootechniki A TR 
w Bydgoszczy. Zrealizowana w latach 1981-1985. 
· Opracowanie technologij elementów z tworzyw sztucznych do przetworników ultra- 
dźwiękowych systemu "FLAMING A". W ramach Centralnego Programu Badań 
Rowojowych 12.07 na zamówienie Politechniki Gdańskiej w latach 1986-1990. 
· Wartwy dopasowujące z tworzyw sztucznych dla przetworników szerokopasmo- 
wych. W ramach Centralnego Programu Badań Rozwojowych 02.16.4 na zamówie- 
nie Instytutu Telekomunikacji Politechniki Gdańskiej w latach 1987- I 990. 
· Rozwój podstaw teoretycznych i doświadczalnych obróbki skrawaniem powierzchni 
kształtowych. Zadanie 02.02.03 w Centralnym Programie Badań Podstawowych 
02.04, koordynowane przez Politechnikę Wrocławską. Realizowana w latach 1986- 
-1990. 


c. Prace bezpośrednio dla podmiotów gospodarczych 


· Optymalizacja warunków skrawania odlewów ze stali wysokomanganowej. Praca dla 
Pomorskich Zakładów Budowy Maszyn "Zremb-Makrum" w Bydgoszczy. Zrealizo- 
wano w latach 1968-1972. 
· Lamanie wiórów o dużych przekrojach przy toczeniu materiałów trudnoskrawalnych. 
Praca dla Pomorskich Zakładów Budowy Maszyn "Zremb-Makrum" w Bydgoszczy. 
Zrealizowano w latach 1973-1974. 
· Obróbka wysokomanganowego staliwa austenitycznego z podgrzewaniem za pomo- 
cą łuku elektrycznego. Praca dla Pomorskich Zakładów Budowy Maszyn "Zremb- 
Makrum" w Bydgoszczy. Zrealizowano w latach 1974- I 978.
>>>
34 


Hubert Latoś 


· Opracowanie technologii mechanicznego gładzenia ostrzy noży krajarki włókna 
WK-7. Praca dla Zakładów Włókien Sztucznych "Chemitex-ELANA" - Toruń. Za- 
kończona w 1974 roku. 
· Analiza wymiarowa oryginalną autorską probabilistyczną metodą kombinacyjną: 
- wolnobiegu czterorzędowego; 
- połączenia klinowego osi mechanizmu korbowego z korbą rowerową; zwisu łań- 
cucha rowerowego. 
Prace dla Zakładów Rowerowych PREOOM-ROMET w Bydgoszczy. Zakończone 
w 1974 roku. 
· Optymalizacja narzędzi i parametrów wykonania otworu gwintowego M4, nieprze- 
lotowego, w stopach PA4 i ZNAL. Praca dla Fabryki Akcesoriów Meblowych 
w Chełmnie. Zakończona w 1975 roku. 
· Studium w zakresie procesu produkcji kapitalnych remontów obrabiarek. Praca dla 
Kombinatu Gospodarki Parkiem Obrabiarek, Zakład Remontowy Obrabiarek w Ko- 
ronowie. Zakończona w 1976 roku. 
· Optymalizacja i unifikacja konstrukcji i wykonania: matryc i patryc wytłaczarek oraz 
tulejek prowadzących skręcarek. Praca dla Bydgoskiej Fabryki Kabli. Zakończona w 
1976 roku. 
· Optymalizacja wykonania gwintów M4 i M5 w otworach korpusu przerzutki z mate- 
riału AKl!. Praca dla Zakładów Rowerowych PREOOM-ROMET w Bydgoszczy. 
Zakończona w 1976 roku. 
· Nowe układy grzcwcze wytłaczarek. Praca dla OBR "METALCHEM" w Toruniu. 
Zrealizowana w latach 1975-1978. 
· Toczenie wzdłużne na automacit; tokarskim, nożami o skośnej prostoliniowej kra- 
wędzi skrawającej bez naro7
. Praca dla Zakładów Radiowych EL TRA, Zakład 
w Gniewie. Zakończona w 1978 roku. 
· Analiza wymiarowa oryginalną autorską probabilistyczną metodą kombinacyjną ram 
rowerowych wszystkich typów produkowanych w Zakładach. Praca dla Zakładów 
Rowerowych PREDOM-ROMET w Bydgoszczy. Zakończona w 1979 roku. 
· Obliczenie bicia osiowego koła łańcuchowego z piastą motorowcrową. Praca dla Za- 
kładów Rowerowych PREDOM-ROMET w Bydgoszczy. Zakończona w 1981 roku. 
. Optymalizacja procesu wiercenia głowicami wielowrzecionowymi w cyklu automa- 
tycznym. Praca dla Nakielskich Zakładów Maszyn i Urządzeń Gastronomicznych 
"SPOMASZ". Zakończono w 1984 roku. 
. Dobór warunków obróbki kół zębatych o dużych modułach. Praca dla Pomorskich 
Zakładów Budowy Maszyn w Bydgoszczy. Zrealizowano w latach 1983- I 985. 
. Urządzenia i narzędzia do wirowego frezowania gwintów: 
urządzenie WIG-I, dla Pomorskich Zakładów Budowy Maszyn w Bydgoszczy. 
Zakończono w 1983 roku; 
- urządzenie WIG-2, dla Pomorskich Zakładów Budowy Maszyn w Bydgoszczy. 
Zakończono w 1984 roku; 
urządzenie i technologia WIG-3, dla PONAR-REMO w Koronowie. Zakończono 
w 1985. 
. Analiza organizacji i techniki montażu sygnałów samochodowych. Praca dla Bydgo- 
skich Zakładów Elcktrochemicznych "BELMA" w Bydgoszczy. Zakończono 
w 1985 roku. 
. Opracowanie wybranych elementów procesu wytwarzania rdzeni z tworzywa sztucz-
>>>
Kierunki prac katedry ... 


35 


nego do węży ciśnieniowych. Praca dla Bydgoskich Zakładów Przemysłu Gumowe- 
go "STOMIL". Zrealizowana w latach \984-\986. 
. Półautomatyczna obrabiarka do obcinania uszczelek gumowych do tłoczków hamul- 
cowych samochodu osobowego Moskwicz (nowy model). Wyeksportowano do 
ZSRR na zlecenie METALEXPORTU. Zakończono w 1986 roku. 
. Opracowanie konstrukcji, technologii i wykonanie jednolitych frezów ślimakowych 
m=20 mm i m=24 mm z materiałów krajowych. Praca dla Pomorskich Zakładów 
Budowy Maszyn w Bydgoszczy. Zakończona w \987 roku. 
. Badania elementów przetwornika hydroakustycznego do systemu "FLAMING B". 
Praca dla Gdańskich Zakładów Elektronicznych "TEL KOM- TELMOR" w latach 
\987-\989. 
. Skrawanie wypływki "in statu nascendi" przy zgrzewaniu tarciowym czół prętów 
p.t.: Opracowanie i wykonanie urządzeń do usuwania wypływki przy zgrzewaniu 
tarciowym wierteł krętych dla Huty Baildon, dla wszystkich wierteł średnich rozmia- 
rów produkowanych w Hucie Baildon. Wdrożono od \988 roku. 
. Racjonalizacja metod obróbki kół zębatych o dużych modułach w Pomorskich Za- 
kładach Budowy Maszyn w Bydgoszczy: 
- obróbka kół zębatych frezami o wymiennych ostrzach. Zakończona w \987 roku, 
- obróbka kół zębatych frezami o wymiennych wkładkach i ostrzach. Zakończona 
w \989 roku, 
- obróbka kół zębatych frezami trzpieniowymi o ostrzach prostokreślnych. Zakoń- 
czono w \990 roku. 
. Modernizacja obróbki powierzchni kształtowych w Pomorskich Zakładach Budowy 
Maszyn w Bydgoszczy. Wdrożono w \99\ roku. 
. Ostrzenie narzędzi skrawajacych ściernicami z materiałów supertwardych. Praca dla 
Pomorskich Zakładów Budowy Maszyn w Bydgoszczy w \993. 
. Badania kształtu mniej iskrzących żeliwnych wstawek klocków hamulcowych do 
pojazdów szynowych. Praca dla Zakładów Naprawczych Taboru Kolejowego 
w Bydgoszczy. Zakończono w \994 roku. 


3. PRACE AKTUALNIE PROWADZONE 


Biorąc pod uwagę: 
- różnorodność tematyczną dydaktyki wynikającą z planu studiów i obserwowa- 
nego rozwoju techniki; 
- zaawansowanie naukowe różnych zespołów badawczych KTM i możliwość 
formułowania przez nich własnych sądów; 
- możliwość realizacji badań na współczesnym poziomie techniki; 
- możliwość uzyskania satysfakcji przez realizatorów badań; 
zagadnieniem trudnym było wyłonienie ogólnej tematyki wiodącej w badaniach KTM. 
W wyniku szeregu dyskusji wykreowano niżej podane problemy badawcze zawie- 
rające szereg zagadnień i zadań, co uwzględniono w badaniach statutowych i własnych 
KTM. Badania te uzupełniane są grantami autorskimi finansowanymi przeaz Komitet 
Badań Naukowych.
>>>
36 


Hubert Latoś 


a. Badania wlasne KTM obejmuje ogólny tytuł: Badania i analizy warunków kształto- 
wania przedmiotów. Dzieli się on na zagadnienia związane zarówno ze specyfiką pro- 
wadzonej dydaktyki, jak i zainteresowaniami naukowymi nauczycieli na: 
- kształtowanie właściwości materiałów i pomiar cech charakteryzujących te 
właściwości, 
- badanie przetwarzalności tworzyw kompozytowych o specjalnych właści- 
wościach, 
- badanie zależności pomiędzy wielkością ziarna nadawy a efektami rozdrob- 
nienia materiału kruchego w młynie spiralno-strumieniowym, 
procesy kształtowania powierzchni i pomiary parametrów oraz cech towarzy- 
szących kształtowaniu, 
- badanie procesu skrawania z jednocześnie zmiennymi, dużymi kątami na- 
tarcia i pochylenia głównej krawędzi skrawającej, 
- analiza emisji akustycznej podczas toczenia ostrzem ze zmienną geometrią, 
zarządzanie procesem kształtowania przedmiotów, 
- opracowanie metody sterowania jakością, opartej na idei stosowanych już 
kart kontrolnych, wolnych od założenia o normalności rozkładu, 
- implementacja systemów eksperckich i sieci neuronowych do problemów 
diagnozowania i zarządzania procesem kształtowania przedmiotów, 
- implementacja aplikacji z wykorzystaniem metodyki CASE. 


b. Badania statutowe KTM prowadzone są pod ogólnym tytułem: Badanie granicznych 
warunków powstawania ubytków materiału podczas skrawania. Dzielą się one na nastę- 
pujace zagadnienia i zadania: 
- badanie zagadnień ogólnych i granicznych warunków powstawania ubytku 
materiału; 
- badanie zakresów zastosowań poszczególnych sposobów kształtowania po- 
wierzchni, 
- narzędzia o dużej elastyczności geometryczno-kinematycznej, 
-- kształtowanie warstwy wierzchniej nagniataniem naporowym, 
- obróbka powierzchni walcowych frezowaniem, 
- badanie właściwości przetwórczych tworzyw sztucznych o zróżnicowanych gę- 
stościach. 


c. Granty Komitetu Badań Naukowych: 


l. Dr inż. Ryszard Konieczka: 
Badanie procesu rozdrabniania odpadów gumy cięciem hiperholoidalnym. 
Nr umowy: PB-57/7/91/1, na 527 mln zł 
od X 1991 r. do 1994 r. 


2. Dr hab. inż. Hubert Latoś: 
Rozwój podstaw teoretycznych i doświadczalnych narzędzi skrawajqcych. o dużej ela- 
styczności geometryczno-kinematycznej. 
Nr umowy: PB 0872/8 I /92/03, na 600 mln zł, 
od 1992 do 1994 r
>>>
Kierunki prac katedry '" 


37 


3. Dr inż. Ryszard Konieczka: 
Aglomerowanie cykliczne butelek z PET, PVC i PE. 
Nr umowy: PB-0588/S2/93/05, na 920 mln zł, 
od 1993 r. do 1996 r. 


Przedstawione badania oraz kontynuacja zagadnień związanych z podanymi gran- 
tami Komietu Badań Naukowych określają aktualnie realizowane kierunki dalszych 
prac. 


SPIS PRAC DYSERTACYJNYCH W KTM 


Prace habilitacvine 


Hubert Latoś: 
Zastosowanie ostrzy o prostoliniowych krawędziach do obróbki powierzchni 
kształtowych. 
Wydział Mechaniczny Politechniki Krakowskiej, 1978 


Doktoraty 


Zbigniew Dąbek: 
Metoda obliczania efektu ekonomicznego rozszerzania tolerancji w przemyśle ma- 
szynowym. 
Wydział Mechaniki Precyzyjnej Politechniki Warszawskiej, 197 I. 
Promotor; Zygmunt Zbichorski 


Hubert Latoś: 
Badanie wpływu przywierania materiału obrabianego do ostrza narzędzia skra- 
wającego na jakość technologiczną powierzchni przedmiotów ze stopu aluminium. 
Wydział Mechaniczny Politechniki Krakowskiej, 1972. 
Promotor: Jan Harasymowicz 


Tadeusz Grzesik: 
Optymalizacja niektórych warunków skrawania przy toczeniu wstępnym i kształ- 
tującym odlewów z wysokomanganowego staliwa austenitycznego. 
Wydział Budowy Maszyn Politechniki Poznańskiej, 1972. 
Promotor: Bronisław Kiepuszewski 


Maciej M. Kozłowski: 
Wpływ parametrów obróbki i geometrii rolki na wielkość siły poosiowej i mo- 
mentu obrotowego przy dogniataniu wygładzającym otworów w stali konstrukcyjnej 
węglowej wyższej jakości 45, głowicą naporową szdciorolkową. 
Wydział Budowy Maszyn Politechniki Poznańskiej, 1973. 
Promotor: Mieczysław FeJd
>>>
38 


Hubert Latoś 


Teresa Tomaszewska: 
Wpływ stopnia i kierunkowości namagnesowania na trwałość ostrza noża tokar- 
skiego ze stali SW /8. 
Wydział Budowy Maszyn Politechniki Poznańskiej, 1973. 
Promotor: Mieczysław Feld 


Mieczysław Żebrowski: 
Wpływ struktury oraz wielkości ziarna ściernic wielkoporowych przy obróbce wy- 
kańczającej szlifowaniem aluminium na chropowatość powierzchni. 
Wydział Budowy Maszyn Politechniki Poznańskiej, 1975. 
Promotor: Mieczysław Feld 


Wojciech Kalużny: 
Badanie wpływu wybranych czynników na mikrogeometrię i na dokładność wy- 
miarowo-kształtową rowków wcinanych w stopach aluminium. 
Wydział Budowy Maszyn Politechniki Poznańskiej, 1976. 
Promotor: Mieczysław Feld 


Joachim Zimniak: 
Badania niektórych czynników technologiczno-konstrukcyjnych na wytrzymałość 
na oddzieranie połączeń klejowych. 
Wydział Maszyn Roboczych i Pojazdów Politechniki Poznańskiej, 1977. 
Promotor: Robert Sikora 


Witold Rozwadowski: 
Badanie wybranych zjawisk występujących przy rozwiercaniu wykańczająe-ym sto- 
pów aluminium. 
Wydział Budowy Maszyn Politechniki Poznańskiej, 1980. 
Promotor: Mieczysław Feld 


Ireneusz Bielski: 
Badanie procesu skrawania materiału z umocnioną nagniataniem warstwą skra- 
waną. 
Wydział Budowy Maszyn Politechniki Poznańskiej, 1982. 
Promotor: Hubert Latoś 


Ryszard Konieczka: 
Wpływ hiperboloidalnego ustawienia krawędzi tnących noża na niektóre parame- 
try pracy młyna do tworzyw sztucznych. 
Wydział Mechaniczny-Technologiczny Politechniki Gdańskiej, 1982. 
Promotor: Tadeusz Burkiewicz 


Tadeusz Leppert: 
Próba zastosowania węglików spiekanych do odcinania na automacie rewolwero- 
wym ATA 40. 
Wydział Mechaniczny-Technologiczny Politechniki Gdańskiej, 1982. 
Promotor: Mieczysław Feld
>>>
Kierunki prac katedry... 


39 


Anna Lawrynowicz: 
Efekty postępu technicznego i organizacyjnego w przedsiębiorstwach przemysło- 
wych. 
Akademia Ekonomiczna w Poznaniu. Wydział Zarządzania, 1983. 
Promotor; Kazimierz Zimniewicz 


Tadeusz Mikołajczyk: 
Badanie procesu skośnego skrawania ostrzami z jednościnową powierzchnią na- 
tarcia 
Wydział Budowy Maszyn Politechniki Poznańskiej, 1984. 
Promotor; Hubert Latoś 


Bogusław Madera: 
Wpływ wybranych czynników na powstawanie nalepu przy toczeniu stopu Al-Si. 
Wydział Mechaniczny Politechniki Krakowskiej, 1985. 
Promotor: Hubert Latoś 


Wojciech Śliwa: 
Badania wpływu niektórych czynników na właściwości połączeń klejowych elek- 
troprzewodzących. 
Wydział Mechaniczny-Technologiczny Politechniki Gdańskiej, 1985. 
Promotor: Robert Sikora 


Jerzy Tomaszewski: 
Badania wpływu elementów konstrukcyjnych ukladu uplastyczniającego wytlacza- 
rek na efektywno.
ć wytłaczania tworzyw sztucznych. 
Wydział Budowy Maszyn Politechniki Poznańskiej, 1989. 
Promotor: Robert Sikora 


Zdzisław Jaskulski: 
Metodyka oceny i doboru systemów magazynowych. 
Wydział Technologiczny Akademii Rolniczej w Poznaniu, 1989. 
Promotor: Zdzisław Jakubowski 


Franciszek Bromberek: 
Badanie właściwo
:ci skrawnych narzędzi kształtowych z wykorzystaniem metod 
wibroakustycznych. 
Wydział Budowy Maszyn Politechniki Poznańskiej, 1993. 
Promotor: Hubert Latoś 


Mirosław Dalak: 
Badania procesu formowania wióra ostrzem o zmiennej geometrii wzdłuż krawędzi 
skrawającej. 
Wydział Budowy Maszyn Politechniki Poznańskiej, 1993. 
Promotor: Hubert Latoś
>>>
40 


Hubert Latoś 


Bożena Wiłczyńska: 
Badania procesu rozdrabniania materiału kruchego w młynie spiralno-stru- 
mieniowym. 
Wydział Mechaniczny Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, 1995. 
Promotor: Józef Flizikowski
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 
ZESZYTY NAUKOWE NR 202 - MECHANIKA (41) - 1996 


Eugeniusz Ranatowski 


TRANSMISJA CECH STRUKTURALNYCH I MECHANICZNYCH 
W PROCESIE SPAJANIA MET ALI 


W części wstępnej pracy omówiono ogólne zasady modelowania procesów 
termicznych w obrębie powstającego złącza spawanego. Uwzględniając funda-. 
mentalne zasady fizyki i metalurgii procesu spawania, scharakteryzowano główne 
elementy procesu, bazując na modelu konwekcyjnym transportu masy i ciepła w 
spoinie. Ilościowa ocena przemian strukturalnych w spoinie i strefie wpływu cie- 
pła związana jest bezpośrednio ze zrozumieniem morfologii przemian 
strukturalnych, począwszy od procesu krystalizacji aż do temperatury otoczenia. 
W pracy określono również relacje pomiędzy stanem mikrostruktury a własno- 
ściami mechanicznymi. 


1. WSTĘP 


Bardzo istotnym elementem współczesnych działań inżynierskich jest szybkie i efek- 
tywne działanie na etapie projektowania, konstruowania oraz przygotowania techno- 
logicznego i wdrożenia wyrobów. Wysoka jakość działań inżynierskich ma decydujący 
wpływ na koszty wytwarzania, nowoczesność i jakość wyrobów, i w pełnym zakresie doty- 
czy również konstrukcji spajanych. Problemowi temu nadaje się w krajach wysoko- 
uprzemysłowionych priorytetowe znaczenie, którego efektem jest szereg niekonwencjonal- 
nych działań w zakresie organizacji przygotowania produkcji i jakości działań 
inżynierskich, określonych w ramach tzw. inżynierii jednoczesnej [5J. Jednym ze środków 
umożliwiających realizację tak postawionych zadań jest konieczność odejścia od bardzo 
powierzchownych opracowań technologicznych i oparcie ich o możliwie szerokie ustale- 
nia, wynikające ze znajomości fizyki procesów technologicznych. W zakresie stosowanych 
metod spajania szczególnie trudne do ustalenia są relacje pomiędzy lokalnymi zmianami 
strukturalnymi a własnościami mechanicznymi połączeń powstające w czasie procesu 
spawania i zgrzewania. Wynika to z synergicznego oddziaływania równoczesnego szeregu 
czynników o charakterze metalurgicznym w spoinie, przepływu ciepła w strefie wpływu 
ciepła (SWe), deformacji w warunkach istniejących więzów mechanicznych itp. Wobec 
powyższego rozpatrzenie powyższych zjawisk wymaga przyjęcia pewnych uproszczeń 
i określenia modeli rozpatrywanych układów oznaczeniu praktycznym. 


2. CHARAKTERYSTYKA PODSTAWOWYCH USTALEŃ W ZAKRESIE 
MODELOWANIA POŁĄCZEŃ SPAJANYCH 


Zasadniczo gęstość energii q(r) w procesach spajania opartych na energii dostar- 
czonej na sposób ciepła powinna wynosić [2]:
>>>
42 


Eugeniusz Renatowski 


10 3 :; q(r):; 10 6 [W / cm 2 ] 


(I) 


Powyższa ilość energii jest wystarczająca do lokalnego stopienia materiałów łą- 
czonych oraz ewentualnych materiałów dodatkowych. Poniżej dolnej granicy 
10 3 W / cm 2 może zaistnieć sytuacja szybszego odprowadzenia energii poprzez prze- 
wodzenie od wielkości doprowadzonej energii, co uniemożliwi lokalne stopienie 
materiału i powstanie połączenia. Powyżej wartości 10 6 W / cm 2 ilość dostarczonej 
energii przewyższa zdolność materiału do lokalnego skonsumowania poprzez lokalne 
stopienie i odprowadzenia ciepła poprzez przewodzenie, a lokalny wzrost temperatury 
prowadzi nie do stopienia, lecz parowania materiału i tworzenia zamiast spoiny lokalne- 
go kanału. Górna granica gęstości energii dotyczy aplikacji wiązki elektronów i lasera 
jako spawalniczych źródeł ciepła, a sam proces tworzenia spoiny podlega innemu me- 
chanizmowi: parowaniu, kondensacji par metali i powstaniu cieczy wypełniającej kanał 
oraz krystalizacji przy dynamicznym charakterze tego procesu, wynikającym z relatyw- 
nego ruchu źródła ciepła i materiału spawanego. 
Proces tworzenia się spoiny związany jest więc ze zmianą energii wewnętrznej. 
Przenoszonymi wielkościami ekstensywnymi w procesie modelowania tworzenia się 
spoiny są energia wewnętrzna pU i energia kinetyczna pv 2 ruchu makroskopowego 
cieczy. Bilans energii dla obszaru jeziorka spoiny - ograniczonego powierzchnią A 
i posiadającego objętość V - ma postać [6]: 

 fp ( 
+U)dV= Jp(V.f)dV+ fP4dV+ fV(T.n)dA+ fPsdA (2) 
dt 2 / 
V V V A A 
\..... 
gęstość masowej energii wewnętrznej będącej sumą energii ruchu cieplnego i 
sumą energii wiązań; 
gęstość masowa sił zewnętrznych fe i wzajemnego oddziaływania cząstek 
f m (f = fe + f m ); 
pole skalarne określające gęstość masową strumienia energii; 
tensor naprężeń; 
jednostkowy wektor normalny do powierzchni A; 
gęstość strumienia energii przepływającej przez powierzchnię ograniczającą; 
czas. 


gdzie: 
U - 


f - 


4 - 
T - 


n - 


Ps - 
t - 


Pierwszy człon prawej strony równania (2) oznacza pracę sił objętościowych pod- 
czas makroskopowego ruchu ośrodka. W praktyce oznacza to wytwarzanie energii 
kinetycznej kosztem energii grawitacji i energii elektromagnetycznej. 
Drugi człon fP4dV wyraża nieodwracalne wytwarzanie energii wewnętrznej 
v 
kosztem energii zamienionej na ciepło Joule'a oraz odwracalną przemianę kosztem 
energii związanej ze zjawiskami elektromagnetycznymi i termoelektrycznymi.
>>>
Transmisja cech strukturalnych ... 


43 


Wyrażenie f veT . n)dA oznacza pracę sił powierzchniowych, czyli niekonwek- 
A 
cyjną wymianę energii kinetycznej przy makroskopowym ruchu ośrodka, wywołaną 
istnieniem pola naprężeń mechanicznych. 
Ostatni człon f Ps . dA oznacza niekonwekcyjną wymianę energii wewnętrznej 
A 
poprzez przewodzenie i promieniowanie ciepła oraz dyfuzję. 
Równanie transportu energii (2) stanowi więc, iż szybkość zmiany energii we- 
wnętrznej i kinetycznej w stosunku do nieruchomego układu odniesienia są równe sumie 
pracy wykonanej w jednostce czasu przez działające siły powierzchniowe i masowe oraz 
jednostkowy strumień energii dopływający do ciała. 
Znajomość własności dynamicznych procesu tworzenia spoiny i wiążących para- 
metry ekstensywne ze zmianami parametrów intensywnych, takich jak. temperatura T, 
gęstość p, ciepło właściwe c, współczynnik przewodzenia ciepła 1.., entalpia właściwa H 
itp., wskazują na możliwości aktywnego modelowania i sterowania procesu spawania. 
l tak równanie charakteryzujące stan energetyczny spoiny przy działającym źródle 
ciepła SH (r) dla dwuwymiarowego ośrodka ma postać [10]: 


8H 8H 8H A- ( 8 2 H 82H ) 
-+u-+v-=- -+- +SH(r) 
at ar az cp.p ar 2 8Z2 


(3) 


gdzie: 
H 


u,v 
c p 
A- 
p 


- entalpia; 
- promieniowa i osiowa prędkość; 
- ciepło właściwe przy p == const; 
- współczynnik przewodzenia ciepła; 
- gęstość. 


Ponadto energia absorbowana od spawalniczego źródła ciepła wynosi: 
SH(r)= TJ.q(r) , 
P'Y d 


(4) 


gdzie: 
Y d 
q(r) 
'ł1 


- głębokość absorbcji, 
- gęstość strumienia energii źródła ciepła, 
- sprawność. 


Wobec powyższego, uwzględniając związek pomiędzy entalpią i temperaturą: 


Tn 
H(T) = J c p (T)dT + IjIH I 
To 


(5) 


Os ljI S l 
gdzie: 
\jI 
HI 


- udział cieczy w dwufazowej strefie; 
- entalpia topnienia stopiwa;
>>>
44 


Eugeniusz Renatowski 


równania (3), (4), (5) mogą stanowić podstawę do oceny rozkładu temperatury T oraz 
innych parametrów w obrębie powstającej spoiny i obejmującym fazę ciekłą i stałą. 
Powyższe stwierdzenia są bardzo zgodne ze spostrzeżeniem Fouriera, który 
stwierdził, że wszystkie zjawiska mające związek z ciepłem zależą od bardzo niewielu 
ogólnych prostych faktów w taki sposób, że każde zagadnienie tego rodzaju można 
sformułować w języku analizy matematycznej. Równanie (3) jest prostym potwierdze- 
niem powyższego faktu, określając model matematyczny analizowanego procesu. 
Uogólnione rozwiązanie problemu przepływu ciepła określone równaniem (3) można 
przedstawić w postaci prostej wielkości - liczby Fourier'a (LF) [2]: 


LF == 
 

 


A. 
a==- 
cp.p 


(6) 


gdzie: 
x 
a 


- odległość transportu ciepła; 
- dyfuzyjność cieplna. 


Wartość LF - I oznacza złożony przepływ ciepła i konieczność przeprowadzenia 
szczegółowej analizy rozwiązania równania (3). Ocena termicznych skutków procesu 
spajania pozwala w dalszej kolejności ocenić stan struktury w spoinie i strefie wpływu 
ciepła (SWC). 


3. OCENA TERMICZNYCH SKUTKÓW PROCESU SPAJANIA - STAN 
STRUKTURY W SPOINIE l SWC 


Proces spawania związany jest z tworzeniem się jeziorka spawalniczego bezpo- 
średnio poniżej źródła ciepła. Kształt jeziorka uwarunkowany jest przez intensywność 
przepływu ciepła i metalu w jeziorku z jednoczesnym topieniem metalu przed i krystali- 
zacją za źródłem ciepła. Przy przyjęciu modelu punktowego źródła ciepła geometrię 
jeziorka spawalniczego ocenić możemy w oparciu o bezwymiarowy parametr n3 [4]: 


qo'v 
n 3 == 2 ( ) ' 
4na Hm - Ho 


(7) 


gdzie: 


qo - moc źródła ciepła (łuku) , l/s; 
a - dyfuzyjność cieplna; 
H m - H o - zawartość ciepła na jednostkę objętości w momencie topnienia; 
v - prędkość źródła ciepła. 
Duża wartość n 3 wskazuje na wydłużony charakter izotermy ograniczającej je- 
ziorko oraz izoterm charakteryzujących rozkład temperatury w strefie wpływu ciepła 
(SWe) i w praktyce odpowiada działaniu szybkobieżnych źródeł ciepła dużej mocy. 
Mała wartość n3 związana jest z eliptycznym kształtem izoterm o małej różnicy osi, co 
jest wynikiem małej mocy źródła ciepła oraz jego prędkości i prowadzi do zm iany for- 
my przepływu ciepła. 
Ponadto, jak wynika z zależności (7), wartość n) w istotny sposób zależy od wła- 
sności cieplnych spajanych metali, wyrażonych przez a i H m - H o' Izotermy są
>>>
Transmisja cech strukturalnych ... 


45 


zwykle wydłużone dla małej wartości a (stale austenityczne) lub o eliptycznym bądź 
sferycznym kształcie przy większej wartości a (Al i jego stopy). 
Niezależnie od parametrów występujących we wzorze (3), geometria jeziorka spa- 
walniczego zależy również od konwekcyjnego transportu ciepła, opartego na ruchu 
płynnego metalu, w wyniku działania: 
- sił wyporu hydrostatycznego, spowodowanego lokalną zmianą gęstości oraz czę- 
ściowo przez krzywiznę jeziorka, a przy wyższych parametrach prądowych 
zaznacza się również wpływ ciśnienia łuku, 
- asymetrycznego pola magnetycznego, 
- gradientu napięcia powierzchniowego. 
Określone powyżej czynniki wpływają również na termiczne warunki procesu kry- 
stalizacji i rodzaj struktury spoiny oraz strefY wpływu ciepła. 
Dla większości stali konstrukcyjnych początek procesu krystalizacji ma charakter 
wzrostu epitaksjalnego b - ferrytu od powierzchni granicznej ciecz / faza stała [l]. Dla 
stali niskostopowych produktami pierwotnej krystalizacji może być również b - ferryt 
(bFe), austenit ¥Fe bądź mieszanina bFe i ¥Fe [5]. 
Wysoki gradient temperatury na granicy ciecz / faza stała powoduje, że proces kry- 
stalizacji b - ziaren posiada kolumnową postać. Większość osi b - ziarna jest zgodna 
z kierunkiem przepływu ciepła. 
Dalszy proces chłodzenia spoiny prowadzi do zarodkowania i wzrostu austenitu 
alotriomorficznego, głównie w obszarze granic ziaren w kierunku granic b Fe / b Fe oraz 
przypuszczalnie także w kierunku gradientu temperatury, co ostatecznie prowadzi do 
powstania ziaren austenitu kolumnowego, podobnego w kształcie do oryginalnej struk- 
tury D Fe . Należy jednakże stwierdzić, iż w przypadku ruchomych źródeł ciepła zmienia 
się kształt izoterm T iz wraz z upływem czasu t, co niewątpliwie prowadzi również do 
pewnej zmiany kierunku przepływu ciepła, a w konsekwencji i kierunku wzrostu ziaren 
austenitu alotriomorficznego, do pewnego stopnia różnego od kierunku wzrostu ziaren 
5 Fe . Na rysunku l przedstawiono schematycznie kolumnową strukturę spoiny otrzyma- 
ną dla różnych warunków spawania - małej i dużej wartości n 3 . 


a 

 
b 

 


Rys. ł. Kształt kolumnowej struktury spoiny d/a: a - małej wartości n 3 , b - dużej wartości n 3
>>>
46 


Eugeniusz Renatowski 


Kształt i wielkość ziaren austenitu ma decydujący wpływ na końcową mikrostruk- 
turę spoiny. Obecny stan wiedzy nie pozwala przewidywać w sposób jednoznaczny 
wielkości ziaren austenitu. Empiryczna charakterystyka procesu wzrostu ziaren austenitu 
może być dokonana w oparciu o równanie [I]: 


2 2 ( Q ) 
G s =Gso+K.texp - R
 ' 


(8) 


gdzie: 
R - stała gazowa, 8,31 J/K; 
G s - wymiar ziarna austenitu, !lm; 
G so - początkowy wymiar ziarna austenitu, !lm; 
K - empirycznie wyznaczona stała; 
t - czas, s; 
Qj - energia aktywacji, J; 
T - temperatura, K. 
Mikrostruktura końcowa spoiny otrzymana w wyniku chłodzenia w sposób ciągły 
od fazy ciekłej do temperatury otoczenia tworzy strukturę pierwotną. Ponowne podgrza- 
nie struktury pierwotnej powyżej T A3 - na przykład w przypadku spawania 
wielowarstwowego - prowadzi do powstania struktury wtórnej. Na rysunku 2 określono 
sprzężenie zwrotne pomiędzy głównymi czynnikami procesu spajania, wyrażonymi 
poprzez cieplne i mechaniczne oddziaływanie na rodzaj powstałej struktury. 
Z praktycznego punktu widzenia istotnym problemem jest więc umiejętność pro- 
gnozowania odnośnie rodzaju powstałej struktury. Proces ten może zostać rozpatrzony 
w oparciu o dekompozycję austenitu zgodnie z zależnością [4]: 


dX 
--'- = Fr Fx FG Fe, 
dt 


(9) 


gdzie: 
X, - część fazy i = a (ferryt), 
i = P (perlit), 
i = B (bainit), 
i = M (martenzyt), 
F T - parametr uwzględniający wpływ temperatury T; 
Fx - parametr określający wpływ części formowanej fazy, i; 
Fa - parametr określający wpływ wielkości ziaren austenitu; 
Fe - parametr określający wpływ koncentracji węgla. 
Dyfuzyjny rozkład austenitu można również określić w formie związku [I]: 


dX j =a(G).D'dTq .X
 .(l-XiY, 
dt 


(10) 


gdzie: 
2 
n = _ ( 1- X ) . 
3 I ' 


2 
P=3'X j ;
>>>
Transmisja cech strukturalnych ... 


47 


a(G)= 2(G-I)/2 ; 
G - wielkość ziarna; 
D współczynnik dyfuzji; 
T temperatura; 
Xi udział objętościowy dla i = a , P, B, M. 


Pole termiczne 


Pole mechaniczne 


3 


: 


- naprężenia pozostające 
- odkształcenia 


- spoina (SP) 
- strefa wpływu ciepła (SWe) 


PF 
PF(G) 
PF(I) 
AF 
FSP 
FS(A) 
FS(NA) 
FC 
M 
MAC 


4 


5 


- ferryt początkowy 
- ferryt początkowy międzyziamowy 
- ferryt początkowy wewnątrzziarnowy poligonalny 
- ferryt drobnoziarnisty iglasty 
- ferryt uboczny płytkowy (ferryt Widmanstatten'a) 
- ferryt z uporządkowaną drugą fazą 
- ferryt z nieuporządkowaną drugą fazą 
- ferryt + skupione węgliki 
- martenzyt 
- martenz t czno - austenit czne i wę 


Rys. 2. Schemat synergicznego oddziaływania pomiędzy polem cieplnym i mechanicznym 
a mikrostrukturą spoiny i strefy wpływu ciepła; 
I - termicznc oddziaływanie na rodzaj mikrostruktury; 
2 - oddziaływanie. utajonego ciepła krystalizacji oraz innych cieplnych własności 
układu na pole termiczne; 
3 - wpływ rozszerzalności cieplnej na stan naprężeń i odkształceń; 
4 - ciepło generowane jako skutek pracy mechanicznej; 
5 - wpływ transformacji mikrostruktury na własności mechaniczne poprzez zmiany 
objętościowe i odkształcenia plastyczne; 
6 - kinetyka transformacji uzależniona od stanu naprężeń. 


Pomimo znacznego postępu w zrozumieniu morfologij przemian strukturalnych, do 
tej pory brak jest jednoznacznej i zwartej teorii ujmującej na przykład morfologię prze- 
mian ferrytu, bainitu itp. Stanowi to niewątpliwie również pewną barierę w rozwoju 
technologii spajania. Sytuacja ta w zasadniczy sposób rzutuje na możliwość oceny wła- 
sności mechanicznych i odporności na pękanie połączeń spajanych.
>>>
48 


Eugeniusz Renatowski 


4. FORMA STRUKTURY A WŁASNOŚCI MECHANICZNE 


Z danych zawartych w poprzednim punkcie wynika, że o własnościach spoiny de- 
cydują zarówno warunki krystalizacji, jak i przemiany, i rozpadu austenitu. Stosowana 
zwykle procedura wiąż.ąca bezpośrednio wytrzymałość ze składem chemicznym spoiny 
jest więc niewłaściwa. W związku z powyższym możemy uznać, iż wartość granicy 
plastyczności dla połączeń spajanych spełnia następujący związek: 


Re'" Re(O'o, Me' d-n, r- m ), 


(11 ) 


gdzie: 
cr o - naprężenie tarcia dyslokacji, zależne od temperatury, szybkości odkształ- 
cenia oraz wad budowy krystalicznej; 
Me - wpływ dodatków stopowych w roztworze a; 
d - wpływ wielkości ziarna; 
I - odległość dyspersji wydzieleń; 
m, n - stałe, zależne od rodzaju materiału. 
Zgodnie z równaniem Hall'a-Petch'a, dla metali polikrystalicznych, wartość grani- 
cy plastyczności wynosi: 


I 
-- I 
Re '" 0'0 + k. d 2 + L\O'o 10g--:3' 
Nod 


(12) 


gdzie: 
No - wyjściowa liczba aktywnych ziaren w jednostce objętości; 
k - stała, określająca siłę zablokowania dyslokacji. 
Zależność powyższa ustalona pierwotnie dla stali niskowęglowych, znalazła rów- 
nież swoje potwierdzenie dla metali i stopów o sieci A2, a także A ł i A3. W równaniu 
tym L\O' o oznacza przyrost naprężenia tarcia spowodowany wzrostem szybkości od- 
kształcenia. 
Problem oceny granicy plastyczności w przypadku spawania wielowarstwowego 
jest bardziej złożony. Dla wyżej wymienionej sytuacji wartość Re proponuje się ocenić 
jako [I]: 


Re '" V p . R
 + v s . R
, 


(13) 


gdzie: 


R
 - granica plastyczności struktury pierwotnej; 


R S 
e 


granice plastyczności obszaru, w których nastąpiła zmiana budowy 
struktury pierwotnej w wyniku reaustenityzacji bądź odpuszczania; 
- objętość struktury pierwotnej; 
- objętość struktury reaustenityzowanej bądź odpuszczonej. 


v p 
vs=l-v p 


Zależności (I I), (12), (13) wyrażają relacje ilościowe pomiędzy granicą plastycz- 
ności Re złącza spajanego a cechami mikrostruktury.
>>>
Transmisja cech strukturalnych '" 


49 


Ten sam problem rozpatrywany w skali makroskopowej i uwzględniający zróżni- 
cowaną budowę połączenia spajanego, w którym makroskopowe własności 
mikrostruktury wyrażone są poprzez rozkład twardości bądź odpowiadające cechy me- 
chaniczne, np. Re - rys.3, prowadzi do następujących ustaleń [7]: 


gdzie: 
R zł_ 
e 


R zł = Run . Kun 
e e w' 


(14) 


R z1 = R OV .K oV 
e e w' 


(15) 


Run _ 
e 


granice plastyczności złącza; 
granice plastyczności strefy złącza o obniżonej wartości w stosunku do 
materiału rodzimego R: (R:  R
n); 
granice plastyczności strefy złącza o podwyższonej wartości w stosunku do 
materiału rodzimego R: (R:  R
v ); 
współczynnik umocnienia kontaktowego dla Ks = R: / R
n  I; 
współczynnik umocnienia kontaktowego dla Ks = R: / R
v  I . 


R ov_ 
e 


KW- 
K
- 


@ 



 


IB 


R.. B 


R.. un 


Bl. 


R..'" 
IR.,B 


]b. 


Rys.3. Charakterystyka niejednorodnego złącza spawanego: a.. Ks = R: / R
n  I, 
b. Ks = R: / R
v  I
>>>
50 


Eugeniusz Renatowski 


Wartość współczynnika umocnienia kontaktowego K
 lub K
 - będąca z fi- 
zycznego punktu widzenia rezultatem oddziaływania więzów mechanicznych, które 
tworzą powierzchnie kontaktowe stref B i W - rys. 3 - zależy od parametrów charaktery- 
zujących geometrię układu wyrażoną poprzez K i parametrów określających wartości 
fizyczne układu q i K. 


K
 =o f(K, q, K
n). 


(\6) 


K
 =o f(K, q, K
v), 


(17) 


gdzie: 
K = 2h / 2g ; 
O $q  I; 
Kun =o R B / R w  I . 
s e e , 
KO V =o R B / R W  I . 
s e e ) 


Bardziej szczegółowe infonnacje dotyczące K
 K
 przedstawiono w opra- 
cowaniach [7 , 8]. 
Określenie zmiany stanu naprężenia, jako rezultatu oddziaływania więzów mecha- 
nicznych i wyniku lokalnych zmian strukturalnych, posiada fundamentalne znaczenie do 
właściwej interpretacji i oceny własności mechanicznych analizowanego układu. 
W sposób syntetyczny, wpływ zmiany własności mechanicznych analizowanego układu, 
wynikający ze zmiany stanu naprężenia, możemy wyrazić poprzez Sp [9]: 


s = °ev 
p OH 


(18) 


gdzie: 


Ox+Oy . 
o ev =o 


2 
OH = 
 J 2(Ox _Oy)2 +2o x 'Oy +6T
y ; 
° ev - naprężenie średnie; 
OH - ekwiwalent naprężeń wg Hubera - Mises'a; 
° x ; ° y' T xy - składowe naprężenia na powierzchniach kontaktowych stref B 
iW. 


Na rysunku 4a, b przedstawiono charakterystykę parametru Sp jako funkcję para- 
metru Iyl  I, charakteryzującego wpływ kąta pochylenia strefY (W) w stosunku do 
działającego obciążenia zewnętrznego. Uwzględniając fakt, iż wartość a ev nie wpływa 
na wartość R
 R:, natomiast a H jest istotnym wskaźnikiem odkształceń pla- 
stycznych wpływającym na rzeczywistą wartość R
 R: ,parametr Sp jest więc 
z fizycznego punktu widzenia miarą wpływu naprężenia na odkształcenia w obrębie
>>>
Transmisja cech strukturalnych ... 


51 


powierzchni kontaktowej stref B i W oraz wytężenia niejednorodnego pod względem 
cech mikrostruktury i własności mechanicznych układu - rys.3. 
Rys. 4 a, b wskazuje zupełnie różne tendencje - wzrastającą dla parametru Sp dla 
Ks l i malejącą dla Ks  l - przy tych samych cechach geometrycznych. Spowoduje 
to praktycznie zróżnicowanie własności mechanic7J1ych niejednorodnego połączenia spa- 
janego R:' , R
 oraz jego odporności na pękanie - technologic7J1e i eksploatacyjne. 
S 

 
I 


... 


...........-...... 
......... 
.....-..-..---...... ......-.- 
--"'--- ..... 
ti H H H H --.
 


 
 

-::
:::::: 
...... ", 
'. .:.
.
:.\ 
',,,,,', 
.,', 
',\. 
"
\\ 
,,', 
\\ 


0,# 


o.J 
. 
-1 
s
 
. 
".1 


..., 


"tJ 


11.1 


"tJ 
-ł 


".J 


. 
1 


,.I 


,'A 
o" 4 
/-..
/-.::
:-:'" 
. ......-.-........-. , 

/ ......
.. ............:..... ..... 
.' " 

.....", "......' 
...' .... 
..' 
" 
,,' o" 
.' 
..' 
.-' 


,., 


Rys. 4. Charakterystyka parametru Sp dla: 
a. K
n = R
 / R:ł'  l, K == 0,6;0,7;0,85;0,9, 
b. K
v = R
 / R:ł'  l, K == 0,8;0,9;0,99
>>>
52 


Eugeniusz Renatowski 


5. WNIOSKI KOŃCOWE 


Istotny postęp, jaki dokonał się w ostatnich latach w zakresie modelowania proce- 
sów termicznych zachodzących w procesie spajania, stworzył merytoryczne podstawy 
do modelowania procesu krystalizacji spoin oraz przemian strukturalnych w spoinie i 
strefie wpływu ciepła. Główne osiągnięcia w powyższym zakresie są wynikiem ustaleń 
teoretyczno-doświadczalnych. Istotną przeszkodą w procesie teoretycznego modelowa- 
nia struktury jest jednakże brak jednoznacznie określonej morfologii przemian 
podstawowych składników strukturalnych: ferrytu, bainitu oraz martenzytu. Ponadto 
z uwagi na synergiczne oddziaływanie czynników termicznych, strukturalnych, podobne 
trudności występują w jednoznacznej interpretacji własności mechanicznych połączeń 
spajanych. Dalszy postęp jest związany z pogłębieniem wiedzy w zakresie fizyki i me- 
talurgii procesu spajania oraz mechaniki teoretycznej i stosowanej, co jest niewątpliwie 
dodatkowym utrudnieniem realizacji i osiągnięcia tak postawionych celów. 


LITERATURA 


[1] Bhadeshia H.K.D.H.: ModelIing of steel welds. Materials Science and Technol- 
ogy. No I, 1992. 
[2] Eagar T.W.: Welding and joining: Moving from art to science. Welding Joumal 
No 6, ]995. 
[3] Grong 1.: Metallurgical modeli ing of we]ding. The ]nstitute of Materials. London. 
1994. 
[4] Karlsson L. i inni: ModelIing of residual stresses and distortion development. 3'd 
International Seminar "Numerical analysis of weld ability". Graz - Seggau. ] 995. 
[5] Myśliwiec M.: Inżynieria jednoczesna w spawalnictwie. Biuletyn Instytutu Spa- 
walnictwa nr 5/1995. 
[6] Ranatowski E.: Ocena efektywności technologicznej metody GTA w aspekcie 
fizyki procesu. Zeszyty Naukowe A TR nr ] 93, Mechanika 38, Bydgoszcz 1995. 
[7] Ranatowski E.: Influence of the constraint effect on fracture resistance of mis- 
matched weld joints. ECF ] l. France. 1996 (w druku). 
[8] Ranatowski E.: Analysis of the mechanical properties of undermatched weld 
joints. ESIS 17. Mechanical Engineering Publications. London] 994. 
[9] Ranatowski E.: Som e remarks on stres s state at interface of the heterogeneous weld 
joint. 2 nd International Symposium "Mis - Matching of Welds. Germany. 1996. 
[10] Zacharia T. i inni: Weld pool development during GTA and laser beam welding of 
type 304 stainiess. Part I: Theoretical Analysis. Welding Journal No ] 2. 1989. 


THE TRANSMISSlON OF MICROSTRUCTURE FEA TURE AND 
MECHANICAL PROPERTlES IN THE WELDlNG PROCESS OF METALS 


SUMMARY 


In the jntroduction of paper there form some basi s of the modelIing thermal weld- 
ing process in formation weld joint. After taking into consideration physics and
>>>
Transmisja cech strukturalnych ... 


53 


metallurgy of welding process there are determining the main elements of welding proc- 
ess basi s on the convectional heat and mass transfer in we Id pool. The ability to 
estimate quantitatively the weld metal and HAZ microstructure relies on a thorough 
understanding of the phase transformation theory goveming the chan ges that occur as 
the we Id solidifies and cools to ambient temperature. Conc\usions from the theoretical 
analysis also from some analytical dependence between microstructure and mechanical 
properties in weld joints.
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 
ZESZYTY NAUKOWE NR 202 - MECHANIKA (41) - 1996 


Jerzy Sawicki 


UOGÓLNIONE RÓWNANIA RUCHU CIECZY NIE MAGNETYCZNEJ 
I MAGNETYCZNEJ W SZCZELINACH MIĘDZY 
WIRUJĄCYMI POWIERZCHNIAMI OBROTOWYMI 


W pracy sfonnułowano uogólnione równania ruchu cieczy niemagnetycznej 
i magnetycznej w szczelinach między wirującymi powierzchniami obrotowymi 
w krzywoliniowym układzie współrzędnych x,e,y. Przedstawiono warunki brze- 
gowe oraz omówiono metody rozwiązywania tych równań. 


WAŻNIEJSZE OZNACZENIA 


B - wektor indukcji magnetycznej 
B x' Be , By - składowe wektora indukcji magnetycznej 
E - wektor natężenia pola magnetycznego 
E x , Ee , E y - składowe wektora pola elektrycznego 
H - wektor natężenia pola magnetycznego 
H x' He, H y - składowe wektora natężenia pola magnetycznego 
2h(x) - grubość szczeliny 
j - wektor gęstości prądu 
jx,je,jy - składowe wektora gęstości prądu 
M - wektor namagnesowania 
M x' M e, M y - składowe wektora namagnesowania 
p - ciśnienie 
Pw' pz - ciśnienie, odpowiednio na wlocie i wylocie ze szczeliny 
Rem - magnetyczna liczba Reynoldsa 
V - wektor prędkości 
v x , v e ' v y - składowe wektora prędkości 
/l - dynamiczny współczynnik lepkości 
/lo - współczynnik przenikalności magnetycznej próżni 
p - gęstość cieczy 
a - konduktywność cieczy 
(J)" (J)2 - prędkości kątowe powierzchni obrotowej górnej i dolnej 


R' 


dR 
dx
>>>
56 


Jerzy Sawicki 


I. WSTĘP 


Laminarne przepływy cieczy lepkiej niemagnetycznej i magnetycznej w szczeli- 
nach o zarysach krzywoliniowych w obecności pól magnetycznych i elektrycznych od- 
grywają coraz bardziej istotną rolę w technice [J, 2, 3]. 
Dlatego też, badania w tej dziedzinie mają bardzo duże znaczenie zarówno dla ba- 
dań podstawowych, jak również dla licznych ważnych zastosowań praktycznych. 
Badania ruchu cieczy lepkich w obecności pól magnetycznych i elektrycznych, 
a także badania wpływu tych pól na różne procesy fizyczne i chemiczne prowadzone są 
od wielu lat. 
Dotyczą one w istocie problemów astro- i geofizyki takich jak: dynamika ciekłych 
mas we wnętrzu Ziemi, przenikanie promieniowania kosmicznego, jak również zagad- 
nienia związane z bezpośrednią przemianą energii cieplnej w elektryczną w tzw. gene- 
ratorach MHD. 
Ostatnie 20 lat to gwałtowny rozwój zainteresowania dynamiką cieczy magnetycz- 
nych. Prowadzone w tej dziedzinie badania doprowadziły do pojawienia się nowej gałę- 
zi nauki zwanej "Ferrohydrodynamiką". 
Nowe możliwości, jakie stwarzają niekonwencjonalne ciecze, w tym ciecze niema- 
gnetyczne i magnetyczne w rozwiązywaniu licznych zagadnień w zakresie tarcia, zuży- 
cia i smarowania decydują o konieczności badania zjawisk w magneto- i ferrohydrody- 
namicznych przepływach w wąskich szczelinach. 
Niniejsza praca przedstawia uogólnione równania ruchu cieczy niemagnetycznych 
i magnetycznych, warunki brzegowe oraz krótką charakterystykę metod ich rozwiązy- 
wania w odniesieniu do przepływów w tzw. "cienkich warstwach" (wąskich szczeli- 
nach). 


2. RÓWNANIA RUCHU 


Dowolny ustalony i izotermiczny przepływ cieczy lepkiej niemagnetycznej i ma- 
gnetycznej opisują następujące równania: 


równanie ciągłości 


div(p V) = O , 


(J) 


równanie pędu 


p (VV)V=-'Vp+
!1.V+jxB+
()(MV)H. 


(2) 


Równania (1) i (2) wymagają do ich "zamknięcia" dodatkowych równań opisują- 
cych pole magnetyczne i elektryczne tj. równań elektrodynamiki.
>>>
Uogólnione równania ruchu cieczy ... 


57 


Są to: 
równania Maxwella: 


v x E = 0, 
VE=O, 


(3) 


- 
V x B = lJ.ej, 
VB=O, 


prawo zachowania ładunku: 


- 
Vj=O, 


(4) 


prawo Ohma 


- - - - 
j = cr (E + V x B) 


(5) 


równania magnetostatyki 


V x H = O, 
VB=O, 
B= lJ.o(H + M). 


(6) 


z 


Rys. I. Obszar przepływu cieczy lepkiej 


Korzystając z ogólnych fonnuł dla poszczególnych operacji wektorowych składają- 
cych się na zależności (1)-(6) można równaniom tym nadać następującą postać w krzywo- 
liniowym układzie współrzędnych przedstawionym na rys. I, a mianowicie:
>>>
58 


Jerzy Sawicki 


równanie ciągłości: 



 a (Rv 
l + 
 aVe + o v y = o 
R (}x R as ay 


(7) 


równanie pędu: 


. 2 
() V V e () V x () V x 2 R () p () V x 
p(V x " x x _+--+ V --Ve-)=--+f.![-+ 
u R () e y o y R () x a x 2 
2 2' , , . 
+

+
+
 a V x -2
 aVe _ (R R) v ]+ (8) 
R 2 a e 2 a y2 R a x R 2 o e R2 x 
" a Hx Me a Hx a Hx 
+JeBy -}yBe +f.!,,(M x -+--+ My-), 
ox R oe (}y 
aVe veove aVe R' Jap a2ve 
p(v -+--+V --v v -)=---+f.![-+ 
x o x R a e y o y x e R R () e () x 2 
" 2 :: 2 . " ' , . 


+
+

+2
 () V x _ (R R) ve]+ (9) 
R 2 () S 2 a y2 R a x R () e R 2 
" o He Me () He () He 
+}yB, - }xBy +llo(M x -+--+ My -), 
(}x R ae (}y 
a v y ve () v y () v y a p a 2 v y 
p(vx-+--+v -)=--+11(-+ 
() x R () e y a y () y () x 2 
I a 2v y a 2v y R' () V y .. ) 
+--+-+--)+}xBe-JeBx+ (lO 
R 2 a e 2 () y2 R a x 
() Hy Me a Hy () Hy 
+" ( M --+--+ M -) 
r" x () X R a s y () y , 


równania Maxwella: 


() Ey () (REf) 
-- =0 
() e () y , 
() (REe) a Ex = o 
() x () e ' 

 (}(REx
 +
 (}Ef) + aEy =0 
R ax R as ay 
1 () By a (RBe) . 
R[ae- a y ]= f.!oJx' 


a E a Ey 
-...£--=0 
ay ax ' 


a Bx a By . 
a; ---a;- = Il"Je,
>>>
Uogólnione równania ruchu cieczy... 


59 


I B (RB o ) B Bx . 
R B x ae = J..!oJ y ' 
J.- B (REx) + J.- B Bo + B By = O 
R Bx R Be By , 


(11) 


prawo zachowania ładunku: 


J.- B (lijx) +J.- B Jo + B J y =0, 
R Bx R Be By 


(12) 


prawo Ohma: 


J x = a (Ex + vOBy - vyBo), Bx = J..!"H x ' 
Jo =O'(Eo +vyBx -vxBy), Bo =J..!"H o , 
J y =O'(Ey +vxBo -voBx), By =J..!oH y , 


(13) 


równania magnetostatyki: 


B By B (RB o ) 
ae - B y = O, 
B (RBfJ) B Bx =0 
a x ae ' 
I a (REx) I a Bo B By 
+--+-=0 
R ax R ae ay , 
Bx = J..!o(H x + M x )' 
Bo =: Jlo(H o + Mo), 
By =: !lo (H y + My), 


B B B By 
----!... - - = O 
ay Bx ' 


(14) 


Rozwiązania równań ruchu danych w postaci związków (7)-(14) nie są możliwe do 
uzyskania na obecnym etapie wiedzy przy użyciu metod analitycznych. 
Dokonując w równaniach (7)-(14) odpowiednich przejść asymptotycznych charakte- 
rystycznych dla przepływów w cienkich warstwach cieczy ( h«R(x) ) [4, 5], zakładając 
przepływ osiowosymetryczny (
 = O ), można sprowadzić je do układu: 
as 


I B (Rv x ) av y 
- +-=0 
R ax ay 


(15)
>>>
60 


Jerzy Sawicki 


, 2 
a V x a V x 2 R a p a V x 
p(vx-+v --ve-)=--+f.!-+ 
a x y a y R D x a y2 
. a Hx a Hx 
+jeBy - )yBO + J.l,,(M x - + My -), 
DX ay 


(16) 


, 2 
o V o D V o R a V o 
p(v -+v --v v -)="-+ 
x ax Yay xO R r a / 
.. a Ho D Ho 
+ J y B x - J x By + f.! " ( M x a--;- + M y ay)' 


(17) 


a p a 2v y .. o Hy a Hy 
0= - - + f.! 
 + J x Ba - Je B x + f.! " (M x - + M y - o Y ), 
ay ax DX 


(18) 


Równania (I 5)-( 18) w celu ich zamknięcia uzupełnione są równaniami (J 1 )-(14) wią- 
żącymi parametry pola magnetycznego i elektrycznego (przy założeniu w nich, że 

=O). 
at) 
Dalsze uproszczenia równań (15)-(18) wynikają z założeń odnoszących się do konfi- 
guracji pola magnetycznego i elektrycznego, wartości magnetycznej liczby Reynoldsa oraz 
nasycenia magnetycznego. 


3. UPROSZCZONE FORMY RÓWNAŃ RUCHU 


Ruch cieczy lepkiej niemagnetycznej w ortogonalnym jednorodnym polu magnetycz- 
nym (B)' O. O), (Rem«/) 


równanie ciągłości: 


I o (Rv x ) o v y 
- +-=0 
R DX DY 


(19) 


równania pędu: 


. 2 
( D V x D V x 2 R a p a V x 2 
P V -+v --v -)=--+J.l--crB v 
x DX YDY aR ox D/ YX' 
'" . 2 
u
 D
 R B 
 2 
P (v x --;---- + v y - - vxva -) = J.l 
- cr Byv O - cr Ex B" , 
uX oy R By 
0= D p 
D y' 


(20) 


(2]) 


(22)
>>>
Uogólnione równania ruchu cieczy ... 


61 


prawo Ohma: 


jx=cr(Ex+veBy), Bx=fl"Hx, 


(23) 


tutaj: By = B" == const. 


Ruch cieczy lepkiej niemagnetycznej w niejednorodnym azymutalnym polu magne- 
tycznym (O,BcpO), (Rem«l) 


równanie ciągłości: 


I o(Rv x ) ov y 
- +-=0 
R ox oy 


(24) 


, 2 
( a V x a V x 2 R a p a VI . 
P vx-+V --v e -)=--+Il-- J Be, 
a x y a y R a x a y2 y 


(25) . 


( a va a ve _ V V li ) = II a 2va 
p V x -+v y e r 
ox oy x R 0/ ' 


(26) 


0= a p 
a y' 


(27) 


prawo Ohma: 


jy = cr(E y + VxBe), 


(28) 


. Rw 
tutaj: Ba == - B" . 
R 


Ruch cieczy lepkiej magnetycznej (ferromagnetycznej) w wzdłużnym polu magne- 
tycznym (H"O,O) 


równanie ciągłości: 


I a (Rv x ) ov y 
- +-=0 
R DX oy 


(29) 


równania pędu: 


, 2 
a V x a V x 2 R a p a V x a Hx 
p (vx--a;-+vYay-VeR)=- ox +1l
+fl"Mx---a;-' 
, 2 
a ve a ve R a Ve 
p(v -+v --V V e - ) ='J- 
x ox Yoy x R ro/' 


(30) 


(31)
>>>
62 


Jerzy Sawicki 


0= a p 
a y' 


(32) 


równania magnetostatyki: 


Bx =' llo(Hx + M x ), 
M Rz 
x = Mo, Hx
'= -Ho' 
R 


(33) 


Przedstawione powyżej szczególne postacie układów równań ruchu cieczy niema- 
gnetycznej (cieczy przewodzącej elektrycznie) i cieczy magnetycznej (tzw. cieczy ferro- 
magnetycznej) nie wyczerpują wszystkich możliwych form tych równań. 


4. WARUNKI BRZEGOWE 


Rozwiązania równań (15)-( 18) powinny spełniać warunki brzegowe odnośnie: 


- składowych prędkości: 


V x =v y =0 dla 
Ve = w I R(x) dla 
v e =w 2 R(x) dla 


y=:th, 
y= -h, 
y= +h, 


(34) 


- ciśnienia: 


p = P.. dla x = x.. 
p=pz dla x=x z 


(35) 


5. ROZWIĄZANIA RÓWNAŃ RUCHU 


Analiza równań (15)-(18) opiera się na typowych metodach uzyskiwania rozwią- 
zań, a mianowicie na: 
- metodzie opartej o tzw. "samopodobieństwo przepływów", czasem bardzo efektyw- 
nej, lecz w rozważanych przepływach (w szczelinach o krzywoliniowych zarysach) 
mającej nader ograniczone zastosowanie. Idea tej metody polega na wyznaczeniu 
transformacji zmiennych, umożliwiającej wspomniane samopodobieństwo. Trans- 
formacja ta nakłada jednak ograniczenia prowadzące do ścisłego określenia kształ- 
tów powierzchni ograniczających przepływ; 
- metodzie opartej o rozwinięcia w szereg względem tzw. "małego parametru". Metoda 
ta wymaga znalezienia tegoz parametru. Istnienie takiego parametru (w rozważanych 
równaniach tzw. zmodyfikowanej liczby Reynoldsa) pozwala na przewidywanie roz- 
wiązań układu równań w postaci nieskończonych szeregów potęgowych względem 
znalezionego parametru. Metoda małego parametru nie narzuca ograniczeń jak 
wspomniana wyżej metoda oparta na tzw. samopodobieństwie przepływów,
>>>
Uogólnione równania ruchu cieczy ... 


63 


- metodzie uśredniania członów bezwładnościowych, 
- metodzie przybliżeń całkowych. 
Powyższe dwie metody pozwalająjedynie na efektywne i dość dokładne wyznaczenie 
rozkładów ciśnienia w badanym przepływie. ' 
Z przytoczonych tutaj metod rozwiązywania równań analogicznych do równań war- 
stwy przyściennej, chcąc uogólnić rozwiązania, najbardziej przydatną metodą jest metoda 
małego parametru. 
Wykorzystując metodę "małego parametru" autor w pracach [6, 7, 8] przeprowadził 
w oparciu o równania (lS)-( 18) analizę przepływu cieczy lepkich niemagnetycznych i 
magnetycznych przedstawiając wyniki wpływu sił bezwładności, parametrów pola magne- 
tycznego i elektrycznego, kształtu powierzchni ograniczających przepływ na składowe pola 
prędkości i ciśnienia. 


LITERA TURA 


[I] Ezekiel F.D.: Ferrolubricants. New Application, Mechanical Engineering, 4, 1975. 
[2] Moscowitz R.: Designing with ferrofluids, Mechanical Engineering, 2,1979. 
[3] Sutton C. W., Sherman A.: Engineering magnetohydrodynamies, Mc.Graw-HilI, New 
York 1969. 
[4] Walicki E., Sawicki J., Ziejewski M.: Inertia effect in magnetic throughflow of vi- 
scous fluid in a slot between fixed surfaces ofrevolution, Mec. Appl., 23,6,1978. 
[S] Wierzcholski K.: Analysis of the solutions of equations deseribing a non newtonian 
ferrotluid tlow in the deformable gap of journal bearing in magnetic field, ZEM, 2, 
(42), 1980. 
[6] Sawicki 1.: Laminarny magnetohydrodynamiczny przepływ cieczy lepkiej w szczeli- 
nie między krzywoliniowymi wirującymi powierzchniami obrotowymi, Rozprawy In- 
żynierskie 3-4, 38, 1990. 
[7] Sawicki l.: Influence of inertial forces on the magnetic fluid flow in a clearance be- 
tween curvilinear surfaces of revolution, Mechanika Teoretyczna i Stosowana, 4, 32, 
1994. 
[8] Sawicki J.: Magnetohydrodynamic tlow ofviscous tluid in a slot between curvilinear 
surfaces of revolution, Rozprawy Inżynierskie, I, 1996. 


GENERALlZED EQUATIONS OF NON-MAGNETlC AND MAGNETIC 
FLUID IN THE SLOT BETWEEN CURVILINEAR SURFACES 
OF REVOLUTION 


SUMMAR y 


In the work there have been formed generalized equations of non-magnetic and 
magnetic fluid in the slots between survaces of revolution in the curvilinear coordinate 
system x,e, y, boundary layer and there have been discussed methods of solving the 
above equations.
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 
ZESZYTY NAUKOWE NR 202 - MECHANIKA (41) - 1996 


Bronisław Siołkowski 


MINIMALIZACJA DRGAŃ MECHANICZNYCH I HAŁASU 


W pracy przedstawiono przegląd najważniejszych prac promocyjnych 
i wdrożeniowych prowadzonych przez pracowników Katedry Mechaniki Stoso- 
wanej w ostatnich latach. 


I. WSTĘP 


Głównym nurtem prac naukowych realizowanych przez pracowników Katedry 
Mechaniki Stosowanej to zagadnienia związane z minimalizacją szkodliwych drgań 
mechanicznych i hałasu. Zarówno drgania mechaniczne jak i drgania akustyczne dzia- 
łają destrukcyjnie na człowieka i jego otoczenie. Minimalizacja drgań w układach me- 
chanicznych, będących równocześnie źródłem drgań akustycznych, jest jednym ze spo- 
sobów walki z hałasem, o której mówi się, że jest minimalizacją poziomu hałasu źródła. 
Wspólność obszaru zagadnień łączy te dwa problemy wibrodynamiki i wibroakustyki. 
Dalsze obszary zagadnień wibroakustycznych to pochłanianie szkodliwej energii aku- 
stycznej na drodze propagacji i izolacji hałasu. 
Rozważając możliwie prosty, bo liniowy układ mechaniczny, jako układ MDS 
(masowo-dysspacyjno-sprężysty), przedstawiony na rysunku la i 1 b, to modelem mate- 
matycznym dynamicznego procesu ustalonego są równania: 


u(iro) '= WMDS (iro) Q (iro), 


(l) 


lub 


Ul W II W 12 ...... W 1k ...... 
n QI 
u2 W 21 W 22 ...... W 2k ...... W 2n Q2 


U. 
I 



IWi2...... Wik...... Win Qk 


(I ') 


Urn W rnI W rn2 ...... W mk ..... Wrnn Qn
>>>
66 


Bronisław Siołkowski 


a) 


QUW).I1N..DS UW) I U(jW
 


b) 


-- ----- 

t
¥(f 


Uj 
U2 
_---.!!L 

 



.' 


Rys. I. a - model wektorowy; b - model algcbraiczny 


Z modelu matematycznego (1') wynika, że przemieszczenie w i-tym punkcie układu: 


n n 
ui Uw) = L W ik (jw )Qk (jo» = L Ujk (jw) , 
k
1 k
1 


(2) 


gdzie: 


uik Uw) = Uik (w) ejPjk(W), 


(3) 


przy czym 


Uik(W) = 
 [ReUik(jW)]2 +[Im U ik(jW)]2 = Wik(W)Q
(w). 


(4) 


Jak wiadomo z teorii procesów ustalonych związek (3) jest charakterystyką ampli- 
tudowo-fazowo-częstotliwościową, a związek (4) charakterystyką amplitudowo-często- 
tliwościową. 
Związek (4) przedstawiający amplitudę przemieszczenia i-tego punktu układu me- 
chanicznego drgań wywołanych siłą wymuszającą przyłożoną w k-tym punkcie tego 
układu, wskazuje na możliwości minimalizacji drgań mechanicznych: 
l) przez minimalizację amplitudy siły wymuszającej Q
 (w) ; 
2) przez minimalizację częstotliwościowej funkcji przejścia (podatności dyna- 
micznej) W ik (o» układu mechanicznego. 
Minimalizacja drgań na drodze zmniejszania amplitudy wymuszeń lub unikania 
wymuszeń parametrycznych wymaga analizy struktury układu, badania procesów tech- 
nologicznych zachodzących w układzie i zjawiska tarcia w parach kinematycznych oraz 
analizy niewyrównoważenia sił masowych. Natomiast minimalizacja drgań przez zmia- 
nę podatności dynamicznej układu wymaga znajomości częstości własnych układu i ta- 
kiego ustalenia parametrów ruchu i parametrów procesów technologicznych, aby podat- 
ność ta była możliwie mała. 
Jak już wspomniano minimalizacja drgań mechanicznych układu mechanicznego 
powoduje ograniczenie poziomu akustycznego źródła. Dalsze obniżenie hałasu jest mo-
>>>
Minimalizacja drgań ... 


67 


żliwe przez pochłanianie i izolację na drodze propagacji fali energii akustycznej. Propa- 
gację fali akustycznej opisuje równanie różniczkowe nie liniowe o pochodnych cząstko- 
wych: 


a 2 
 _ c
 
at 2 - (I + a
 )K + I 
aa 


a2
 

, 
aa 


(5) 


gdzie: 



 - przemieszczenie cząstki (współrzędna uogólniona); 
a - odległość cząstki od początku układu współrzędnych; 
K - wykładnik adiabaty dla powietrza; 
Co - prędkość początkowa dźwięku. 


Rozwiązanie tego równania metodą małego parametru [R2] pozwoliło autorowi na 
udowodnienie tezy, że dla poziomu hałasu przekraczającego 100 dB (ok.95 dB (A» 
natężenie dźwięku ma charakter nieliniowy i ustroje pochłaniająco-izolacyjne muszą 
mieć odpowiednie cechy geometryczno-właściwościowe, aby posiadały dostateczną 
skuteczność. 


2. BADANIA DYNAMICZNE WIRNIKÓW 


Dynamika wirników jest elementem dynamiki maszyn. Cechą charakterystyczną 
jest duże znaczenie masowych sił niewyważenia w ruchu obrotowym, kwalifikowane 
jako wymuszenia zewnętrzne. Drgania wywołane tymi siłami wywołują drugi ruch ob- 
rotowy (drgania obrotowe), który wraz z ruchem obrotowym własnym tworzy precesję, 
istotnie wpływającą na trwałość wirnika, emisję akustyczną itp. Podstawowym zagad- 
nieniem minimalizacyjnym drgań tego typu jest wyrównoważenie mas wirujących. Za- 
bieg wyrównoważania mas wirujących wpływa istotnie na charakterystykę amplitudo- 
wo-częstotliwościową w całym zakresie [A5], nie tak jak dodatkowe tłumienie tylko 
w obszarze rezonansowym. 
Według prostej zależności (4) proces wyrównoważania obniża amplitudę prze- 
mieszczenia Uik (00) przez zmniejszone amplitudy siły wymuszającej Q
 (00) . 
Potrzeba zabiegu wyrównoważania wirujących mas w procesie wytwarzania i po 
zabiegach remontowych jest niekwestionowana. Problem w tym jak realizować to sku- 
tecznie i wydajnie, zwłaszcza dla wirników o dużej podatności, pracujących w obsza- 
rach ponadrezonansowych. 
W Katedrze M.S. wykonane zostały prace badawczo-wdrożeniowe [PI], które za- 
inicjowały produkcję wyważarek stacjonarnych i przenośnych współpracujących z ukła- 
dami elektronicznymi i komputerowymi. Dalszy rozwój tych prac jest realizowany przez 
współpracującę Katedry z firmą CIMA T. Na rysunku 2 przedstawiony jest przykładowy 
wytwór tej firmy [P2]. 
W dynamice wirników, podobnie jak i w innych obszarach dynamiki maszyn np. 
w obrabiarkach, występuje problem drgań samowzbudnych wywołanych procesami
>>>
68 


Bronisław Siołkowski 


tarcia, recyrkulacji płynów czy procesami technologicznymi np. skrawaniem. W pracach 
promocyjnych Katedry przeprowadzone zostały badania stabilności ruchu szybkoobro- 
towych mieszadeł [R 1). W wyniku tych prac ujawnione zostały drgania samowzbudne 
wywołane procesem mieszania [A4] i określone zostały obszary statecznej pracy ze- 
społów mieszających z najbardziej popularnymi mieszadłami: śmigłowymi i turbino- 
wymi [AS]. 


a) 


b) 


Dl 
( 000 J 


o 


Rys. 2. a - wyważarka stacjonarna; b . moduł pomiarowo-obliczeniowy Rotortest 05 


3. ANALIZA UKŁADÓW DYSKRETNO-CIĄGŁYCH ZA POMOCĄ 
STRUKTURALNEJ SYNTEZY PODATNOŚCI DYNAMICZNEJ 


Mnimalizacja drgań przez minimalizację częstotliwościowej funkcji przejścia wy- 
maga analizy strukturalnej układu i jej optymalizacji. Jedną z metod analizy struktural- 
nej układów dynamicznych jest synteza podatności dynamicznych poszczególnych po- 
dukładów [Al, A2]. Zauważono, że metoda ta jest szczególnie przydatna przy badanich 
układów dyskretno-ciągłych, w których układy ciągłe, ze względu na ich złożoność, 
trudno opisać analitycznie. W takim przypadku podatność tych podukładów uzyskuje się 
z eksperymentu. Metodę tę zademonstruje przykład. Dany jest układ dyskretno-ciągły 
jak na rysunku 3. Jest to masa m podparta na podatnym, dynamicznie czynnym podłożu. 
Dla tego przykładu równanie (I') przyjmuje postać: 


l Ul i = l WI J WI2 1I Q] I 
u 2 W 2 ] W n Q2 


(5) 


Poszczególne funkcje przejścia można uzyskać z układu strukturalnego (blo- 
kowego) przedstawionego na rysunku 4, który otrzymano bazując na twierdzeniu o cią- 
głości przemieszczeń i zgodności sił, gdzie:
>>>
Minimalizacja drgań ... 


69 


I 

II =
12 =f3 2J =-----:2 
-mro 


(6) 


A _ -mro 2 + jcro + k 
1-'22 - 
-mro 2 (jcro + k) 


są podatnościami poszczególnych bloków podukładu B, jako układu o dwóch stopniach 
swobody z jedną masą m, wyznaczone analitycznie z równań ruchu oraz Y22 jest podat- 
nością podłoża (podukładu C), wyznaczoną doświadczalnie. 


8 m 


U1 


Rys. 3. Model układu dyskretno-ciągłego; 
B - podukład dyskretny; 
C - podukład ciągły. 


Q1 -1 P11 t- U 1 
--------- 
+ 
P21 
--- ---1 P12 
 
[; + U2 
P22 
-1 
-_.--
 122 
Rys. 4. Schemat blokowy układu z rysunku 3
>>>
70 


Bronisław Siołkowski 


Wykorzystując zasady redukcji schematów blokowych otrzymuje się poszczegól- 
ne funkcje przejścia: 


W II = 13 1 \ _ 13
2 
P22+Y22 


W - W _ PI2Y22 
12 - 21- 
P22+Y22 


(7) 


W - 13 22 Y22 
22 - 
1322 + Y22 


Minimalizacja macierzy podatności układu z równania (S) prowadzi do minimali- 
zacji przemieszczeń, a więc w konsekwencji do minimalizacji drgań. Należy zauważyć, 
że mając opisany układ w postaci strukturalnej można rozważać jego zmiany struktural- 
ne i doprowadzić do aktywnej kontroli drgań poprzez wprowadzenie do struktury czło- 
nów aktywnych. Można również co jest zaletą tej metody z równań (S) przejść do rów- 
nań przestrzeni stanu (A3], które w pewnych przypadkach ułatwią rozważania minima- 
lizacyjne. Obecnie omówioną metodą badany jest złożony układ mechaniczny - agregat 
ciągnikowy. 


4. MlMIMALlZACJA HAŁASU NA DRODZE PROPAGACJI FALI AKUSTYCZNEJ 


Jeżeli ograniczenie emisji źródła dźwięku jest niedostateczne, a takie sytuacje czę- 
sto występują przy pracy istniejących urządzeń mechanicznych, to walkę z hałasem 
prowadzi się na drodze propagacji fali akustycznej. Istnieje szereg metod tej walki, 
które można podzielić na metody pasywne i aktywne. Metody pasywne polegają na 
zastosowaniu różnych przegród, kabin, ekranów, obudów i tłumików, natomiast metody 
aktywne polegają na wyciszeniu hałasu przez interferencję z falą przeciwną emitowaną 
przez specjalne zewnętrzne źródło energii [A6, A 7]. 
W Katedrze M.S. wykonane zostały pewne prace badawcze w zakresie wyciszania 
interferencyjnego, których efektem są dwa zastrzeżenia autorskie (P2].Wyciszenie pa- 
sywne jest w Katedrze szeroko stosowane. Najlepsze efekty uzyskane zostały przy wyci- 
szemu: 
- automatów tokarskich w Zakładach "Predom Romet" w Bydgoszczy; 
- obrabiarek do drewna w Zakładach Stolarki Budowlanej w Sępólnie Krajeńskim; 
- sprężarek w Janikowskich Zakładach Sodowych [P3]; 
- młynów do rozdrabniania tworzyw sztucznych w Fabryce Akcesoriów Meblo- 
wych w Chełmnie (PS] i rys.S; 
- stolami j odlewni w ZNTK w Bydgoszczy [A8 i A9]; 
- automatów tokarskich w Zakładzie Akcesoriów Meblowych w Chełmży [A 10]; 
- łamacza szczękowego żelazostopów w Hucie Łaziska w Łaziskach Górnych; 
- fragmentu taśmociągu w Kopalni Węgla Brunatnego w Turowie (rys.6).
>>>
Minimalizacja drgań ... 


71 


Niektóre zastosowane ustroje wyciszające i badania ich efektywności opisane są 
w publikacjach [A8 - A 14], a najnowsze rozwiązania przykładowe podane są niżej. 
Na rysunku 5 podana jest obudowa dźwiękochłonna wewnętrznej komory młyna 
do tworzyw sztucznych w Fabryce Okuć Meblowych w Chełmnie. Zarys trójkątny bla- 
chy perforowanej pokrywy 5 skutecznie tłumi drgania akustyczne o zwiększonej ampli- 
tudzie ciśnienia. Natomiast na rysunku 6 przedstawiona jest konstrukcja ekranu wyci- 
szającego segment taśmociągu w Kopalni Węgla Brunatnego w Turowie. Kształt ekra- 
nu skutecznie ogranicza propagację hałasu w kierunku zabudowań sąsiedztwa kopalni 
i nie przeszkadza w obsłudze taśmociągu. Konstrukcja warstw absorbcyjnych z zasto- 
sowaną płytą z otworkami 03,2 mm typu "Waben" szwajcarskiej firmy PREWI-PHON 
(warstwa a na rys.6) zapewniła skuteczne tłumienie dźwięków o niskiej częstotliwości 
do ok. 200 Hz. Uzyskana skuteczność ekranu określona obniżeniem szkodliwych 
dźwięków wynosi 
L = ] 5 dB (A). 


6 


I 
I 
I 
I 
I 


Rys. 5. Rozwiązanie konstrukcyjne obudowy dźwiękochłonnej 
wewnętrznej komory młyna do tworzyw sztucznych: 
I - podstawa, 2 - zasyp, 3 - korpus, 4 - matcriał dźwięko- 
chłonny, 5 - pokrywa tłumiąca, 6 - osłona
>>>
72 


Bronisław Siołkowski 


f--
 


10 


1. 


o 
o 
m 
N 


o 
o 
o 
N 


l2
O 


00 


Rys. 6. Przckrój konstrukcji wyciszającej scgmentu taśmociągu w Kopalni Wygla Brunatncgo 
Turów: I - wiclokrotny ckran dźwiękochłonny, 2 - konstrukcja wsporcza przenośnika. 
3 - uchwyt osadczy ckranu, 4 - warstwa gumy izolującej, 5 - listwa prowadząca, 
6 - konstrukcja nośna ekranu, 7 - kątownik podtrzymujący stopy elastyczną, 8 - blacha 
pcrforowana odprowadzająca wody, 9 - elastyczna stopa tłumiąca (a - płyta z otwor- 
kami" Wabcn". b - wcina mineralna miękka - 50 kg/m 1. c - s/.c/.clina powictrma, 
d - wkład dystansowy, e - wcłna mineralna półmiękka - 60 kg/m 1, wcina mineralna 
twarda - SD kg/mł. g - guma, h - blacha ocynkowana. i - konstrukcja nośna ekranu)
>>>
Minimalizacja drgań HO 


73 


LITERATURA 


Rozprawy: 


R l. Siołkowski B. Badania stateczności ruchu szybkoobrotowych mieszadeł. A TR, 
Bydgoszcz 1986. 
R2. Wemerowski K. Asymptotyczne rozwiązanie wybranych zagadnień nieliniowych 
wibroakustyki maszyn. A TR, Bydgoszcz 1995. 


Artykuły naukowe: 


A l. Holka H. Receptance synthesis by means of block diagram in active system te- 
sting.vlII- th World Congress ofIFToMM, Sevilla 1987. 
A2. Holka H. Kontrola drgań układu dyskretno-ciągłego. Mechanika Z. N. 121, Gliwi- 
ce 1995. 
A3. Holka H. Układy dyskretno-ciągłe jako wielowymiarowe obiekty sterowania. Ze- 
szyty Naukowe A TR nr 192, Mechanika 37, Bydgoszcz 1995. 
A4. Siołkowski B. Drgania samowzbudne zespołów mieszających. Mech.Teor. i Stos. 
T. 27 Z.I PWN W-wa 1989. 
A5. Siołkowski B. Stabilność pracy mieszalników cieczy. Cz.I i Cz. . Zeszyty Naukowe 
A TR nr 173, Mechanika 35, Bydgoszcz 1992. 
A6. Wemerowski K. Zagadnienia minimalizacji hałasu maszyn na drodze propagacji. 
Proceedings, Noise Control'85, Kraków 1985. 
A 7. Wemerowski K. Noise Reduction of Longitudinal Automatic Lothes. Proceedings, 
Noise Control'88, Kraków 1988. 
A8. Wemerowski K. Analiza izolacyjności akustycznego ekranu lekkiego i ekono- 
micznego. Zastosowanie Ergonomii Nr 2, 1992. 
A9. Wemerowski K. Wyciszenie pilarek tarczowych. Przyjaciel przy pracy, Behapress 
3, 1993. 
AIO. Wemerowski K. Eksploatacja wyciszonych podajników automatów tokarskich 
wzdłużnych. Materiały VI Krajowego Sympozjum Eksploatacji Urządzeń Tech- 
nicznych . Jastrzębia Góra 1989. 
A II. Wemerowski K. Wybrane zagadnienia rozwoju pochłaniaczy przestrzennych hała- 
su. Zastosowanie Ergonomii Nr 5, 1993. 
A12. Wemerowski K. Analiza izolacyjności akustycznej ustroju wyciszającego hałas. 
Zastosowanie Ergonomii Nr 6, 1994. 
A13. Wernerowski K. Wyciszanie maszyn i urządzeń. Przyjaciel przy pracy, Behapress 
3,1995. 
A14. Wemerowski K. Asymptotic Solution of Acoustic Nonlinear Wave Equation with 
Friction Archives of Acoustic vo120, Nr 3, 1993. 


Sprawozdania Z prac badawc1J'ch i patenty 


P\. Malec M., Topoliński A. Sprawozdania z pracy CPBR J2.3 p.t."Przenośne przy
 
rządy do wyważania i diagnostyki". A TR Bydgoszcz 1989-91. 
P2. Katalog wyrobów firmy CIMA T. 
P3. Wemerowski K. Patenty Nr 160895 i Nr 164624.
>>>
74 Bronisław Siołkowski 


P4. Wemerowski K., Waliszko E. Patent Nr 136547. 
P5. Sprawozdanie z pracy naukowo-wdrożeniowej BZ - pt.- Wyciszanie młynów do 
tworzyw sztucznych na wydziale W-3 Fabryki Akcesoriów Meblowych w Chebn- 
nie, 1985. 


REDUCING TO MINIMUM MECHANICAL VIBRA nON AND NOISE 


SUMM ARY 


This paper contains review ofthe most important promotion and inculcation works 
which were conduct in Department ofPractical Mechanics over the last years.
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 
ZESZYTY NAUKOWE NR 202 - MECHANIKA (41) - 1996 


Michał STYP-REKOWSKI 
Ryszard WOCIANIEC 


OSIĄGNIĘCIA W DZIAŁALNOŚCI NAUKOWO-BADAWCZEJ 
KATEDRY OBRABIAREK I ROBOTÓW I ICH PRAKTYCZNE 
WYKORZYSTANIE 


W pracy zamieszczono przykłady praktycznego zastosowania wyników 
działalności naukowej i naukowo-badawczej pracowników Katedry Obrabiarek 
i Robotów. Przedstawiono wybrane prace, głównie o charakterze projektowo- 
konstrukcyjnym, które zdaniem autorów ukształtowały dzisiejszy obraz Katedry. 


l. WPROWADZENIE 


Katedra Obrabiarek i Robotów ma charakter typowo konstrukcyjny. Dotyczy to za- 
równo dydaktyki, jak i działalności naukowo-badawczej. Efektem tej ostatniej są opra- 
cowania projektowo-konstrukcyjne głównie obrabiarek, których prototypy, wykonywane 
w większej części w Katedrze, pozwalaly na praktyczną weryfikację przyjętych założeń 
konstrukcyjnych. W niniejszej pracy przedstawiono wybrane rozwiązania najlepiej ob- 
razujące osiągnięcia Katedry (wcześniej Zakładu Podstaw Konstrukcji Maszyn Tech- 
nologicznych) w zakresie działalności naukowej i naukowo-badawczej. 


2. OBRABIARKI DO OBRÓBEK EROZYJNYCH 


Jeszcze w łatach siedemdziesiątych zespół pod kierunkiem Profesora Antoniego 
F. Budzyńskiego podjął się opracowania honownicy elektrochemicznej. Tworzyli go 
przede wszystkim pracownicy ówczesnego Zakładu Podstaw Konstrukcji Maszyn obec- 
nie zatrudnieni w Katedrze Obrabiarek i Robotów. Uzupełniali go przedstawiciele in- 
nych zakładów Wydziału Mechanicznego. 
Rezultatem tych prac były dwa egzemplarze honownicy EHCA63. Postać kon- 
strukcyjną obrabiarki oraz rozmieszczenie jej zespołów przedstawiono na rysunku l. 
Umożliwiała ona honowanie tradycyjne i elektrochemiczne otworów oraz powierzchni 
zewnętrznych a także, lecz już w ograniczonym zakresie, nagniatanie tradycyjne oraz 
nagniatanie wspomagane elektrycznie. 
Obrabiarka ta posiadała następujące wielkości charakterystyczne: 
- maksymalna długość obrabianego otworu - 630 mm; 
- maksymalna średnica obrabianego otworu - 100'mm; 
- napięcie zasilania - 3 x 380 V; 
- napięcie sterowania - 24 V; 
- natężenie prądu technologicznego - O - 600 A;
>>>
76 


M. Styp-Rekowski, R. Wocianiec 


- napięcie międzyelektrodowe 
- moc zainstalowana 


- max. 24 V; 
- 34 kW. 


c::::
 


Rys.l. Postać konstrukcyjna honownicy elektrochemicznej EHCA63 oraz 
rozmieszczenie jej zespołów: I - część obrabiarkowa, 2 - zasilacz 
hydrauliczny, 3 - zasilacz plynów obróbkowych, 4 - zasilacz prądowy
>>>
Osiągnięcia w działalności .., 


77 


Obrabiarka o napędzie hydraulicznym wyposażona była w adaptacyjny układ ste- 
rowania ruchem narzędzia, co zwiększało dokładność obróbki dzięki możliwości samo- 
czynnego korygowania błędów mak.rogeometrii honowanych otworów. 
Wytworzone prawie całkowicie w laboratorium Zakładu PKM pierwsze dwa eg- 
zemplarze pozwalały na weryfikacje założeń dokonanych na etapie projektowania, kon- 
struowania, a także wytwarzania obrabiarki. Umożliwiały również prowadzenia badań 
nad samym procesem obróbki. 
Jeden z egzemplarzy honownicy sprawdzany był z powodzeniem w praktyce prze- 
mysłowej - używano jej do obróbki stopy korbowodów silników do popularnych moto- 
rowerów w Zakładach Metalowych w Nowej Dębie. 
Oddzielną, lecz nierozerwalnie połączoną z obrabiarką, problematykę badawczą 
stanowiły badania nad narzędziem, a więc dobór właściwej jego postaci i optymalizacja 
cech konstrukcyjnych. Sporo doświadczeń w tym względzie uzyskano dzięki wspomnia- 
nym wyżej próbom przemysłowym w Nowej Dębie. Jedną z kolejnych udoskonalonych 
w wyniku tych prób wersji narzędzia służącego do obróbki otworów przedstawiono na 
rysunku 2. 


. ' 2 
',' 
.0- " 


Rys.2. Głowica z wymiennymi elektrodami do honowania otworów [3]: 
I - korpus. 2 - wymienne elektrody 


O poziomie zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych mogą świadczyć udzielone 
na nie liczne (kilkanaście) patenty i wzory użytkowe. Nowatorstwo w ujęciu problemu i 
jego rozwiązaniu zostały również potwierdzone uzyskaniem pięciu stopni naukowych 
Uednego doktora habilitowanego i czterech doktorów) przez członków zespołu realizu- 
jącego tę problematykę badawczą [l]. 
Drugą obrabiarką z tej grupy zaprojektowaną, wykonaną i przebadaną przez zespół 
pracowników tworzących obecnie Katedrę Obrabiarek i Robotów jest drążarka elektro- 
chemiczna EDCA 10. Jej część obrabiarkową przedstawiono na rysunku 3, a kinematykę 
napędu na rysunku 4. Charakteryzuje się ona takimi cechami,jak: 
- pionowy układ przesuwu elektrody; 
- łatwość wglądu do przestrzeni roboczej przez obsługującego; 
- dobry dostęp do elementów mocujących przedmiot obrabiany i elektrodę robo- 
czą. 
Na podstawie (I) - rysunek 3, z uchylnymi pulpitami sterującymi umieszczona jest 
komora robocza (2), na której znajduje się zespół napędu przesuwu elektrody roboczej 
(3). Boczne ściany komory roboczej są otwierane umożliwiając wspomniany wyżej 
łatwy dostęp do przestrzeni roboczej. W przedniej ścianie jest zainstalowana wirująca 
szyba pozwalająca na wgląd do komory roboczej w czasie obróbki. Wolnostojące ze-
>>>
78 


M. Styp-Rekowski, R. Wocianiec 


społy pomocnicze: zasilacze płynów obróbkowych i prądu oraz wirówka umożliwiają 
ustawienie obrabiarki w dowolnej konfiguracji, w zależności od powierzchni, którą 
dysponuje użytkownik. 


Rys.3. Drążarka elektrochemiczna EOCA 10 [21: 
I - podstawa z uchylnymi pulpitami stcrującymi, 
2 - komora robocza, 3 - zespół napędowy elektrody
>>>
Osiągnięcia w działalności ... 


3 


C=:J 
4 
5 
'6 
7 
8 


79 


2 


9 


Rys. 4. Schemat kinematyczny napędu elektrody roboczej (2]: I - silnik tar- 
czowy PIT-20, 2 - prądniczka tachometryczna, 3 - przetwornik obro- 
towo-impulsowy CPPC50, 4 - przekładnia toczna VNB 168, 5 - prowad- 
nik, 6 - prowadnice toczne, 7 - osłona teleskopowa, 8 - płyta narzędzio- 
wa, 9 - wkładka wibroizolacyjna 


Niektóre dane techniczne drążarki EDCA 1 O, pozwalające zorientować się w jej 
mo2liwościach obróbczych, są następujące; 
- wymiary stołu - 400 x 400 mm; 
- wymiary plyty narzędziowej - 200 x 200 mm; 
- napięcie zasilające - 3 x 380 V; 
- natężenie prądu technologicznego - O - 600 A; 
- napięcie międzyelektrodowe - max. 24 V; 
- skok roboczy elektrody - 160 mm; 
- prędkość ruchu roboczego elektrody (regulowana bezstopniowo) 
- 0,1 - 600 mm/min; 
- pojemność zbiorników elektrolitu - 0,4 m 3 ; 
- wydatek wirówki - 80 dm 3 /min; 
- moc zainstalowana - 25,5 kW. 
Zespołami pozwalającymi na realizację założonych możliwości technologicznych 
obrabiarki są: napęd elektrody robocźej oraz układ sterowania. Istotną cechą świadczącą 
o nowoczesności rozwiązania (oczywiście w tamtym czasie - na początku lat 80) jest 
zastosowanie silnika tarczowego z magnesami trwałymi jako wspólnego napędu ruchu 
roboczego elektrody i przyspieszonego ruchu ustawczego. Silnik tego typu charaktery- 
zuje się małą bezwładnością, co pozwala uzyskać małą stałą czasową układu. Przy za- 
stosowanym przełożeniu mechanicznym uzyskuje się w ten sposób dokładność pozycjo- 
nowania 20 f..I.m.
>>>
80 


M. Styp-Rekowski, R. Wocianiec 


3. ROBOTY I MODUŁ Y LINIOWE 


Drugą grupę maszyn technologicznych opracowanych w Katedrze stanowią roboty 
i moduły liniowe, a więc strukturalne składniki niezbędne w układach elastycznej auto- 
matyzacji. Roboty mające charakter przede wszystkim przemysłowo-edukacyjny, wyko- 
nano w dwóch wersjach: 
- robot L1 o sześciu stopniach swobody; 
- robot L2 o pięciu stopniach swobody. 
Są to w pełni oryginalne rozwiązania opracowane w Katedrze. Wykorzystano 
w nich elementy firm przodujących w projektowaniu i wytwarzaniu zespołów i części 
obrabiarkowych. Zastosowane rozwiązania konstrukcyjne oraz wyżej wspomniane ele- 
menty pozwoliły na uzyskanie założonych wysokich parametrów, porównywalnych 
w pewnych zakresach z podobnymi rozwiązaniami firm zagranicznych, a przewyższają- 
cych rozwiązania krajowe. 
Przeprowadzone kompleksowe badania prototypów w pełni potwierdziły słuszność 
i prawidłowość przyjętych założeń i rozwiązań konstrukcyjnych, co w połączeniu 
z wysoką jakością ich wykonania (głównie w Katedrze) dały efekt w postaci wysokiej 
klasy maszyn. 
Druga generacja tych robotów wykonana została z ciągnionych profili aluminio- 
wych. Przedstawiono je na rysunkach 5a i b. Efekty ich zastosowania to głównie obni- 
żenie pracochłonności wykonania robotów lecz także, co nie jest obecnie bez znaczenia, 
zdecydowana poprawa ich estetyki. 
Moduły liniowe zaprojektowano i wykonano w kilku wariantach konstrukcyjnych: 
- z napędem silnikiem skokowym i śrubą toczną; przemieszczenia w zakresie 
0- 1000 mm, 
- z napędem silnikiem skokowym i przekładnią z paskiem zębatym; przemieszcze- 
nia w zakresie O - 1000 mm, 
- z napędem dwoma siłownikami pneumatycznymi; trójpołożeniowy (O - 500 - 
1000 mm), 
- z napędem silnikiem skokowym i przekładnią z paskiem zębatym; przemieszcze- 
nia w zakresie O - 3000 mm. 
We wszystkich wariantach konstrukcyjnych zastosowano łożyskowanie toczne, 
wykorzystując do tego celu liniowe łożyska toczne i prowadnice o przekroju kwadrato- 
wym szwajcarskiej firmy SCHNEEBERGER. Gwarantuje to dużą sztywność modułów, 
co w połączeniu z napędem silnikami skokowymi, pozwoliło na uzyskanie wysokiej 
dokładności pozycjonowania (20 mm). Przekrój poprzeczny przez jeden z wariantów 
modułu przedstawiono na rysunku 6.
>>>
Osiągnięcia w działalności 0.0 


a) 


81 


I 


----- 
..-'... 
 . 
 


I. 
I 
' iii 

.' 


,.... .. 


----'- 


 
... 


J I 


; I 

 ' 
. !, 
. 
I 


, 'I 


t 


" 


1111 



"';;},.o. 


b) 


rj: : 


I. . 


, 
'
 


:11'1" "':rJ
. .. 


. 


.
. ....: 
.' 


,; 


'" ;" ,., 


JOl, 'r 
'('. 


" 
."'i ..I)" 


f1!fś ...;
. , ' 

1
ł-:' 
"'. DIA
 ---: -,-
"'''- - 


H 


ł--PN'" . 


:..... 



, 


'IV'; '!' 


Rys. 5. Postać konstrukcyjna robotów przemysłowo-edukacyjnych: a - robot L I 
o sześciu stopniach swobody, b - robot L2 o pięciu stopniach swobody
>>>
82 


M. Styp-Rekowski, R. Wocianiec 


2 


Rys_ 6. Szczegóły konstrukcyjne ułożyskowania modułu liniowego (5): 
I - łożyska liniowe Schneebergera, 2 - prowadnice 


Dzięki prostej metodzie łączenia odcinków prowadnic możliwe jest wykonywanie 
modułów o dużych wartościach przemieszczeń liniowych. 
Roboty przemysłowo-edukacyjne są szczególnie przydatne w procesie dydaktycz- 
nym, realizowanym na kierunku "Obrabiarki i urządzenia technologiczne", pozwalając 
na praktyczne zapoznanie się z programowaniem obrabiarek, a dzięki zastosowaniu 
modułów liniowych także na budowanie modelowych linii elastycznych systemów wy- 
twarzania - najnowszej ówcześnie tendencji w dziedzinie technik wytwarzania. Jako 
samodzielne maszyny mogą być one również wykorzystywane w przemyśle przy auto- 
matyzacji procesów technologicznych. 


4. MASZYNY DO OBWODÓW DRUKOWANYCH 


Kolejną grupą opracowanych i wykonanych w Katedrze maszyn są różnego ro- 
dzaju maszyny służące do wytwarzania wielowarstwowych obwodów drukowanych. Jest 
to działalność na rzecz zleceniodawców zagranicznych, głównie firm niemieckich: 
Klaus SCHNEIDER CNC Steuerungen i COIMPEX. Realizowana była ona głównie 
w Jednostce Innowacyjnej stanowiącej integralną część Katedry. Na ich zlecenie wyko- 
nano i przebadano prototypy takich maszyn jak: prasa, wiertarki, tester, podajniki, na- 
świetIarki, skanery wykorzystywane na różnych etapach wytwarzania wielowarstwo- 
wych obwodów drukowanych. Wyniki doświadczalnej weryfikacji wykonanych prototy- 
pów były różne, jednak w zdecydowanej większości przypadków pozytywne. Jako przy- 
kład pozytywnych rezultatów działalności Katedry na tym polu mogą posłużyć maszyny 
z układami optycznymi, a więc naświetlarki, skanery i układy wideokomputerowe, któ- 
rych kolejne udoskonalane w Katedrze wersje są w ofertach firm zamawiających te 
opracowania, np. naświetlarka przedstawiona na rysunku 7 oferowana przez firmę Elec- 
tronic Production Equipment Wessel z Detmold (RFN).
>>>
Osiągnięcia w działalności ... 


83 


Szczególnie odpowiedzialnym układem naświetlarek jest ich układ optyczny. 
Z tego też względu postać konstrukcyjna tego układu jest ciągle optymalizowana a jed- 
ną z nich przedstawiono na rysunku 8. 


-


'!" 



.

 --i 


. I 


- 
---.. 
. -_.. 


-" 
'/' 


1:_ . 


" 


. 
\ 
! ' 


.....- . 
,- 


- 


.---. 
--...t 


.I. 


... 


Rys. 7. Naświetlarka firmy EPE WESSEL Oetmold (RFN) 


.. 


Rys. 8. Schemat funkcjonalny układu optycznego naświetlarki [6J: I - źródło świa- 
tła, 2 - zwierciadło elipsoidalne, 3 - kondensor, 4 - zwierciadło ultrafioleto- 
we, 5 - soczewka Fresnela
>>>
84 


M. Styp-Rekowski, R. Wocianiec 


Skanery stanowią także istotny fragment dorobku Katedry Obrabiarek i Robotów. 
Kolejne egzemplarze tych maszyn, modernizowane w wyniku badań wersji poprzednich, 
wytwarzane były bądź w Laboratorium Katedry bądź pod nadzorem projektantów u 
zleceniodawcy. 
Wielowarstwowe obwody drukowane w procesie ich wytwarzania mogą ulegać de- 
formacjom. Przyczynami tych deformacji są najczęściej: 
- względny poślizg sklejanych bądź prasowanych warstw P; 
- zmiany dylatacyjne poszczególnych warstw. 
Aby usterki wynikające z tych wad usunąć lub zminimalizować ich skutki, opraco- 
wano w Katedrze specjalną metodę, w której wykorzystano wideokomputerowy układ z 
widzeniem "światowidowym". Cechy konstrukcyjne jednego z opracowanych rozwiązań 
układu peryskopowego służącego do tego celu przedstawiono na rysunku 9. 



 
r----, ---, 
I (11__'0)' 


j.-! 
r ----------, 
t ! \ 



 J--!- 
. -ł 
Rys. 9. Postać konstrukl:yjna ukladu peryskopowego 14J: l - kamera, 2 - obicktyw, 3 - pe- 
ryskop, 4 - wrzcciono, 5 - oświetlacz 


Zastosowanie tego układu w produkcji wielowarstwowych obwodów drukowanych wy- 
kazało jego dużą przydatność, a użycie jego wraz z kamerą o rozdzielczości 8,6 x 8,3 /lm 
umożliwia korygowanie położenia wierconych otworów względem wewnętrznej struktury 
połączeń z dokładnością do kilku mikrometrów. Pozwala także na minimalizację błędów 
powstałych w procesie technologicznym obwodów.
>>>
Osiągnięcia w działalności ... 


85 


s. PODSUMOWANIE 


W niniejszym opracowaniu przedstawiono jedynie najważniejsze, według oceny 
autorów, przykłady zastosowania w praktyce rezultatów prac naukowo-badawczych 
realizowanych w Katedrze. Cały dorobek naukowy i naukowo-badawczy osób zatrud- 
nionych w Katedrze obecnie, a także i w przeszłości jest znacznie bogatszy, o czym 
świadczyć może długa lista publikacji, opracowań a także nagród i wyróżnień. Jest to 
wynikiem przede wszystkim osobistego zaangażowania realizatorów tych prac i firm 
finansujących. Sukcesy te, gdyż w takich kategoriach należy ocenić ten dorobek, nie 
byłyby jednak możliwe bez odpowiednich warunków stworzonych przez władze Uczelni 
i Wydziału. 


LJTERATURA 


[ł] Budzyński A.F.: Ciekawsze rozwiązania naukowo-badawcze i projektowo-kon- 
strukcyjne zrealizowane w Katedrze Obrabiarek i Robotów. Przyjęte do druku w Ze- 
szytach Naukowych A TR, Mechanika. Bydgoszcz 1996. 
[21 Budzyński A.F., Lango M., Lewandowski Wł., Szymura L.: Drążarka elektroche- 
miczna EDCA I O. Materiały Konferencji EM'82 (Electromachining). Akademia 
Techniczno-Rolnicza, Bydgoszcz 1982. 
[3] Budzyński A.F., Seroka St.: Badania honowania elektrochemicznego jednokierun- 
kowego wzdłużnego. Materiały Konferencji EM'82 (EJectromachining). Akademia 
Techniczno-Rolnicza, Bydgoszcz 1982. 
[4] Budzyński A.F., Wocianiec R., Zdrojewski l., Bujnowski S.: Wideokomputerowa 
korekta współrzędnych położenia otworów w wielowarstwowych obwodach druko- 
wanych. Materiały sympozjum "Projektowanie procesów technologicznych". Poli- 
technika Poznańska, Poznań - Czemiejewo 1995. 
[S] Domanowski P., Styp-Rekowski M.: Moduły liniowe o ruchu prostoliniowym. Mate- 
riały IV konferencji n.t. "Konstrukcja, technologia i eksploatacja maszyn". Akade- 
mia Techniczno-Rolnicza, Bydgoszcz 1992. 
[6] Wocianiec R.: Optymalizacja drogi optycznej naświetJarki do obwodów drukowa- 
nych. Zeszyty Naukowe Akademii Techniczno-Rolniczej, Mechanika. Bydgoszcz 
1996 (artykuł złożony). 


ACHIEVEMENTS OF MACHIN E TOOLS AND ROBOTS CHAIR 
ON THE FIELD OF SCIENTIFIC AND RESEARCH ACTIVITY 
AND THEIR PRACTICAL APPLICATION 


SUMMARY 


In this paper are shown the examples ofpractical application ofscientific and rese- 
arch activity of Machine Tools and Robots Chair staff. Some work, mainly design and 
constructional character, which to authors mind, formed current view of Chair are pre- 
sented.
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 
ZESZYTY NAUKOWE NR 202 - MECHANIKA (41) - 1996 


Józef Szala 


PROBLEMA TYKA ZMĘCZENIA 
W PROCESIE PROJEKTOWO-KONSTRUKCYJNYM 


W pracy omówiono metody obliczeń i badań stosowane w poszczególnych 
stadiach istnienia obiektów technicznych, kładąc istotny nacisk na możliwość we- 
ryfikacji konstrukcji w tych stadiach. Zagadnienia ogólne zilustrowano praktycz- 
nymi przykładami oraz wskazaniem źródeł literaturowych zawierających szcze- 
gółowe dane o metodach obliczeń i badań. Dane te oparto na pracach zreaJizowa- 
nych w Katedrze Podstaw Konstrukcji Maszyn Akademii Techniczno-Rolniczej 
w Bydgoszczy w latach 1969- J 996. 


l. WPROWADZENIE 


Problematyka zmęczeniowa elementów konstrukcyjnych występuje w procesie 
projektowo-konstrukcyjnym obok wielu innych ważnych zagadnień, takich jak: bezpie- 
czeństwo, niezawodność, diagnostyka, ergonomia, ekonomia, ponadto ze względu na 
zachowanie się wytworów i ich uszkodzenia-zagadnienia: tribologiczne, reologiczne, 
dynamiczne itd. Zagadnienia zmęczeniowe w szczególnych przypadkach nabierają du- 
żego znaczenia np. w technice: lotniczej, kosmicznej, motoryzacyjnej, nuklearnej, 
w której uszkodzenia zmęczeniowe prowadzą do poważnych w skutkach katastrof. 
Pomiędzy wymienionymi na wstępie zagadnieniami istnieje wiele związków 
(sprzężeń i sprzężeń zwrotnych) i w procesie projektowo-konstrukcyjnym wszystkie 
zagadnienia powinny być uwzględnione z należytą uwagą, tzn. zgodnie z ich wagą 
w rozwiązywanym zadaniu projektowym. Mając świadomość potrzeby całkowitego 
rozwiązania, w tym artykule jedynie skrótowo omówione zostaną zagadnienia konstru- 
owania i metody weryfikacji konstrukcji ze względu na zmęczenie i zmęczeniowe pę- 
kanie elementów konstrukcyjnych. Tej problematyce poświęcono w Katedrze Podstaw 
Konstrukcji Maszyn 25 łat badań, na podstawie których opublikowano: 90 artykułów 
naukowych, 7 rozpraw, 2 monografie książkowe, 2 książki oraz wygłoszono na sympo- 
zjach krajowych i międzynarodowych ponad 100 referatów naukowych fI). 
Celem niniejszej pracy jest ilustracja wybranych zagadnień przykładami z licznych 
badań prowadzonych w Katedrze PKM, a w odniesieniu do skrótowych opisów - 
wskazanie literatury, gdzie znaleźć można szczegółowe opisy metod obliczeń i badań 
zarówno w źródłowych pracach Katedry, jak i w literaturze światowej. 


2. SFORMUŁOWANIE PROBLEMU I OKREŚLENIE ZAKRESU PRACY 


Pozostawiając czytc.lnikowi refleksję nad skutkami katastrof np. lotniczych czy drogo- 
wych, w których uczestniczą ludzie, wskazane zostaną wybrane zagadnienia ekono-
>>>
88 


Józef Szala 


miczne uszkodzeń zmęczeniowych, które w procesie projektowo-konstrukcyjnym należy 
minimalizować. W badaniach uszkodzeń dużej liczby pojazdów mechanicznych stwier- 
dzono, że około 60% tych uszkodzeń związanych jest z problematyką zmęczenia [2J. 
Ogólny efekt pęknięć zmęczeniowych w Stanach Zjednoczonych zamykał się stratami 
99 miliardów dolarów rocznie. W ocenie specjalistów zastosowanie wiedzy z zakresu 
zmęczenia mogłoby zredukować te straty do poziomu 29 miliardów dolarów [3J. Japoń- 
skie linie lotnicze wykazały, że koszty naprawy i obsługi swoich Boening'ów 747 były 
porównywalne z ich ceną, głównie z przyczyn projektowych [4]. Na rys. J przedstawiono 
w postaci schematu blokowego elementy procesu projektowo-konstrukcyjnego wzorując 
się na pracy [S]. Analiza zagadnień zmęczeniowych mieści się we wszystkich stadiach 
istnienia wytworu, a skutki ekonomiczne w zakresie kosztów wprowadzania zmian zwy- 
kle koniecznych w wyniku popełnionych błędów z jednej strony i efektów odpowiednio 
wcześnie wprowadzonych zmian, przedstawiono schematycznie na rys.2 (6]. Dobrą 
ilustracją omawianego zagadnienia są co pewien czas pojawiające się doniesienia pra- 
sowe o konieczności wymiany wadliwych elementów w sprzedanych samochodach, nie 
trudno wyobrazić sobie skutki ekonomiczne takiej operacji. 
Jakość rozwiązania zadania projektowego zależy przede wszystkim od określenia 
stanu początkowego, na który składają się dane o obiekcie dotyczące jego własności 
i dotyczące oddziaływań (wymuszeń) otoczenia, oraz od zastosowanych procedur pro- 
jektowych. Sformułujemy zatem kilka ogólnych uwag. W zakresie wspomnianych da- 
nych istotnie różni się projektowanie nowych wytworów od projektowania w zakresie 
rozwoju istniejących, często od dziesiątków lat (np. samochody). 
W pierwszym przypadku dysponujemy małą ilością, niepewnych danych, zwykle 
mamy: 
- przybliżone dane o własnościach mechanicznych materiałów konstrukcyjnych; 
- niepewne dane o karbach konstrukcyjnych, wadach technologicznych (postać, 
wielkość i rozkład); 
- prawie całkowity brak danych o przebiegach obciążeń eksploatacyjnych, wpły- 
wie otoczenia na przebieg procesu zmęczenia. 
W drugim przypadku dysponuje się bogatym "bankiem danych", który każdy po- 
ważny producent tworzy na tle badań wcześniejszych wersji od momentu ich opracowa- 
nia w procesie projektowo-konstrukcyjnym do momentu ich likwidacji. 
Z przedstawionych dotąd uwag wynika duża złożoność problemu i stąd potrzeba 
wyboru zaledwie kilku zagadnień do dalszego omówienia. W pracy dokonano wyboru 
kilku przykładów analizy zmęczeniowej w różnych fazach istnienia wytworu i wskaza- 
nia źródeł literaturowych przydatnych w rozwiązywaniu dalszych zagadnień dla przy- 
padky rozwiązywania nowych zadań projektowych. Należy podkreślić, że zarówno 
obliczenia, jak i badania zmęczeniowe są zabiegami sprawdzającymi wcześniej określo- 
nych cech konstrukcyjnych. 
W dalszych punktach omówione zostaną kolejne stadia procesu projektowo- 
konstrukcyjnego, wytwórczego, eksploatacyjnego oraz weryfikacji analitycznej i do- 
świadczalnej. W każdym stadium obowiązują zabiegi iteracyjne, których schemat poka- 
zano na rys. I b.
>>>
o) o 

 
Le en 
u c 
D 
o II 
LO C N 
U 
U 2 II 
:-. 
c D 'Ci 
D 
 '" 
U II 

 n 
'ił 
c 'c D 
o 
 U '" 
D U D .£ 
D U 
" a N 
C :J II 
o 
D o o 

 C 
o 'Go 
 
II o 'u 
o " iJ n 
en c O O 
L: '" O 
" U O 
 

 .!! E 
O :-. 

 ..c" 
 'u 
B U 
D n 
II D O 
U O 'c c 
O 'c D 'U 
O II 
 O 
'ił 'O O 
 
E ."'- D 
:J . N 
D N II 
Z D 
 'c 
U- 
D '? 

 U 
E 'u - 
- D :::. 
II 
 U 
c" II 'Go 

 II D 
D " 
.
 D C 
:o N ..c 
U 
D D .!! 
II 'c 
U C D 

'I D D N iJ 
;; U " O 
'1 .! 
E .
" iJ 'c 
°l .u - c 
 D 
 - 
CI n .r:, N 
O 
 u 
::1 E " '" iJ 
O E " 
 
,:I 'c - U 
o. O o. 
ol c 
 
 
N O 
c../ 
zl 
-I OJ c 
I C O 
D 'C 

I U O 
"', c" n 
O, D 
U 
 '0' 
III O 
 
n O 
CI U D " 
O 'E o 
NI ., O Ci 
E O II 
."'- 
;
 IJ 
" II 
'c O .
 
o 
 
iJ 
D ., o 
II e 
.""Q. 1J 
D D O 
C 
 
N N 


Transmisja cech ... 


5 


1. 
Rozpoznanie potrzeby 
Opis potrzeby 
Zadonie konstrukcyjne 
I 
Zololenio konstrukcyjne 
I 
Komponowanie 
koncepcyjne 
KONCEPCJA 
! 
DobOr cech 
konstrukcyjnych 
KONSTRUKCJA 
Projekt wstepny 
Zopis konstrukcji 
I 
Proces wytworzenia 
WYTWÓR 
Prototyp 
Serio informacyjna 
Produkcjo rynkowo 
I 
Proces eksplootocji 
EKSPLOATACJA 
Ulytkowanie 
Obslugo i naprowy 
Diagnostyko 


89 


b) I - - 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
L____ 


" 
c 
o 
.
 ."'- 
:o .
 II 
- .D 

 o 
c 
 
o. go. 
..c .ci 
o 
- 
D 
D 
;;; 
., 
 
c O 
o. N 

 f
 
'" w 
iJ c 
z .ci '" 
C E 
'" 
ii 
z C 
w :J 
o. 
 
N Z -0 
cO 
u w _ a. 
o II 
::i a. 
 
-' ., - 
'" c .ci 
'U '" 'Ii' 
o O C 
:;; w .: 
o a. o 
'C o 
II! E 
"" S ., 
.£ c 
w D 
iJ 

 o 
C '" E 
D 
.ci 
 
z e 
" C a. 
c C " 
.: C 
o « ., .: 
!ł c u 
: a:J .
 
 
E 
- .B .Q 
Ol o a. 
o OJ 
Ci -" 
Ul ., 
o 
., .ri 
'" 
'0' 
D 

 
II 
Ul 
D 
D 


Rys. I. Zabiegi weryfikacyjne w poszczególnych stadiach procesu projek- 
towo-konstrukcyjnego, wytwórczego i eksploatacji 


2 


3 


'" 


6.
>>>
90 


Józef Szala 


. 


10 


100 


1,0 


0,1 


Koncypowanie Wytwarzanie Eksploatacjo 
Projekt wstępny Badonio prototypu 


Rys. 2. Koszty zmian i efekty zmian w poszczególnych fazach istnienia wyrobu 


3. ZAŁOŻENIA KONSTRUKCYJNE 


Założenia konstrukcyjne obejmują: opis (istotę) działania, dane ilościowe i sytu- 
acyjne. W wymienionych grupach zagadnień tkwią problemy zmęczeniowe, które należy 
uwzględnić. Dane ilościowe mają bezpośredni wpływ na poziom zmiennych obciążeń, 
ich częstotliwość i charakter przebiegu. Zagadnienia te wypływają z zakładanych wy- 
dajności, parametrów ruchu, wymaganej trwałości itp. Dane sytuacyjne określają po- 
nadto główne czynniki oddziaływania otoczenia na maszynę poza czynnikami roboczy- 
mi (głównie obciążeniem zmiennym, często zmienną temperaturą); dotyczy to oddzia- 
ływań korozyjnych, erozyjnych, promieniowania, temperatury otoczenia itp. Elementom 
w procesie wytwórczym nadaje się szereg cech zmieniających własności mechaniczne 
zastosowanych tworzyw, szczególnie własności cyklicznych (np. budowa geometryczna 
i strukturalna warstwy wierzchniej). Intensywność oddziaływania wymienionych czyn- 
ników zależy w dużej mierze od założeń konstrukcyjnych i może być zilustrowana na 
wykresie zmęczeniowym (rys.3), z którego wynikają następujące spostrzeżenia: 
- obszar B na wykresie leżącym pomiędzy wykresem zmęczeniowym dla stosowa- 
nych materiałów konstrukcyjnych (l) a wykresem dla elementu konstrukcyjnego 
(2) zależy od cech konstrukcyjnych elementów i oddziaływania czynników wy- 
twórczych i eksploatacyjnych; 
- z analizy zjawisk zmęczeniowych wynika, że w zależności od poziomu obciążeń 
cyklicznych występują w materiale konstrukcyjnym szczególnie w obszarach
>>>
Transmisja cech ... 


91 


karbów znaczne odkształcenia plastyczne, malejące wraz z obniżaniem się obcią- 
żenia, co ma wpływ na dobór odpowiednich metod obliczeń sprawdzających; 
- nieznaczne obniżenie poziomu zmiennych naprężeń (np. da =o 20%) powoduje, 
w zależności od własności cyklicznych analizowanego elementu, wzrost trwało- 
ści w granicach 4.,..20 krotnie. 
Zasygnalizowane dane znaleźć można w licznej literaturze zawierającej tzw. "kla- 
sykę zmęczenia materiałów i konstrukcji" [7, 8, 9]. 


Iga o 


" 
a 
o 


@ 


a o 1 


lem 


óN 


lee 
 


N" 


N, 


II 


N 
O 


III 


IgN 


Rys. 3. Schematyczne ujęcie wykresu zmęczeniowego dla próbki I 
i elementu konstrukcyjnego 2 


4. ANALIZA KONCEPCYJNA 


W analizie koncepcyjnej dążymy do opracowania licznego zbioru możliwych kon- 
cepcji, z którego w oparciu o kryteria, dokonuje się wyboru koncepcji do rozwiązania 
zadania konstrukcyjnego. Wynikiem tej analizy jest zatem koncepcja będąca zarysem 
rozwiązania konstrukcyjnego. Aby uniknąć w pracy jedynie ogólnych opisów, rozważo- 
ny zostanie przykład analizy rozwiązań konstrukcyjnych koła jezdnego (np. w szybow- 
cu) ze względu na trwałość zmęczeniową osi (rysA). Nie wnikamy tu w szczegóły roz- 
wiązania np. ułożyskowania (toczne, ślizgowe, sposobów smarowania itp.). Na rys. 4a 
i 4b pokazano układy z jednostronnie utwierdzoną osią, natomiast na rys. 4c i 4d osie 
dwustronnie podparte, ponadto przypadek a i c kwalifikowane są do tzw. osi stałych, 
natomiast przypadki b i d - do osi ruchomych. Wykres na rys. 4e odpowiada przypad- 
kowi obciążenia osi stałej (a i c) przy jeździe po gładkiej nawierzchni, natomiast wykres 
na rysAf odpowiada przypadkowi obciążenia osi ruchomej (b i d) przy jeździe po gład- 
kiej nawierzchni. W przypadku osi stałej w przekroju przewidywanych pęknięć wystę- 
pują naprężenia stałe, natomiast w przekroju osi ruchomej silnie zmienne sinusoidalnie
>>>
92 


Józef Szala 


z częstotliwością równą obrotom koła. Z punktu widzenia pęknięć zmęczeniowych, 
trwałość osi stałej jest nieskończenie wyższa niż osi ruchomej (T ITI' 
 et:) ). 
Podobnie, jednakże z mniejszym skutkiem, przedstawiają się przypadki jazdy po 
znacznych nierównościach nawierzchni (rys. 4g i 4 h) Wykres zmian naprężeń cr (t) dla osi 
stałej (rysAg) jest obwiednią wykresu zmian naprężcri w przekroju osi ruchomej cr'(t). 
W zależności od częstotliwości zmian obciążenia a (t) w przypadku osi stałej (rys. 4g) do 
obrotów koła [częstotliwość zmian a'(t)] z osią ruchomą stosunek trwałości zawiera się 
w granicach I ,OTglTh 00. Z tego prostego przykładu wynika, że wybór osi stałej ze 
względu na zmęczeniowe pękanie jest istotnie korzystniejszy. Należy tu jednak zaznaczyć, 
że w wyborze rozwiązania mogą w szczególnych przypadkach dominować inne kryteria, 
np. łożyskowanie (zestawy kołowe w kolejnictwie) i pasowania (stały otwór w przypadku a 
i b, stały wałek w przypadku c i d). 
Przytoczony przykład dowodzi, jak istotne, ze wzgJędu na trwałość zmęczeniową, 
decyzje podejmuje się w fazie analizy koncepcji. 


o) 


PCI) 


e) 


o" 
 . 
t-- I 


Te 
11 


i) 


b) 


P{I) 


t) 


PCI) ! 


pet) j 


g) 


h) 


aCt) ! ()'( 
 ) a( ' 
) ) 
0(1) ()' I 
_ a 
amo. 
o I o I o I 
cr(1) . 


) ..!..9. ,.. 
Th 


Rys. 4. Wpływ łożyskowania koła jezdnego na przebieg naprężeń w przekroju 
przewidywanego pęknięcia zmęczeniowego: I - koło, 2 - korpus, 
3 - lozysko, 4 - oś (sworzeń)
>>>
Transmisja cech ... 


93 


S. DOBÓR CECH KONSTRUKCYJNYCH 


W fazie doboru cech konstrukcyjnych (geometrycznych, materiałowych i dyna- 
micznych) istnieje jedynie możliwość ich weryfikacji metodami analitycznymi, ze 
względu na brak materialnych obiektów do badań. W obliczeniach tych opieramy się na 
danych literaturowych i zasobach danych eksperymentalnych zrealizowanych wcześniej 
obiektów podobnych. W tych warunkach celowym jest stosowanie najprostszych me- 
tod. W literaturze powszechnie zaleca się stosowanie metod opartych na liniowych hi- 
potezach sumowania uszkodzeń zmęczeniowych w ujęciu naprężeniowym, np. Palmgre- 
na-Minera i Haibacha, dane na ich temat i ocenę dokładności obliczeń podano w pracy 
[IOJ. W tym opracowaniu zwrócona zostanie uwaga na odmienną metodę opartą na 
analizie związków statystycznych pomiędzy trwałością wyznaczoną przy obciążeniu 
sinusoidalnym (podstawowe badania własności cyklicznych materiałów, dobrze opisane 
w literaturze) a trwałością wyznaczoną w warunkach obciążeń losowych lub programo- 
wanych (10]. Na rys.5 przedstawiono rozkłady amplitud dla obciążenia sinusoidalnego 
(a) i przebiegów losowych o różnym natężeniu obciążenia zmiennego (b, c i d). Najcięż- 
szymi ze względu na zmęczeniowe pękanie jest wahadłowe obciążenie sinusoidalne, 
natomiast pozostałe w kolejności pokazanej na rys. Sb, 5c i 5d. Miarą intensywności 
obciążenia może być współczynnik wypełnienia widma Ś zdefiniowany jako stosunek 
pól FIIF2, gdzie FI =(Jamaxno Gest polem prostokąta na rys. Sa), a F2 - jest polem zawar- 
tym pod wykresem rozkładu amplitud (pola zakreskowane na rys.5b, Sc i 5d). Wykre- 
sem trwałości zmęczeniowej dla obciążenia sinusoidalnego (rys.5a) jest wykres 
Wohlera (I) na rys.5e, natomiast dla obciążenia losowego wykres (2). Z badań wynika, 
że dla tego samego poziomu naprężeń (JaJ = (Jamax różnica w trwałości N, i Nc,jest tym 
większa, im mniejszą wartość ma współczynnik wypełnienia widma ( Zależność po- 
między wymienionymi trwałościami wyprowadzona w pracy [10] ma postać: 


Ig Nt = Ś. r Ig N 


(I) 


lub podstawiając dane z opisu wykresu zmęczeniowego Wohlera 


aa m N = C 


(2) 


otrzymuje się: 


IgN c = ś.rlog
 
a a max 


(3) 


Wartość wykładnika m i stałej C znaleźć można dla materiałów konstrukcyjnych (nie 
tylko stali) w bogatej literaturze np. [I I]. A zatem na podstawie wzoru (3) lub, opraco- 
wanego najego podstawie, wykresu (rys. Si) można dokonać, w sposób znacznie łatwiej- 
szy niż w przypadku innych metod, analizy wpływu przebiegu obciążenia (współczynnik 
ś) i wartości obciążeń aamax na trwałość zmęczeniową elementu konstrukcyjnego i do- 
brać na tej podstawie właściwe cechy konstrukcyjne. Pozostaje jedynie dobranie wła- 
ściwej wartości r. Z licznych badań własnych i na podstawie danych z literatury świa- 
towej wynika, że wartość r zawarta jest w przedziale (0,2+0,4), pełny rozkład wartości r 
pokazano na rys.6. Dla elementów ząwieszenia pojazdów drogowych wartości r == 0,2.
>>>
94 


o) 

 1,0 


b) 

0.75 


e) 


0. t 
aomo
 



 
N. N c 


J 


o 


N c , 


N, 


Józef Szala 


e) 

O,5 


d) 

O,25 


0,2 


O.' 0.5 0,6 


0.3 


Rys. 5. Ilustracja obliczeń trwałości zmęczeniowej elementów 
konstrukcyjnych opartych na zależnościach statycznych 


0,99 


p 


0,9 


0,5 


0,1 


0,01 


0,2 


-ł-- 
0,3 0,4 


Rys. 6. Rozkład wartości wykładnika potęgi r 


Na rys.7 pokazano przebiegi wykresów trwałości zmęczeniowej osi wykonanej ze 
stali 45 mającej w przekroju przewidywanego pęknięcia współczynnik koncentracji 
naprężeń ak = 1,63 oraz poddanej obciążeniu losowemu o Ś=O,33 na tle wykresu zmę- 
czeniowego Wohlera (W). Z przebiegu wykresu obliczeniowego A i danych ekspery- 
mentalnych Ex wynika duża zgodność wyników obliczeń i badań. Obliczenia przepro-
>>>
Transmisja cech '" 


95 


wadzono dla r=O,2. Mając tego rodzaju wykres można dla dowolnej założonej trwałości 
N c wyznaczyć poziom dopuszczalnych wartości r amax w niebezpiecznym przekroju. 
o) 


°arno¥ 


300 


250 


200 


150 


10' 


10' 


10 7 


N,N. 


Rys. 7. Przykład zgodności obliczeń z wynikami badań zmęczeniowych osi 
wykonanej ze stali 45 dla z = 0,32. W - wykres zmęczeniowy 
(W oh I era), Ex-wykres trwałości zmęczeniowej wyznaczony ekspe- 
rymentalnie, A-wykres trwałości wyznaczony analitycznie 


6. PROJEKT WSTĘPNY - BUDOWA PROTOTYPU 


Projekt wstępny umożliwia zastosowanie w obliczeniach odpowiednio złożonych 
metod obliczeń, natomiast budowa prototypu przeprowadzenie badań doświadczalnych 
laboratoryjnych na elementach i zespołach. 
W zakresie metod obliczeniowych są to tzw. metody: inicjacyjne, propagacyjne 
i inicjacyjno-propagacyjne. Podziału tego dokonano ze względu na wyróżnienie trwało- 
ści do inicjacji makropęknięcia i trwałości związanej z okresem rozwoju pęknięcia zmę- 
czeniowego. W przypadku, gdy okres rozwoju pęknięcia zmęczeniowego jest pomijajnie 
krótki w całkowitej trwałości, stosujemy tzw. metody inicjacyjne. W przypadku istnienia 
tolerowanych wad technologicznych (np. spawalniczych, odlewniczych, po kuciu) okres 
inicjacji pęknięcia może być pomijalnie mały i wówczas stosujemy tzw. metody propa- 
gacyjne. W pozostałych przypadkach uwzględniamy okresy inicjacji i propagacji pęk- 
nięć, stosując tzw. metody inicjacyjno-propagacyjne. 
Trwałość w okresie propagacji wyznaczamy w oparciu o teorię mechaniki pękania, 
a przykład analizy w tym zakresie omówiono w pracy [12]. 
Metody tzw. inicjacyjne mozna podzielić na: naprężeniowe, odkształceniowe 
i energetyczne. Opierają się one na fenomenologicznych opisach procesu zmęczenia, 
znanych jako hipotezy sumowania uszkodzeń zmęczeniowych [13J. 
W zakresie naprężeniowym oryginalnym opracowaniem jest hipoteza sumowania 
uszkodzeń oparta na koncepcji linij stałych uszkodzeń zmęczeniowych [14]. Koncepcja 
ta moze być zastosowana w ujęciu odkształceniowym i energetycznym oraz w zastoso-
>>>
96 


Józef Szala 


waniach do obliczeń elementów konstrukcyjnych z tworzyw sztucznych [15]. Przykład 
obliczeń w ujęciu odkształceniowym zamieszczono w pracy [16]. 
Opisane wyżej obliczenia mogą być przeprowadzone w fazie znajomości cech 
konstrukcyjnych elementów (karby), technologii wykonania i przebiegów obciążeń, 
a zatem w fazie projektu wstępnego, budowy i badań prototypu. Faza ta umożliwia re- 
alizację badań laboratoryjnych na elementach i zespołach - tzw. programowanych badań 
uwzględniających obciążenia i inne czynniki eksploatacyjne pochodzące ze wstępnych 
pomiarów na całym obiekcie. 
Metody programowanych badań zmęczeniowych opisane zostały w monografii [17]. 
Przykład stanowiska do badań programowanych ram motocyklowych z możliwością auto- 
matycznego sterowania obciążeniem pokazano na rys.8. 


7. SERIA INFORMACYJNA - PRODUKCJA RYNKOWA - EKSPLOATACJA 


Wykonanie serii informacyjnej stwarza możliwości badań całych obiektów w ilości 
uzasadniającej statystyczne wnioskowanie. Program tych badań jak i w części badań 
prototypu, a zwykle badań produkowanych seryjnie obiektów, jest szeroki i znacznie 
przekracza potrzeby badań trwałości zmęczeniowej jego elementów. Programy te obej- 
mują badania jakościowe, w tym problematykę bezpieczeństwa, a w niej problematykę 
niezawodności. 
Można wyróżnić szereg rodzajów tych badań, w tym opracowaniu wskazane zosta- 
ną te, które przeprowadzone zostały w naszym ośrodku akademickim, w kolejności 
zgodnej ze schematem na rys. I. 
Badania stanowiskowe całych obiektów z symulacją wymuszeń opracowanych na pod- 
stawie wstępnych pomiarów eksploatacyjnych przeprowadza się na prototypach i eg- 
zemplarzach z serii informacyjnej. 
Programowane badania ek.;ploatacyjne prowadzone na torach doświadczalnych i wy- 
dzielonych do testowania grupach użytkowników, przeprowadzane zgodnie ze ściśle 
określonym programem badań. 
Badania eksploatacyjne dozorowane, które przeprowadza się w naturalnych warunkach 
eksploatacji, według ustalonego programu badań przede wszystkim w zakresie uzasad- 
nionej statystycznie liczby obiektów badań, np. losowego doboru użytkowników, odpo- 
wiedniego doboru warunków użytkowania, obsługi, napraw, diagnostyki itp. 
Badania eksploatacyjne, w których minimalizuje się ingerencję prowadzących badania 
w procesie eksploatacji, polegają zwykle na badaniach ankietowych użytkowników, 
badań dokumentów warsztatów serwisowych, reklamacji itp. 
Procedury szczegółowe przeprowadzonych badań eksploatacyjnych pojazdów jed- 
nośladowych, analiza niezawodności, w tym uszkodzeń zmęczeniowych elementów tych 
pojazdów, szczegółowe badania warunków eksploatacji, danych o użytkownikach itp. 
przedstawione zostały w raportach z tych badań i opublikowane w monografiach książ- 
kowych [18, 19] oraz w pracy [20].
>>>
Transmisja cech '" 


97 


a) 


b) 


l - - - - - - - - - - - - - - - - - -, 
I I 
J 
I 


-
EJ 


Rys.8. Stanowisko do programowanych badań zmęczeniowych ram pojazdów jednośladowych: 
a) część mechaniczna [20]: ) - rama motocykla, 2 i 3 - podpory, 4 i 5 - uchwyty, 6-wibra- 
tor kinematyczny o zmiennej amplitudzie przemieszczeń, 7, 8 i 9 - układ przyłożenia ob- 
ciążenia, ) O - siłomicrz, I) - układ sterowania wibratorem, 12 - rama stanowiska, ) 3 - sil- 
nik napędowy (ważniejsze elementy i zespoły), 
b) schemat blokowy układu sterowania: P. - program, KI - komputer centralny, KIl - kom- 
puter sterujący, IS - interfejs szeregowy, IR - interfejs równoległy, C/A - przetwornik cy- 
frowo-analogowy, ST - sterownik tyrystorowy, SN - silnik napędzający, Wk - wzbudnik 
kinematyczny, SIŁ - silomierz tensometryczny, Skk - układ sterowania silnikiem kroko- 
wym, SK - siJnik krokowy, MT - mostek tensometryczny, US - układ dopasowania, 
UPN - uklad pomiaru napięć, SBA - układ sygnalizacji błędu i awarii.
>>>
98 


Józef Szala 


8. PODSUMOW ANIE 


Jubileuszowe okoliczności publikacji (Jubileusz 45-lecia Wydziału Mechaniczne- 
go i Akademii Techniczno-Rolniczej) sprawiły, że praca ma charakter pewnego ogólne- 
go podsumowania prac badawczych zrealizowanych w okresie 25 lat badań dotyczących 
problematyki zmęczenia w procesie projektowo-konstrukcyjnym. W artykule przedsta- 
wiono procedury postępowania, które stosuje się w Katedrze Podstaw Konstrukcji Ma- 
szyn i które w przeważającej części zostały w tej Katedrze opracowane. Należy podkre- 
ślić, że metod postępowania w tym względzie jest znacznie więcej, szczególnie w odnie- 
sieniu do szczegółowych dziedzin techniki np. budowa samochodów [21] czy maszyn 
roboczych ciężkich [22]. 
Z uwag szczegółowych dotyczących podsumowania należy podkreślić: 
- konieczność uwzględniania problematyki zmęczenia i zmęczeniowego pękania 
we wszystkich stadiach procesów: projektowo-konstrukcyjnych, wytwórczego 
i eksploatacji; 
- dokonywanie zmian w konstrukcji w jak naj wcześniejszych stadiach procesów ze 
względu na ekonomiczne skutki; 
- iteracyjny charakter metody, obejmujący pętle iteracji wewnątrz poszczególnych 
stadiów oraz sprężania iteracyjne pomiędzy poszczególnymi stadiami o różnym 
zakresie (skrajne zewnętrzne sprężanie od eksploatacji do opisu potrzeby i sfor- 
mułowania zadania projektowego); 
- przenikanie się metod obliczeniowych i eksperymentalnych w całym ciągu działań 
zasadniczych (rys. I a), z podkreśleniem niewspółmiernie niższych kosztów weryfi- 
kacji analitycznej i symulacji komputerowych w porównaniu z kosztami badań; 
- możliwość ograniczenia zakresu badań eksperymentalnych przez odpowiednią 
weryfikację analityczną; 
- konieczność obserwacji i ciągłego gromadzenia danych o obiekcie, procesach, 
środowisku i rynku. 


LITERATURA 


[I] Szala J.: Badania zmęczeniowe w pracach Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn, 
Akademia Techniczno-Rolnicza, Zeszyty Naukowe A TR nr 192, Mechanika 37, 
Bydgoszcz 1995. 
[2] Ohchuda H.: Analysis ofService Failures ofHitachi Products (1970-1975),1979. 
[3] Duga 1.1., et.a!.: The Economic Effects of Fracture in the Unitet States, Part 2 - 
A Report to NBS by Bartlle Columbus Laboratories, 1983. 
[4] Kobayaski, Skinobu: Optimum Aircraft Structurar Design and verification for 
Users, in Proc. of the 18 th Symposium of the International Committee on Aeronau- 
tical Fatigue, Melbourne, Australia, 1995. 
[5] Dietrych J.: System i konstrukcja, WNT, Warszawa 1985. 
[6] Masing W.: Handbuch der Qualitatssicherung, Carl-Hauser-verlag, Mlinchen, 
Wien 1988. 
[7] Kocańda S., Szala J.: Podstawy obliczeń zmęczeniowych, PWN, Warszawa 1991. 
[8] Kocańda S.: Zmęczeniowe pękanie metali, PWN, 1985.
>>>
Transmisja cech ... 


99 


[9] Szala 1.; Obciążenia i trwałość zmęczeniowa elementów maszyn, Akademia 
Techniczno-Rolnicza, Bydgoszcz 1989. 
[lO] Szala J.: Ocena trwałości zmęczeniowej elementów maszyn w warunkach obciążeń 
losowych i programowanych, Zeszyty Naukowe A TR nr 79, Mechanika 22, Byd- 
goszcz 1980. 
[II] Troscenko V. T., Sosnovskij L.A.: Soprotivlenije ustałosti metallov i splavov, 
Naukova Dumka, Kijev 1987. 
[12] Szala 1., Topolinski T.: Obliczenia elementów konstrukcyjnych w warunkach 
obciążeń stochastycznych dla etapu rozwoju pęknięcia zmęczeniowego, Zeszyty 
Naukowe A TR nr 137, Mechanika 30, Bydgoszcz 1986. 
[13] Szala 1.: Hipotezy sumowania uszkodzeń zmęczeniowych - wybrane zagadnienia. 
Mechanika, Bydgoskie Towarzystwo Naukowe, Prace Wydziału Nauk Technicz- 
nych, Seria B Nr 15, PWN Warszawa-Poznań 1986. 
[14] Szala 1., Zawiślak S.: Application of Computer Simulation Method for Determi- 
ning a Distribution Type of Construction Parts Patigue Life. The Archive of Me- 
chanical Engineering, 1990. Zeszyt 3. 
[15] Szala l., Topolinski T.: Obliczenia trwałości zmęczeniowej itamidu 35 oparte na 
hipotezie linii stałych uszkodzeń zmęczeniowych. PAN, Instytut Podstawowych 
Problemów Techniki, Rozprawy Inżynierskie, Engineering Transactions, 38, 3-4, 
415-428, 1990. 
[16] Szala 1., Topoliński T.: Obliczenia elementów konstrukcyjnych przy obciążeniach 
stochastycznych dla etapu do inicjacji pęknięcia zmęczeniowego. Zeszyty Nauko- 
we A TR nr 137, Mechanika 30, Bydgoszcz 1986. 
[17] Szala 1.: Podstawy programowanych badań i obliczeń zmęczeniowych w konstruk- 
cji maszyn. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1978. 
[18] lazdon A., Hannoza J.: Uszkodzenia pojazdów jednośladowych, WKiL, Warszawa 198 I. 
[19) Jazdon A.: Niezawodność pojazdów jednośladowych, WPM-Wema, Warszawa 1988. 
[20] Szala 1., Boroński D.: Fatigue Investigations of One-Track Vehicles, Symposium 
Fatigue Design, Helsinki 1995. 
[21] Fatigue Design Handbook, Society of Automotive Engineers, USA, 1988. 
[22] Sobczykiewicz W.: Wymiarowanie spawanych konstrukcji nośnych maszyn w za- 
kresie trwałości zmęczeniowej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 
Warszawa 1994. 


THE FATIGUE PROBLEMS IN DESIGNING PROCESS 


SUMMARY 


The methods of calculation and testing of structures in particular phases of their 
existing were discussed in the paper. The paper emphasised on possibility of a structure 
verification in these phases. General problem s were iIIustrated by practical examples 
and by indicating the references containing detailed data on methods of calculations and 
testing. These data were grounded on the investigations realised in Department of Ma- 
chines Design of Uniyersity of Technology and Agriculture in Bydgoszcz over the pe- 
riod of 1969-1996 year.
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 
ZESZYTY NAUKOWE NR 202 - MECHANIKA (41) - 1996 


Marian SZYMAŃSKI 


DOSKONALENIE OBIEGÓW CIEPLA 
W PROCESACH TECHNOLOGICZNYCH CELULOZOWNI 


Na podstawie bilansów cieplnych i przeprowadzonych badań rozpatrzono 
możliwości zmniejszenia zużycia ciepła poprzez zamykanie jego obiegu w proce- 
sach technologicznych w celulozowniach siarczanowych. Rekuperacja ciepła od- 
padowego winna być przeprowadzona przy możliwie wysokich parametrach - 
temperaturze i ciśnieniu czynników. Odzyskane ciepło należy zawracać do proce- 
su technologicznego stosując je do wstępnego podgrzewania czynników. 


l. WPROWADZENIE 


W wielu procesach technologicznych wykorzystywana jest tylko część doprowa- 
dzanego ciepła, a część pozostała odprowadzana jest od procesu jako ciepło odpadowe 
i poddawana rekuperacji dla odzysku energii i poprawie gospodarki cieplnej procesu. 
Przykładem takiego procesu technologicznego jest wytwarzanie masy celulozowej 
z drewna. Proces ten składa się z licznych operacji przeprowadzanych w oddzielnych 
działach celulozowni. Schemat blokowy celulozowni przedstawiono na rysunku I. 


Rys. I. Uproszczony schemat blokowy celulozowni siarczanowej
>>>
102 


Marian Szymański 


Na schemacie tym podano w procentach orientacyjne zużycie energii cieplnej Qc 
w poszczególnych działach celulozowni. W nowoczesnych celulozowniach siarczano- 
wych energia uzyskana ze spalania ługu i kory wystarcza z nadwyżką dla pokrycia za- 
potrzebowania zarówno na ciepło, jak i energię elektryczną. Energia elektryczna stanowi 
około 20% całkowitej energii - sumy energii cieplnej i elektrycznej - potrzebnej do 
przeprowadzenia procesu roztwarzania siarczanowego [I]. 
Podstawowym źródłem oszczędności w zużyciu ciepła w celulozowni jest ciepło 
odpadowe odprowadzane z operacji procesu technologicznego. Powtórne wykorzystanie 
go w procesie technologicznym umożliwia uzyskanie oszczędności pary grzejnej do- 
prowadzanej do podgrzewania czynników biorących udział w procesie wytwarzania 
masy celulozowej. 
Na podstawie analizy przepływu energij w poszczególnych działach celulozowni 
oraz wyników przeprowadzonych badań nad zużyciem w nich ciepła określono w dal- 
szej części pracy możliwości poprawy gospodarki cieplnej w celulozowniach siarcza- 
nowych. 


2. ANALIZA PRZEPŁYWU CIEPŁA W CELULOZOWNI 


Plac drzewny i rębalnia są działami pobierającymi przede wszystkim energię elek- 
tryczną zużywaną do zasilania silników zainstalowanych w nich maszyn. Duże ilości 
energii w postaci ciepła doprowadzane są do warzelni. Przepływ energii w tym dziale 
rozpatrzono na przykładzie warzelni siarczanowej roztwarzającej drewno metodą dwu- 
stopniową i wytwarzającą masę celulozową wiskozową. Pierwszy stopień roztwarzania 
stanowi hydroliza wstępna, a drugi roztwarzanie siarczanowe. 
Układ technologiczny warzelni przedstawiono w sposób uproszczony na schemacie 
blokowym zamieszczonym na rysunku 2. 


ca 

.
 
ca 
 
O 


Układ reku- 
peracji ci.epla 
hydrolizy 


Podgrzewacz 


Układ rekuperacji 
ciepła roztworów 
sd 


Rys. 2. Uproszczony schemat blokowy warzelni siarczanowej dwustopnio- 
wego roztwarzania drewna 


Ilość ciepła odprowadzanego od procesu technologicznego do układów rekuperacji 
w warzelni określa zależność: 


Qo = Qo\ + Qo2 + Qo3 + Q04 , 


(1) 


gdzie:
>>>
Doskonalenie obiegów ciepła '" 


103 


Qo - ilość ciepła odprowadzanego od procesu technologicznego; 
Qol - ciepło odprowadzane z podgrzewaczy warników ze skroplinami pary grzej- 
neJ; 
Qo2 - ciepło odprowadzane z warników z oparami z odgazowania przy hydrolizie 
wstępnej; 
Qo3 - ciepło odprowadzane z hydrolizatem; 
Qo4 - ciepło odprowadzane z oparami ze zbiornika wydmuchowego. 


Wartość ciepła odzyskanego w układach rekuperacji jest równa: 


Qr = QrJ + Qr2 + QrJ + Qr4 , 


(2) 


[';dzie: 
Qr 
Qrl 
Qr2 


Qr3 
Qr4 


- ciepło odzyskane z ciepła odpadowego w układach rekuperacji; 
- ciepło odzyskiwane od skroplin pary grzejnej; 
- ciepło odzyskiwane w skraplaczach oparów odprowadzanych ze zbiornika 
hydrolizatu; 
- ciepło odzyskiwane w skraplaczu wtórnym i chłodnicy skroplin hydrolizatu; 
- ciepło odzyskiwane w wymiennikach ciepła od brudnego kondensatu siar- 
czanowego. 


W warzelni odzyskiwana jest część ciepła unoszonego ze skroplinami pary grzej- 
nej. Skropliny odprowadzane z podgrzewaczy warników do zbiornika skroplin ulegają 
w nim rozprężeniu, któremu towarzyszy powstawanie oparów wtórnych, a następnie 
w wyniku skraplania w skraplaczach przeponowych odprowadzana jest od nich ilość 
ciepła określona zależnością: 


i. 1 - i. 2 ." 
Qrl =' m. " lo, 
io - i. 2 


(3) 


gdzie: 
m, - masa skroplin pary grzejnej równa w przybliżeniu masie odprowadzanej do 
podgrzewaczy pary w kg; 
1,1 - entalpia skroplin doprowadzanych do zbiornika w kJ/kg; 
1,2 - entalpia skroplin odprowadzanych ze zbiornika w kJ/kg; 
io - entalpia oparów wtórnych powstających w zbiorniku w kJ/kg. 


Wartości ciepeł Qr2, QrJ i Qr4 obliczono z bilansów cieplnych wymienników ciepła 
na podstawie zależności: 


Q = mw . C w . (t 2 - t l ), 


(4) 


gdzie: 
mw - masa wody przepływającej przez wymiennik ciepła w kg; 
C w . ciepło właściwe wody w kJ/kg; 
tl i t 2 - temperatura wody na wlocie i wylocie z wymiennika ciepła w K. 


Cała ilość ciepła odzyskanego w układach rekuperacji w warzelni zużywana jest do 
podgrzania wody technologicznej do temperatury około 60 - 70 oc.
>>>
104 


Marian Szymański 


Działem celulozowni pobierającym duże ilości ciepła jest również bielarnia. Cie- 
pło doprowadzane jest tu z masą celulozową, wodą stosowaną do mycia masy i parą 
grzejną. Przepływ ciepła w bielami rozpatrzono na przykładzie instalacji złożonej 
z sześciu wież bielarskich pracujących w układzie: I wieża Cl z - II wieża alkaliczna 
I NaOH - III wieża podchlorynowa NaOCI - IV wieża alkaliczna 2 NaOH - V wieża 
CI0 z - VI wieża podchlorynowa 2 NaOCl. 
Proces bielenia zakończony jest w wieżach magazynowych, gdzie masa celulozowa 
jest traktowana S02. 
Para grzejna o ciśnieniu 0,6 MPa doprowadzana jest bezpośrednio do mie- 
szalników ślimakowych zainstalowanych przy wieżach IV i V. Między kolejnymi stop- 
niami bielenia masa celulozowa jest myta w filtrach bębnowych ssących typu "Kamyr". 
Oszczędność ciepła w bielarni uzyskano stosując do mycia masy w odpowiadają- 
cych sobie stopniach bielenia poprzedzających, filtrat odprowadzany ze stopni następ' 
nych, o wysokiej temperaturze rzędu 60 Oc. 
Do mycia masy po I wieży bielarskiej stosowany jest filtrat z mycia masy po 
V wieży, do mycia masy po II wieży filtrat z filtru po IV wieży, masa po III wieży myta 
jest filtratem z filtru po VI wieży. 
Do suszenia masy w maszynach celulozowych stosowane są suszarki wielocylin- 
drowe lub konwekcyjne. W obu typach suszarek przeprowadzana jest rekuperacja ciepła 
odpadowego. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy schemat układu rekuperacji 
ciepła w suszarce wielocylindrowej. 
Ciepło do suszenia jest dostarczane z parą grzejną doprowadzaną do cylindrów su- 
szących i z gorącym powietrzem nawiewanym rurami wentylującymi "kieszenie" mię- 
dzycylindrowe. Powietrze to podgrzewane jest w wymiennikach płytowych układu re- 
kuperacji. 
Suszarka składa się z części wstępnej obejmującej 5 cylindrów okapturzonych 
osłoną otwartą oraz części suszącej, liczącej 50 cylindrów, okapturzonej osłoną całko- 
wicie zamkniętą. Część ta podzielona jest na dwie grupy parowe i ma zainstalowaną 
prasę odpowietrzającą. 
Opary z części wstępnej odprowadzane są za pomocą wentylatora wyciągowego 
nad dach hali maszyny bez rekuperacji od nich ciepła. Opary z osłony zamkniętej od- 
prowadzane są do układu rekuperacji ciepła. Układ ten składa się z dwóch trójstopnio- 
wych, wieżowych wymienników ciepła. W wymiennikach płytowych pierwszego stopnia 
podgrzewane jest powietrze czerpane spod stropu hali i tłoczone następnie dwustopnio- 
wymi wentylatorami osiowymi poprzez wymienniki ciepła zasilane parą grzejną do rur 
wentylujących kieszenie międzycylindrowe. Powietrze to jest podgrzewane do tempe- 
ratury 90 oc. 
W wymiennikach płytowych drugiego stopnia ciepłem pobieranym od oparów 
przepływających ze stopnia pierwszego podgrzewane jest powietrze świeże tłoczone 
następnie do hali maszyny. 
Wymienniki trzeciego stopnia są wymiennikami bezprzeponowymi, w których cie- 
pło od oparów jest odprowadzane do wody natryskiwanej natryskami zainstalowanymi 
w górnej części wymiennika. Podgrzana woda odprowadzana jest z dolnej części wieży 
wymiennikowej. Układ rekuperacji ciepła zainstalowany przy suszarce maszyny wenty- 
luje i ogrzewa hale maszyny celulozowej.
>>>
Doskonalenie obiegów ciepła ". 


lOS 



 
c::. 

 

 

 
::to 
l.J 
l(' 


Q.. 

 
...... 
Ci) 
Rys. 3. Schemat układu rekuperacji ciepła wielocylindrowej suszarki maszyny celulo- 
zowej: l - wieża I wymienników ciepła, 2 - wieża" wymienników ciepła, 
3 - wymiennik bezprzeponowy 3-go stopnia, 4 - wymiennik płytowy Z-go 
stopnia, 5 - wymiennik płytowy l-go stopnia, 6 - wymiennik płytowy parowy 
podgrzewający powietrze wentylujące dolny rząd kieszeni międzycylindro- 
wych, 7 - wymiennik płytowy parowy podgrzewający powietrze do wentylo- 
wania górnego rzędu kieszeni międzycylindrowych, 8 - górny przewód po- 
wietrza wentylującego kieszenie, 9 - dolny przewód powietrza wentylującego 
kieszenie 


..s::: 
....
>>>
]06 


Marian Szymański 


Duże ilości ciepła zużywane są w wyparkach zagęszczających ług powarzelny przed 
spaleniem go w kotle sodowym. Część tego ciepła jest odzyskiwana i wykorzystywana do 
podgrzewania wody technologicznej. W rozpatrywanej celulozowni ług powarzelny jest 
zagęszczany w wyparce pięciostopniowej. Para grzejna jest doprowadzana do pierwszego 
stopnia. Stopnie kolejne ogrzewane są oparami doprowadzanymi ze stopni poprzedzają- 
cych. Ciepło od procesu zagęszczania jest odprowadzane z kondensatem czystym z pary 
grzejnej po pierwszym stopniu, z kondensatami brudnymi po kolejnych stopniach oraz z 
kondensatem ze skraplacza próżniowego. W wyniku rekuperacji ciepła odprowadzanego 
ze skroplinami ze skraplacza próżniowego odzyskiwana jest pewna ilość ciepła, którą 
wykorzystuje się do podgrzewania wody technologicznej do temperatury około 45 oc. 
Szlam pokaustyzacyjny wypalany jest w celulozowniach krajowych w piecach obrotowych. 
Ciepło do pieców obrotowych doprowadzane jest poprzez spalanie oleju opałowego. Spa- 
liny odprowadzane z pieców unoszą z wodą duże ilości ciepła. Część z niego jest odzyski- 
wana w płuczkach Venturiego, gdzie ciepło odprowadzane od spalin wykorzystywane jest 
do podgrzewania wody technologicznej stosowanej następnie w dziale kaustyzacji. 
Ciepło odzyskane w wyniku rekuperacji zawracane jest bezpośrednio do obiegu 
w bielami w suszarce maszyny celulozowej lub wykorzystywane jest do podgrzewania 
wody technologicznej do temperatury 60 - 70 Oc w pozostałych działach. 
Rekuperacja ciepła w warzelni przebiega przy obniżaniu jego parametrów w wyniku 
rozprężania oparów będących nośnikiem ciepła odpadowego. Odzyskane ciepło ma zbyt 
niskie parametry aby mogło być efektywnie zastosowane do podgrzewania wsadu warnika. 
Konwencjonalna metoda rekuperacji ciepła w warzelni nie stwarza więc możliwości wyko- 
rzystania odzyskanej energii w tym dziale do zmniejszenia zużycia pary grzewczej do 
podgrzewania wsadu warnika i częściowego zamykania w nim w ten sposób obiegu ciepła. 
Zasada dążenia do zamykania obiegu ciepła w warzelni znalazła zastosowanie 
w metodzie R.D.H., w której rekuperacja ciepła przeprowadzana jest od ługu powarzelne- 
go o wysokiej temperaturze bez jego rozprężania, wypieranego z warnika po zakończeniu 
roztwarzania. 
Ciepło odprowadzane od ługu wykorzystywane jest do podgrzewania ługu białego 
tłoczonego do warnika. Zawrócenie do procesu odzyskanego ciepła umożliwia uzyskanie 
oszczędności pary grzejnej do 85%. 


3. BADANIA PRZEPŁYWU CIEPŁA W CELULOZOWNI 


Badania nad zużyciem ciepła w celulozowni przeprowadzono metodą badań staty- 
stycznych, dokonując pomiarów parametrów pracy w poszczególnych jej działach 
w warunkach normalnej eksploatacji w okresie rocznym. 
Ze względu na sposób pracy warzelni z warnikami okresowymi, polegający najed- 
noczesnym roztwarzaniu drewna w kilku warnikach przy różnych etapach procesu, ba- 
dania odniesiono do warzelni traktowanej jako całość rozpatrując jej prace w czasie 
jednej doby. Odniesienie badań do pojedynczego, wybranego warnika podczas normal- 
nej pracy warzelni byłoby trudne, gdyż jednocześnie przeprowadzane jest w tej samej 
instalacji odgazowywanie dwóch lub więcej warników. Duża objętość zbiornika wy- 
dmuchowego, przy stosunkowo częstych wydmuchach masy z warników, umożliwia 
ciągłą pracę urządzeń do rekuperacji ciepła.
>>>
Doskonalenie obiegów ciepła ... 


107 


W pozostałych działach celulozowni proces technologiczny prowadzony jest 
w sposób ciągły. 
W tabeli l podano zestawienie wyników badań zużycia ciepła w warzelni. Podane 
wartości są odniesione do jednego turnusu roztwarzania w warniku o pojemności 
125 m J . Sprawność cieplną rekuperacji obliczono jako iloraz ciepła odzyskanego i cie- 
pła odprowadzonego do rekuperacji. 


Tabela I. Bilans cieplny warzelni pracującej metodą roztwarzania dwustopniowego - pierwszy 
stopień - hydroliza wstępna, drugi stopień - roztwarzanie siarczanowe, i wytwarzające- 
go masę celulozową wiskozową, wydajność m = 8000 kg cel./tumus, pojemność warni- 
ka V = 125 m J 


Lo. Czynnik przenoszący ciepło Ilość ciepła 
MJ/turnus Udział w % 
Hvdroliza wstępna 
l. Ciepło doprowadzane: 
- ze zrębkami 1435,40 2,49 
- z wodą 6699,20 9,69 
- z parą grzejną 49455,30 87,82 
razem 57589,93 100,00 
2. Ciepło odprowadzane: 
- do układu rekuperacii 36107,70 62,70 
- zaakumulowane we wsadzie warnika po 18729,40 32,50 
hydrolizie 
- straty do otoczenia 2752,80 4,78 
razem 57589,90 100,00 
3. Ciepło odzyskane: 15516,80 26,9 
Roztwarzanie siarczanowe 
4. Ciepło doprowadzane: 
- zaakumulowane we wsadzie 18729,40 25,80 
- z ługiem białym 12696,66 17,50 
- z parą grzejną 41122,18 56,60 
razem 72548,24 100,00 
5. Ciepło odprowadzane: 
- do układu rekuperacji 33992,80 46,80 
- ciepło pozostałe w masie w zbiorniku 31060,36 42,80 
wydmuchowym 
- strata energii na wydmuch masy z wirnika 4597,50 6,30 
- straty cieplne do otoczenia 2897,50 3,90 
razem 72548,16 100,00 
6. Ciepło odzyskane: 10834,20 14,90 
7. Sprawność cieplna rekuperacji: 
- układ hydrolizy 43,00 
- układ roztwarzania siarczanowego 31,87 
- całość procesu 37,60 


W tabeli 2 przedstawiono wyniki badań zużycia ciepła w bielami, maszynie celu- 
lozowej, wyparce i w piecu obrotowym do wypalania szlamu pokaustyzacyjnego. Dane 
zamieszczone w tabelach charakteryzują ilości ciepła odzyskiwanego w poszczególnych 
działach celulozowni. Ciepło to wykorzystywane jest do podgrzewania wody technolo-
>>>
108 


Marian Szymański 


gicznej. Konwencjonalny układ do rekuperacji ciepła odpadowego w warzelni działa 
przy rozprężaniu czynników unoszących ciepło do ciśnienia otoczenia i wykorzystaniu 
ciepła skraplania powstających przy rozprężaniu oparów. Rekuperacji ciepła towarzyszy 
więc obniżanie parametrów odzyskiwanej energii, co utrudnia ponowne wprowadzenie 
jej do procesu technologicznego. 


Tabela 2. Zużycie ciepła w niektórych działach celulozowni siarczanowej 


Lp. Dział celulozowni Zużycie ciepła 
w MJ/24h udział w % 
l. BIELARNIA 
- ciepło doprowadzane z masą celulozową 226260 6,2 
- ciepło doprowadzane z parą grzejną 544231 14,9 
bezpośrednią 
- ciepło doprowadzane z wodą do mycia 2284723 62,7 
i rozcieńczania 
- ciepło unoszone przez filtrat zawracany do 587986 ]6,1 
mycia 
2. MASZYNA CELULOZOWA 
- ciepło odprowadzane do układu rekuperacji 1/59680 100,0 
- ciepło odzyskane 66261 5,7 
3. WYPARKA ŁUGU POWARZELNEGO 
- ciepło doprowadzane z parą grzejną 1944166 55,9 
- ciepło doprowadzane z ługiem 1532582 44,] 
powarzelnym 
- ciepło odprowadzane z kondensatem 571 533 16,4 
pary grzeinei 
- ciepło odprowadzane z brudnym 637388 18,3 
kondensatem 
- ciepło odzyskane w skraplaczu próżniowym 149432 4,3 
- ciepło odprowadzane z ługiem 717038 20,6 
zagęszczonym 
4. PIEC OBROTOWY DO WYPALANIA 
SZLAMU POKAUSTYZACYJNEGO 
- ciepło doprowadzane z olejem opałowym 1390747 
- ciepło odzyskanc w płuczce Venturiego 368720 27,1 


Niskie parametry - temperaturę niższą niż 100 oC, ma również energia cieplna odzy- 
skiwana w bielarni i dziale wyparek oraz suszarce maszyny celulozowej. Jedynie opary 
wtórne powstające przy rozprężaniu skroplin pary grzejnej w zbiorniku kondensatu w 
warzelni (t = 130 oC) oraz spaliny z pieca obrotowego (t = 200 OC) mają temperaturę wyż- 
szą niż 100 oc. Unoszone przez nie ciepło wykorzystywane jest również do podgrzewania 
wody technologicznej do temperatury około 70 Oc. Z ługiem zagęszczonym w wyparce 
odprowadzane jest 20,6% ciepła doprowadzanego do procesu zagęszczania. Ług ten jest 
ponadto źródłem energii, gdyż spalony w kotle sodowym wydziela znaczne ilości ciepła 
wykorzystywanego przede wszystkim do wytwarzania pary wodnej wysokociśnieniowej. 
Ciepła tego nie uwzględniono w bilansie rozpatrywanej celulozowni. Korzystniejszym 
dla gospodarki cieplnej warzelni jest wykorzystanie ciepła odzyskanego w wyniku rekuperacji 
do podgrzewania wsadu warnika, co zapewnia zmniejszenie zużycia pary grzejnej.
>>>
Doskonalenie obiegów ciepła ... 


]09 


W ograniczonym stopniu bez konieczności instalowania zbiorników ciśnieniowych 
dla ługów można zastosować zasadę zamykania obiegów ciepła również i w warzelniach 
siarczanowych o konwencjonalnym układzie rekuperacji. 
Instalując dodatkowe wymienniki ciepła, można podgrzać ług biały do temperatury 
95 Oc przed dozowaniem go do warników, ciepłem odzyskanym od oparów wtórnych w 
zbiorniku kondensatu pary grzejnej oraz od ługu powarzelnego odprowadzanego częścio- 
wo z warników dla obniżenia ciśnienia po zakończeniu procesu roztwarzania. Przy roztwa- 
rzaniu z zastosowaniem hydrolizy wstępnej można do podgrzewania ługu białego wyko- 
rzystać również ciepło odprowadzane od hydrolizatu, kierując go bez rozprężania poprzez 
wymiennik ciepła do zbiornika magazynowego. Uzyskać można wtedy zmniejszenie zuży- 
cia pary grzejnej o około 25%. 


4. WNIOSKI 


Gospodarka cieplna celulozowni zależy w decydującym stopniu od wykorzystania 
ciepła odpadowego odprowadzanego od procesów technologicznych. 
Część tego ciepła poddawana jest rekuperacji, a odzyskana energia w celulozowniach 
z konwencjonalnymi układami rekuperacyjnymi wykorzystywana jest w całości do pod- 
grzewania wody technologicznej. Ilość uzyskanej w ten sposób wody gorącej przekracza 
często zapotrzebowanie na nią w działach celulozowni. 
Ze względu na zmniejszenie zużycia energii cieplnej do przeprowadzania procesów 
technologicznych w celulozowni, rekuperacje należy przeprowadzać przy możliwie naj- 
mniejszym obniżaniu parametrów - temperatury i ciśnienia odzyskiwanej energii i stosując 
zasadę zamykania obiegu ciepła, zawracać ją do procesu technologicznego, wykorzystując 
do podgrzewania wstępnego biorących w nim udział czynników. 


LITERA TURA 


[]] Palenius I.: Przegląd Papierniczy nr 4, 1988. 
[2] Szymański M.: Analiza możliwości zmniejszenia zużycia ciepła w celulozowni 
siarczanowej - materiały Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej 
"INPAP 94", Łódź 1994. 
[3] Szymański M.: Obniżenie zużycia energii cieplnej w celulozowniach. A TR, Byd- 
goszcz ] 989 (praca niepublikowana - wykonana wspólnie z I.C.P. w Łodzi). 


PROGRESS IN THE CIRCULA TIONS IN THE PULP MILLS 


SUMMARY 


An analysis ofthe heat bal ance and the results ofresearch there we re determined of 
possibi)ities of lowering energy in technology proces s in the pulp mills. 
Dependence optimal values were defined for heat regeneration. 
Heat recovery must be recirkulation into the technology process.
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 
ZESZYTY NAUKOWE NR 202 - MECHANIKA (41) - 1996- 


Maciej WOROPA Y 


METODA RACJONALNEGO STEROWANIA SYSTEMEM 
EKSPLOA T ACJI 
(NA PRZYKŁADZIE SYSTEMU TRANSPORTU MIEJSKIEGO) 


I . WPROWADZENIE 


W literaturze dotyczącej eksploatacji maszyn proces eksploatacji utożsamia się 
z reguły z dwoma podstawowymi procesami; użytkowania i obsługiwania. Niewielu 
autorów proponuje zaliczenie do zbioru tych procesów, również procesu zasilania. 
Z punktu widzenia teorii systemów ujęcia te są dalekie od całościowego potrakto- 
wania procesu eksploatacji maszyn i "unaocznienia" całości procesów, które są realizo- 
wane przez człowieka, lub zachodzą niezależnie od niego w fazie eksploatacji i dotyczą 
bezpośrednio tych maszyn. 


2. SYSTEMOWE UJĘCIE PROCESU EKSPLOATACJI 


Biorąc powyższe pod uwagę proces eksploatacji maszyn zdefiniowano jako - 
ogół procesów dotyczących maszyn w fazie ich eksploatacji decydujących o efek- 
tywności ich zastosowania lub możliwościach realizacji celów cząstkowych. 
Stopień ogólności przedstawionej definicji umożliwia wyznaczenie podziału pro- 
cesu eksploatacji na dwa zbiory procesów: 
- zbiór procesów sterowanych; 
- zbiór procesów niesterowanych. 
Jak widać na rys. I, zbiory procesów sterowanych można zdekomponować na pod- 
zbiory procesów: 
- procesy przygotowania maszyn do użytkowania; 
- procesy użytkowania; 
- procesy zapewnienia zdatności; 
- procesy wspomagające sterowanie; 
oraz zbiór procesów niesterowanych na podzbiór procesów: 
- procesy destrukcyjne. 
Należy jednak podkreślić, że najważniejszym procesem, w zbiorze procesów 
eksploatacyjnych, jest proces użytkowania maszyn, ponieważ tylko poprzez ich 
użytkowanie zaspokojone są potrzeby, dla których maszyny zostały zaprojektowa- 
ne i wykonane. Proces ten stanowi ciąg zdarzeń związanych z realizacją zadań 
podsystemu procesowego «C - OT», istotnego podsystemu systemu eksploatacji.
>>>
112 


Maciej Woropay 


UJ 
Z 

 Z 
N W 
... '" z 

8 z 
 
0_ 
d 
 
o:: w z
 u 
 
UJZ "" .. 
Vi
 
W"" 
-:: 
Za: 
-tii 
V1w 
WC 
8- 
ex: 
a.. 


- 
--
--- r 
 
'" w '" 
z 'i 
 w; \.1,1% 

 
 :: 
 g
 g
 
f
 r;... 

 z
 


w 
Z 
WN 
-... 
.

 


- - -- ---- - ------ ---, 


z 
- 
N 
V1 
t: 
L 
U 
t: 
!ci 
o 
.....J W 
a.. Z 
V1 
 

 
UJ o 
V1 o:: 
w w 
8 I- 
a:: II) 
a.. 
- 
II) 
w 
8 
a:: 
a.. 


« 
-, 
u 

 
« 
o 
...J 
Q. 
VI 
'" 
lu 


L.. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ._ _ _ _ _ _ 
 _ __ 


I 
I 
____________________J 


Rys. I. Dekompozycja procesów eksploatacji maszyn
>>>
Metoda racjonalnego sterowania ... 


113 


3. ZAKRES POJĘCIA - DIAGNOSTYKA TECHNICZNA MASZYN 


W ogólnym zarysie diagnostyka jest nauką o procesach i metodach uzyskiwa- 
nia informacji o obiekcie i jego otoczeniu, a w nim również o człowieku oraz o re- 
lacjach (oddziaływaniach) między nimi [I]. 
Przy tym obiektem może być każdy twór materialny lub abstrakcyjny, a zatem za- 
równo maszyna, człowiek, system socjotechniczny, układ geologiczny, sytuacja na polu 
walki, jak również teoria naukowa, projekt maszyny, jej model itd. 
W przedstawionym ujęciu dziedzina diagnostyki jest niezmiernie obszerna, a cha- 
rakter procesów diagnostycznych ogromnie złożony. 
Natomiast diagnostyka techniczna maszyn jest wybranym obszarem tej nauki. 
Przedmiotem jej zainteresowania są maszyny w kolejnych fazach ich istnienia (rys. 2). 


D lAG NOS1YKA 


[XAGN)STYKA 
r-EO\'CZNA 


OIAGt()STYKA 
Ga:F1MZNA 


BlAIN)S1'fK. 
TEOiNICZ N. 


" 


OINJNJSTYKA 
SFQ£QNA 


OINJNOSTY I( . 
SOC».OOI - 
CZNA 


f I I' 


/. . 
/ I '. 
/ I , 


I i '\ 

. i 


CjJIGt()STYKA 
WAATO$C 10 - 
I'IANIA 
FOTRZEB 


Rys. 2. Diagnostyka - dział nauki 


Z racji celu niniejszego opracowania szczególną uwagę poświęcono diagnostyce 
eksploatacyjnej maszyn, która dotyczy środków i sposobów rozpoznawania stanu 
maszyny na podstawie obserwacji skutków jej działania oraz na podstawie wyni- 
ków badań, uzyskanych technikami pomiarowymi bezinwazyjnymi (bez demonta- 
żu) cełem uzyskania diagnozy 13/. 
Jak widać uzyskanie diagnozy łączy się z koniecznością realizacji procesu diagno- 
stycznego, tzn. ciągu wyznaczonych działań, w wyniku których dokonuje się identyfika- 
cji aktualnego stanu maszyny oraz oceny przeszłych i prognozy przyszłych jej stanów z 
uwzględnieniem odqziaływań operatora i otoczenia, w którym on działa.
>>>
114 


Maciej Woropay 


4. ROLA I ZADANIA DIAGNOSTYKI TECHNICZNEJ W PROCESIE 
EKSPLOA TACJI MASZYN 


Znaczenie i zadania diagnostyki maszyn w fazie eksploatacji należy oceniać i wy- 
znaczać na podstawie istotnych problemów, które nauka ta ma rozwiązywać, w kolej- 
nych fazach ich istnienia, tj.: 
- wartościowania; 
- projektowania i konstruowania; 
- wytwarzania; 
- eksploatacji; 
co przedstawiono na rys. 3. 
Na etapie wartościowania niezbędne jest dokonanie oceny trafności wyboru wa- 
riantu (sposobu) zaspokojenia potrzeby oraz oceny stopnia spełnienia oczekiwań od- 
biorcy, związanych z proponowanym wytworem. Kryteria, jakie preferują odbiorcy to: 
kryterium ekonomiczne (np. cena zakupu, koszty instalowania, użytkowania, napraw, 
konserwacji itd.), kryterium bezpieczeństwa, kryterium wydajności, kryterium satysfak- 
cji, kryterium ekologiczności, kryterium ergonomiczności, kryterium mody itd. 
Analiza istniejących preferencji odbiorców w znacznym stopniu wyznacza zakres 
kryteriów wartościowania. 
W literaturze zagranicznej problem wartościowania jest prawidłowo doceniany. 
Omawia i analizuje się zbiory wyróżników głównych służących do oceny różnych moż- 
liwych wariantów rozwiązania problemów projektowych. Chociaż sensowny dobór tych 
kryteriów z racji ekonomicznych jest problemem bardzo trudnym i złożonym, to w sy- 
tuacji działania tzw. "wolnego wyniku" jest to działanie jedynie słuszne [6]. 
Na etapie projektowania i konstruowania maszyn z racji dokonywania ocen doty- 
czących funkcjonowania, niezawodności, trwałości, efektywności, bezpieczeństwa, 
sprawności energetycznej, technologiczności, estetyki, ergonomii efektywności eksplo- 
atacji itd., postacie diagnoz są bardzo złożone i różnorodne. Z tego powodu diagnostyka 
projektowo-konstrukcyjna jest nauką multidyscyplinamą, natomiast celem diagnozowa- 
nia konstrukcyjnego, realizowanego zwykle na prototypach maszyn, jest identyfikacja 
źródeł drgań i hałasu, których przekroczenie ustalonych kryteriów świadczy o błędach 
konstrukcyjno-montażowych, oraz identyfikacja własności dynamicznych i diagnozo- 
walności maszyn. 
Diagnostyka kontrolna jest nauką zawierającą zbiór metod służących do kontroli 
jakości wytworzonych elementów i użytych do tego celu materiałów oraz metod oceny 
jakości procesu technologicznego i montażu elementów. 
Najbardziej do tej pory rozwinięta i opłacalna ekonomicznie diagnostyka eksplo- 
atacyjna zawiera metody ocen bieżących, przyszłych i poprzedzających stanów 
maszyn. Przy tym podstawowym zadaniem diagnozowania maszyn, w fazie eksplo- 
atacji jest dostarczanie informacji decydentowi (operatorowi) o stanach procesów 
destrukcyjnych elementów maszyn niezbędnych do podejmowania racjonalnych 
decyzji eksploatacyjnych, dotyczących sposobu postępowania z maszynami 
w stanach, w których się one znajdują. Tylko wiarygodna ocena stanów procesów 
destrukcyjnych, zachodzących w elementach maszyn, może spowodować wyelimi- 
nowanie błędnych decyzji eksploatacyjnych i stworzyć takie warunki, w których 
zastosowanie tych maszyn spowoduje osiągnięcie maksymalnych efektów w syste- 
mie eksploatacji (rys.4).
>>>
! 
z 

- 
Zz 
r-- 
(/) N 
(/) 
t 
-L: 
N 

 


Metoda racjonalnego sterowania ... 


I 
I 
I 
I 
I 
I 


I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 


1J 
Q) 'c 
C o 
o 
 

 g 

 L. 

Uł 
.
 c 
e o 
a.
 


o 
u 
E 
o 
o 
o.. 
111 
.:x, 
Q) 


I 
N 

c 
c. 
.eN 
-- &ł 0 111 
o..... 
cc E 

,g. 
OVlC 


Q, 
 o 
go 'c 
N o 
, a. N 
(je._ 5 
ER-Ml 
o
o- 
..... 
 
 
a .Q, 


,
Q 
oc 
.:x, o 
Q.,
 c 
o o j::j 
C
III 
11.0 
g 
 E 


I 
j
 I '
Q) I 
o o [;-c 
-a

 
'-.O:J I 
o:;: ..::: 
CQJIII I 

'e' 
 
oo..¥ 
I 
I 
I 


I 
I 
I 
I I 
I I 
I I 
I 
-I 
I 
;; 2SOW 
ur - - 
I O!UOMOSOłsDZI -z:JIU
 '
,{łIDIUDMOZOu6o!pl 
L 
ul zpa l 
sou6D!P rO
J L _ J a
 ..J 


l.!!:! 
OC 
-- o 


 
o 
..... 
L- 
o 

 


c 
t1 


£. 
-ę 
 
£:.
N 
g
 e 
.

ł 
'Oa.
 


o 
.- ° 
c._ . 
g-
"
'6 
..... 'i5'.D 
 
1II.:x, IU'- 
08. N .¥ 
&i \fi 
 
 
828.8 


Rys. 3. Zadania diagnostyki technicznej w fazach istnienia maszyn [2J 


I 
I 

 



 
c 
o 
N 
L.- 
o 

 
::.. 

 


111- 
QJO 
L C 
oL:. 
L- u 
a.
 


115 


I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I
>>>
116 


Maciej Woropay 


PROCESY NIESTEROWANE 



 _E
S

_O
T
}
 _ _ _ 


I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
- - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _J 


, 
, 
I UJ 
: z 
[ { 
: (- 
 
 
I N 
o 
Z. 
L? 
{ 
o 


Rys. 4. Rola diagnozowania w procesie eksploatacji maszyn 


5. SYSTEM EKSPLOATACJI MASZYN 


Systemy eksploatacji maszyn należą do klasy systemów działaniowych. Są to sys- 
temy rzeczywiste, które oddziałują na otoczenie i tak reagują na jego wpływ, aby osią- 
gnąć określony cel. Systemy te, ze względu na możliwość realizacji wyraźnie sprecyzo- 
wanego celu, można rozpatrywać jako systemy cybernetyczne, w których rolę sterujące- 
go spełnia człowiek. 
Systemy eksploatacji należą zatem do systemów socjotechnicznych typu "człowiek 
- obiekt techniczny" «C - 01», posiadających następujące cechy: 
- składają się z podsystemów różnych klas i same są systemami w nadsyste- 
mie zawierającym wiele innych, różnorodnych systemów działania; 
- są systemami względnie odosobnionymi, tzn. powiązanymi z otoczeniem tylko 
przez swoje wejścia i wyjścia; 
- prawidłowość ich działania ma istotny wpływ na prawidłowość działania nad- 
systemu, którego są elementami składowymi; 
- struktury ich są z reguły strukturami hierarchicznymi. 
W systemach tych można wyodrębnić pięć jakościowo odmiennych składników; 
- podmioty pracy (kierownik i pracownicy); 
- obiekty techniczne (maszyny, urządzenia, aparatura, budynki, budowle i inne); 
- materiały (surowce, części wymienne, odpady, zasoby mineralne i inne); 
- energię (różne rodzaje i formy energii, a także oddziaływania różnych pól);
>>>
Metoda racjonalnego sterowania '" 


117 


- informacje, rozumiane jako wszelka treść, która jest przekazywana w czasie lub 
w przestrzeni od nadawcy do odbiorcy. 
Wymienione powyżej składniki są w systemie aktywizowane, poddawane wzajem- 
nym oddziaływaniom, często znajdują się w ruchu oraz ulegają procesom przemiany. 
Zazwyczaj obiekty techniczne, materiały, informacje i energia, przebywają w systemie 
działaniowym czasowo. 
Do systemu są one dostarczone z otoczenia oraz odprowadzone z systemu do oto- 
czenia przez systemy, specjalne do tych działań wyznaczone lub zbudowane. 
Systemy realizujące te podstawowe zadania, to tak zwane systemy logistyczne, 
usytuowane zarówno w otoczeniu systemu eksploatacji, jak i w jego obrębie. 
Nazwa tych systemów wywodzi się z pojęcia logistyki, rozumianej jako ogół czyn- 
ności planowania, realizacji i kontroli czasowo-przestrzennej, transformacji energii 
materii i informacji z miejsca wytworzenia do miejsca wykorzystania. 
Na podstawie opracowań dotyczących teorii logistyki można wyróżnić następujące 
cele działania systemów logistycznych: 
- prognozowanie zapotrzebowania na usługi, materiały, wyroby, energię i informa- 
cję; 
- zaopatrywanie w wyżej wymienione składniki, magazynowanie i zarządzanie za- 
pasami; 
- obsługiwanie oraz użytkowanie maszyn, urządzeń, stanowisk pracy i obiektów; 
- pakowanie wyrobów; 
- zarządzanie wykorzystaniem opakowań i odpadów produkcyjnych; 
- gromadzenie, przetwarzanie i przesyłanie informacji dotyczących realizacji wy- 
mienionych procesów logistycznych. 
Koordynacja (uporządkowanie) działań logistycznych polega na właściwym po- 
dziale zadań, kompetencji i odpowiedzialności między podsystemy (elementy) systemu 
logistycznego. 
Racjonalny podział tych zadań oraz ich realizacja może się odbywać tylko w sys- 
temach o strukturach hierarchicznych. Systemy te charakteryzują się następującymi 
cechami: 
- składają się ze zbiorów celowo zorganizowanych podsystemów, usytuowanych 
na różnych poziomach hierarchicznych (szczeblach), między którymi istnieją re- 
lacje podporządkowania tzw. relacje nadrzędności i podrzędności; 
- prawidłowość działania podsystemów znajdujących się na wyższych poziomach 
hierarchicznych (tzw. nadrzędnych) uzależniona jest od prawidłowości działa- 
nia podsystemów znajdujących się na niższych poziomach hierarchicznych (tzw. 
podrzędnych) ; 
- między podsystemami znajdującymi się na tych samych poziomach hierarchicz- 
nych często występuje konflikt celów działania, co powoduje konieczności koor- 
dynacji ich działań przez system nadrzędny. 
Koordynacja działań w systemie eksploatacji o strukturze hierarchicznej polega na 
takim sterowaniu działaniami podsystemów podrzędnych, przez system nadrzędny, które 
zapewnia realizację celu nadrzędnego w sposób optymalny dla całego systemu.
>>>
118 


Maciej Woropay 


6. BUDOWA SYSTEMU EKSPLOATACJI MASZYN 


Podstawowymi procesami realizowanymi w systemie eksploatacji są procesy użyt- 
kowania i zapewnienia zdatności obiektów technicznych. 
Efektywność użytkowania obiektów technicznych zależy przede wszystkim od ra- 
cjonalnego ich wykorzystania, stopnia realizacji zasady oszczędnego ich użycia, wydaj- 
ności pracy żywej i uprzedmiotowionej, organizacji procesu użytkowania oraz ich wła- 
ściwości technicznych. W optymalizacji procesu użytkowania zasadnicze znaczenie 
mają następujące właściwości obiektów technicznych: funkcjonalność, efektywność, 
wydajność, elastyczność (ze względu na wielozadaniowość) i gotowość techniczna 
(trwałość i niezawodność). 
Utrzymanie wymaganych wartości istotnych parametrów działania systemów zło- 
żonych osiągane jest za pomocą sterowania poszczególnymi ich podsystemami. Z u- 
wagi na to w systemie należy wyróżnić podsystemy sterujące i obiekty sterowane. Od 
podsystemów sterowanych kanałami informacji napływają informacje do podsystemu 
informatycznego o stopniu realizacji zadań. Podsystem informatyczny przetwarza rów- 
nież informacje dotyczące stanów podsystemów jego otoczenia. 
Zbiory tych informacji, przetworzonych w odpowiedni sposób w podsystemie in- 
formatycznym, są niezbędne do podejmowania racjonalnych decyzji sterujących przez 
decydenta, usytuowanego w podsystemie zarządzania, który je przekazuje do podsyste- 
mów umieszczonych na niższych poziomach hierarchicznych. Powoduje to konieczność 
dopasowania struktury podsystemu informatycznego do struktury hierarchicznej systemu 
eksploatacji. 
Jak widać na rysunku 5, efektywność działań podsystemu procesowego C - OT 
i podsystemu logistycznego decydują o efektywności realizowanego procesu eksploatacji. 
Z tego powodu w systemie eksploatacji wyróżniono podsystem realizujący zadania 
systemu jako całości tzw. podsystem procesowy, celem wyznaczenia jego roli i zadań 
w procesie realizacji celów systemu jak również po to, aby wykazać znaczenie podsys- 
temu logistycznego w tworzeniu podsystemowi procesowemu optymalnych (sprzyja- 
jących) warunków działania. 
W systemie eksploatacji przedstawionym na rysunku 5 wyróżniono 7 podsyste- 
mów. Z uwagi na cel opracowania oraz założoną prostotę budowanego modelu zagre- 
gowano te podsystemy, według kryterium podobieństwa spełnianych funkcji, których 
działania można przyporządkować temu samemu celowi. Przyjmując powyższy punkt 
widzenia jako uzasadniony podsystemy: informacyjny, zarządzania oraz użytkowania 
zagregowano w jeden podsystem tzw. podsystem sterowania, a podsystemy: zapewnia- 
nia zdatności i zasilania w podsystem utrzymania ruchu. 
Działanie podsystemu sterowania ukierunkowane jest na realizację następujących 
zadań: 
- precyzowanie celów działania systemu eksploatacji; 
- opracowanie planów działań, obejmujące wyznaczenie podmiotów działania, 
przedmiotów działania, form, czasu, miejsca i zakresu działania oraz ustalenie 
kosztów i realnych dochodów uzyskiwanych z tych działań; 
- opracowanie planów pozyskiwania, przetwarzania, gromadzenia oraz przepływu 
materiałów, energii i informacji oraz wyznaczenie podmiotów i środków do re- 
alizacji wymienionych zadań;
>>>
Metoda racjonalnego sterowania... 


119 


- sterowanie zgodnie z planem, realizacją badań, obejmującą: pobudzenie do 
działań, kontrolę bieżącą realizacji podzadań oraz ich koordynowanie, nadzoro- 
wanie i ocenianie wyników działań; 
- sterowanie składowaniem i zabezpieczeniem wyrobów; 
- sterowanie utrzymaniem w ruchu podstawowych środków działań (obiekty tech- 
niczne, aparatura itp.). 


rsE -=-S YSTEM EKSPLOATA CJI - - - - - - - - - I 
I 1-- - - -- ----
--- -1 ' 
I I PS-PODSYSTEM STERONANIA I : 
I I I I 
I I , I 
I I I I 
, I I I 
I I I I UJ 
I I I I II) 
: : : I UJ 
I I ____ . ,I 
 
" L --- ------,-- ____J ...J I N 
I I ,--- ------.------- . I. u 
I I ' , , PZZ-FIDS'tSTEM ZAPEWNIANIA ID\TNcr.:IC1 I I 
 
, I O 
I 
-PODSYSTE M L OG
STYCZNY _ _ _ _ _ _ _J I 
I " I 
I POOS'tS TEM PROCESOłłY I 
I PP C - on . . I 
L__ _J 


'X 


PROCES REAlJZACJI CELÓW SYSTEMU 


v 


. relacje hierarchiczne 
- - -.. sprzeżenia informacyjne 
Rys. 5. Model strukturalny systemu eksploatacji
>>>
120 


Maciej Woropay 


Natomiast zabezpieczenie stanu zdatności zadaniowej obiektom systemu proceso- 
wego realizowane jest przez podsystem utrzymania ruchu PUR i współdziałający z nim 
podsystem diagnostyczny PD. Cele podsystemu utrzymania ruchu wynikają głównie 
z zadań przyjętych do realizowania przez podsystem sterowania. 
Obsługiwanie, a w szczególności odnowa realizowane przez podsystem utrzymania 
ruchu powodujące przywrócenie właściwości użytkowych obiektów technicznych oraz 
utrzymywanie ich w stanie zdatności zadaniowej, stanowią podstawowy warunek umoż- 
liwiający realizację przyjętych zadań. 
Zakres, częstości i koszt wykonywania obsług zależą od stanu, typu i rodzaju 
obiektów technicznych. Rola podsystemu diagnostycznego, współdziałającego z pod- 
systemem utrzymania ruchu polega na badaniu symptomów diagnostycznych celem 
wyznaczenia przeszłych, aktualnych lub przyszłych stanów eksploatowanych obiektów 
technicznych oraz ocenie działania ich operatorów i stanów otoczenia. 
Podsystemy PS, PO, PUR i PP sprzężone są strukturą hierarchiczną, która umożli- 
wia systemowi Uako całości) realizację jego celów. 
Zaprezentowany podział systemu eksploatacji na podsystemy jest podziałem umow- 
nym, niezbędnym do opracowania formalnego opisu działania systemu i umożliwiającym 
uproszczenie badania złożonego systemu. Istota przedstawionych na rysunku 5 podsyste- 
mów jest z formalnego punktu widzenia dwoista: z jednej strony podsystem jest syste- 
mem składającym się z pewnej liczby podsystemów (elementów), natomiast z drugiej 
jest on elementem systemu złożonego. 
Poszczególne podsystemy, w ograniczonym zakresie, są samodzielnie funkcjonu- 
jącymi elementami systemu, które oddziaływują na siebie relacjami hierarchicznego 
podporządkowania. 


7. ALGORYTM STEROWANIA DZIAŁANIEM l TRANSFORMACJĄ SYSTEMU 
EKSPLOATACJI 


Warunkiem koniecznym racjonalnego działania systemu eksploatacji, w trakcie 
zmiennych oddziaływania otoczenia oraz zmieniających się stanów jego obiektów tech- 
nicznych, jest tworzenie możliwości transformacji tego systemu (modernizacji). 
Na rysunku 6 przedstawiono algorytm metody transformacji systemu eksploatacji 
na podstawie informacji diagnostycznych. Istotne bloki algorytmu to: 
- podsystem diagnostyczny, którego celem jest zbieranie danych o stanach obiek- 
tów technicznych usytuowanych w podsystemie procesowym; 
- podsystem informatyczny oceny racjonalności działania podsystemu logistyczne- 
go, którego celem jest zbieranie danych dotyczących nakładów na działanie sys- 
temu eksploatacji; 
- model ocenowy procesu eksploatacji, dotyczy ocen dzialania podsystemu logi- 
stycznego i podsystemu procesowego; 
- podsystem przetwarzania danych, którego celem jest opracowanie informacji de- 
cyzyjnych, dotyczących sposobów sterowania systemem eksploatacji; 
- program i model symulacyjny; 
- blok decyzyjny dotyczący sposobu transformacji systemu. 
W wyniku realizacji algorytmu powstaje możliwość transformacji systemu (mo- 
dernizacji), o konfiguracji dostosowanej do realizacji zadań w zmienionych warunkach.
>>>
Metoda racjonalnego sterowania ... 


121 


Należy podkreślić, że metoda transformacji systemu, przedstawiona na rysunku 6 
pozwala na racjonalne sterowanie działaniem systemu eksploatacji jak i jego moderni- 
zacją. 


; ,- ------------- 
r----
----., I 
I r - POOsYSTEM-'; I 
-I' lOOIST'/CZNY I jf-. .. 
--- 
---PI1",---I r- 
i L _ _ (f J... _ _ _ _J I ..J 
' r --- - --- -,1 r- 
II PODSYSTEM II I 
: 
 _ t.RQ.Cg
..!' _ -: ł-.J 
LL -= ::!S 
1ł = = =
 


)f' 


PODSYSTEM 
LOOISTYCZNY 
PL) 


k I 
c ?-i 
\ I 
'I 
II 
1\ 
II 
'I 
II 
I 
II 
II 
II 
II 
II 
,I 
,I 
II 
, I 
II 
II 
II 
l, 
II 
II 
1\ 
I 
,I 
II 
II 
II 
,I 
,I 
II 
IL 
L 


Y' 


PODSYSTEM INFORMA- 
TYCZNY OCENY RJoCJO- 
NALNOScI DZIAŁANIA AD- 
S'!SIDIU ł..a;ISTvezt..EGO 


NIE 


CZY OBLJCZ!N: WARTOŚCI WSKAŹNIKÓW W 
CHWILI. Ii SPEtI'łA.J.o1 WARTOŚCI KRYTERIAlNE 


OBlICZ WARTOŚCI WVBRANYOi WSKAŹNl . 
EKSPl.OĄTACY.JNYCH W CHWILI 12010_ t 


CZY WYSTĘPUJE NEGATYWNA TEN - TAK 
DENCJA ZMIAN v.lĄRTOŚCI WSKAŹNIKÓW 


CZy WYSTĘPUJE PQZV1YWNA TEN - NIE 
DENCJA ZMIAN v.lĄRTOŚCI WSKAŹNIKÓW 


CZy 


CZy ISTNIEJE CELOWOśC 
MODERNIZACJI 


/ ZAKOŃCZ DZIAŁANIE / 
7 SYSTEMU _ 
Rys. 6. Algorytm sterowania transformacją systemu eksploatacji
>>>
122 


Maciej Woropay 


LITERA TURA 


[1] Będkowski L.: Elementy diagnostyki technicznej. WAT, Warszawa 1992. 
[2] Cempel c.: Modele diagnostyki wibroakustycznej. Diagnostyka Maszyn Robo- 
czych i Pojazdów, Bydgoszcz 1994. 
[3] Cholewa W., Kaźmierczak J.: Diagnostyka techniczna maszyn. Politechnika Śląska 
1992. 
(4) Downarowicz O.: Teoretyczne podstawy eksploatacji obiektów technicznych. 
Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, Mechanika nr 70, Gdańsk 1993. 
[S] Mesarowic M.D., Macko D., Tahara Y.: Theory of hierarchical multilevel systems. 
Academic Pres, New York 1970. 
[6] Oziemski S.: Zastosowanie logistyki do kształtowania niezawodności maszyny. 
Pro-bierny Maszyn Roboczych, Warszawa 1993. 
[7] Weinberg G.M.: Myślenia systemowe. WNT, Warszawa 1979. 
[8] Woropay M., Landowski B.: Metoda wyboru strategii eksploatacyjnej złożonych 
obiektów technicznych. Konferencja Naukowa DlAG '94. Borówno 1994. 
[9] Woropay M.: System eksploatacji jako hierarchiczny system biotechniczny. Inży- 
nieria Systemów Bioagrotechnicznych, Zeszyty Naukowe nr 3, Warszawa 1993. 


HE DIAGNOSTIC INFORMATION IMPORT ANCE AND INFLUENCE 
ON THE CONTROLABILlTY OF HlERARCHlCAL MACHINES OPERATING 
SYSTEM 


SUMMARY 


The paper deals with the modem method of machines operating and maintenance 
system description considerating its hierarchical structure which ensures the objective 
function realisation. 
System's approach to the controlability analysis of system 's model shows the im- 
portance of diagnostic subsystem on the background of other subsystems. 
The algorithm built for machines operation and maintenance system controI 
shows principles for transformation of the system in depedence of its environment's 
states as well as states of its subsystems which ensure the abiIity of system' s continous 
development (developing systems).
>>>
AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH 
W BYDGOSZCZY 
ZESZYTY NAUKOWE NR 202 - MECHANIKA (41) - 1996 


Bogdan ŻÓŁ TOWSKI 


KSZT AL TOW ANIE I OCENA JAKOŚCI MASZYN 
W KATEDRZE MASZYN ROBOCZYCH I POJAZDÓW 


Kształtowanie jakości maszyn odbywa się przez wszystkie fazy istnienia 
maszyny. Ma to na celu zapewnienie wysokiej niezawodności działania oraz speł- 
niania zadań stawianych przed nowoczesnymi maszynami. Jako narzędzie do tego 
można wykorzystać metody i środki diagnostyki technicznej, z wykorzystaniem 
sztucznej inteligencji. 
W tej pracy omówiono zakres problematyki i prac realizowanych w Kate- 
drze Maszyn Roboczych i Pojazdów, wskazując jednocześnie na kierunki rozwoju 
metod kształtowania jakości maszyn w pracach prowadzonych przez pracowni- 
ków Katedry. 


WPROW ADZENIE 


W procesie rozwoju techniki i produkcji istotnym zagadnieniem jest zapewnienie 
wyrobom odpowiedniej ,Jakości" i efektywności. Właściwości obiektu, wpływające na 
jakość i efektywność, wywołują coraz to nowe problemy techniczne dla specjalistów 
różnych dziedzin techniki, jak i dla ekonomistów zainteresowanych nimi w aspekcie 
potrzeb gospodarki narodowej. 
Zainteresowania naukowe pracowników Katedry Maszyn Roboczych i Pojazdów 
dotyczą problemów kształtowania ,jakości" maszyn i pojazdów w całym procesie ich 
istnienia. 
Problematyka ta rozwijana jest w dziedzinie niezawodności, diagnostyki technicz- 
nej, napraw i regeneracji oraz użytkowania i obsługiwań technicznych. Uwarunkowania 
gospodarki rynkowej spowodowały przesunięcie tej problematyki zainteresowań na 
początkowe fazy istnienia obiektów. 
Szczególnego znaczenia w takim ujęciu nadano problematyce diagnostyki tech- 
nicznej, traktowanej jako narzędzie kształtowania cech użytkowych nowo two- 
rzonych i modernizowanych obiektów technicznych. 
Traktując eksploatację maszyn jako główny etap weryfikacji ich przydatności 
i spełniania oczekiwań społecznych, coraz częściej na tym etapie prowadzi się inten- 
sywne badania poprawności działania maszyn w odpowiednio sformalizowanych struk- 
turach eksploatacji. 
Możliwości dokonań wszystkich dziedzin teorii eksploatacji, rozwijanych w Kate- 
drze, pozwalają na optymalne procedury projektowania, konstruowania, wytwarzania 
i eksploatacji maszyn, przy szerokim wspomaganiu badań techniką komputerową. 
W tej pracy przedstawiono skrótowo problemy główne składowych dziedzin teorii 
eksploatacji, jednoznacznie określające kierunki, możliwości i potrzeby realizowanych
>>>
124 


Bogdan Żółtowski 


badań, wspomaganych głównie diagnostyką techniczną wraz z elementami sztucznej 
inteligencji. 
Interdyscyplinarne powiązanie problemów eksploatacji maszyn wyraźnie wskazuje 
na dominującą wśród nich rolę diagnostyki technicznej, traktowanej jako narzędzie 
badania stanu maszyn oraz kształtowania ich jakości i sposobów wykorzystania. 


I. DETERMINIZM I LOSOWOŚĆ RZECZYWISTOŚCI 


Opis otaczającej nas rzeczywistości opiera się na przyjmowaniu modeli tworzo- 
nych na prawach i faktach uwzględniających: 
- zasady przyczynowości; 
- zasady determinizmu; 
- zasady nieoznaczoności; 
- zasady losowości. 
Poglądy na istotę związku przyczynowego opierają się na związkach przyczyno- 
woskutkowych zachodzących w następstwie czasowym oddziaływania pomiędzy zjawi- 
skami, określającymi zależności pomiędzy przyczynami i ich skutkami. Formuła: nic nie 
dzieje się bez przyczyny lecz wszystko z jakiejś racji i konieczności" stała się podstawą 
gromadzenia wiedzy, formułowanych praw i na ich podstawie teorii tworzących naukę. 
Zasada przyczynowości jest podstawą skrajnego determinizmu w poglądzie na 
zjawiska zachodzące w otaczającej nas rzeczywistości, formułowane w postaci jedno- 
znacznej odpowiedzi na pytania: 
" Czy każde zjawisko ma ustalonąjednoznacznie przyczynę?" 
" Czy każda przyczyna majednoznacznie określony skutek?". 
Modelowe przedstawianie rzeczywistości z konieczności wielu ograniczeń opiera 
się na deterministycznym pojmowaniu zjawisk, wykorzystującym newtonowski pogląd 
na otaczający nas świat. 
Przyczynowość i determinizm jego opisu zostają coraz częściej modyfikowane 
przez zasadę nieoznaczoności, traktującą otaczający nas świat w kategoriach losowości. 
Początkowo zjawiska losowości opisywano w kategoriach prawdopodobieństw i za 
pomocą metod statystycznych, skrywając niewiedzę ludzką dalej w modelach determini- 
stycznych. 
Dopiero stworzenie teorii chaosu deterministycznego, opartego na nieliniowych 
transformacjach deterministycznych pozwala na przybliżone opisywanie zjawisk w wa- 
runkach losowości. Z chaosem deterministycznym ściśle związane jest występowanie 
tzw. atraktorów, którymi są zazwyczaj nieokresowe trajektorie przyciągające inne tra- 
jektorie ze swego otoczenia. Prowadzi to wprost do teorii fraktali, gdzie cechy fraktalne 
(powtarzające się) propagują się w przestrzeni, stanowiąc dobre przybliżenie systemów 
rozwijających się. 
Tak więc nowoczesne traktowanie obiektów i zjawisk, opisywanych w kategoriach 
chaosu zdeterminowanego, daje nowe metody analizy systemów deterministycznych za- 
burzanych losowo. 
Przedstawione sygnalnie problemy zdecydowanie zmieniają podejście do zagad- 
nień diagnostyki technicznej, szczególnie w zakresie modelowania diagnostycznego, a 
także dobrze obrazują uznane, lecz mało dokładne, deterministyczne założenie metodo- 
logiczne:
>>>
Kształtowan ie i ocena jakości maszyn ... 


125 


"maszyna jest urządzeniem zdeterminowanym, gdzie każdemu stanowi odpowia- 
dająjednoznaczne objawy". 
Przekonanie o tym, że świat jest newtonowski, ustępuje pod naciskiem koncepc 
ji kwantowego i relatywistycznego poznawania świata, stając się źródłem nowych kon- 
cepcji i obszarów badań. 


2. KSZTAŁTOWANIE "JAKOŚCI" MASZYN 


Aktualny stan maszyny można określać obserwując funkcjonowanie obiektu, tzn. 
jego wyjście główne przekształconej energii (lub produktu),oraz wyjście dyssypacyjne, 
gdzie obserwuje się procesy resztkowe np. termiczne, wibracyjne, akustyczne, elektro- 
magnetyczne. Obserwacja tych wyjść daje całą gamę możliwości diagnozowania stanu 
poprzez: 
* obserwację procesów roboczych, monitorując ich parametry w sposób ciągły, 
czy też prowadząc badania sprawnościowe maszyn na specjalnych stanowiskach (moc, 
prędkość, ciśnienie itp.); 
* badania jakości wytworów, zgodności pomiarów, pasowań, połączeń itp., gdyż 
ogólnie tym lepszy stan techniczny maszyny, im lepsza jakość produkcji [rys. l]; 
* obserwację procesów resztkowych, stanowiących bazę wielu atrakcyjnych 
metod diagnostycznych, opartych głównie na modelach symptomowych. 
Efektywne wykorzystanie diagnostyki jest uwarunkowane dynamicznym rozwojem 
następujących zagadnień: 
- modelowania diagnostycznego (strukturalnego, symptomowego); 
- metod diagnozowania, genezowania i prognozowania; 
- podatności diagnostycznej (przyjazne metody i obiekty); 
- budowy ekonomicznych i dokładnych środków diagnozy; 
- precyzowania możliwości diagnostyki w kolejnych fazach istnienia maszyny; 
- metod oceny efektywności zastosowań diagnostyki; 
- metodologii projektowania i wdrażania diagnostyki technicznej; 
- metod inteligencji w diagnostyce. 
Oczywistym jest przy tym, że powyższe problemy winny być rozwiązane w opar- 
ciu o najnowsze dokonania różnych dziedzin wiedzy. Zatem jest tu miejsce na szerokie 
stosowanie wspomagania komputerowego w zakresie: modelowania holistycznego 
i symptom owego, planowania i realizacji badań, wnioskowania, miejsce dla sztucznej 
inteligencji obejmującej systemy doradcze i sieci neuronowe z udziałem logiki rozmytej 
[1,3,4]. 
Wiedza i technologia diagnozowania łączą się zawsze z rodzajem modelu diagno- 
stycznego, który można stworzyć dla badanego obiektu. Jak zawsze rzeczywisty obiekt 
musi poddany być obserwacjom oraz badaniom stanowiskowym i eksploatacyjnym. 
W zależności od posiadanej wiedzy można stworzyć model fizyczny przedstawiający 
obiekt w zadanej skali lub najczęściej jego model abstrakcyjno-ilościowy. W zależności 
od rodzaju cech obiektu zawartych w modelu będzie on miał charakter symptomowy 
lub strukturalny (rys.2).
>>>
126 


Bogdan Żółtowski 


Po stronie opisu symptom owego mamy diagnostykę opartą na symptomach stanu 
(diagnostyka symptomowa), zaś po stronie strukturalnego opisu analitycznego obiektu 
mamy diagnostykę holistyczną, wspartą modelowo. W zależności od naszych możli- 
wości kompensacji zakłóceń procesu i otoczenia model ten może być deterministyczny, 
probabilistyczny lub rozmyty. 


za cema 
sterowanie 
zasi/anie 
.. 
MASZYNA przetworzona energia procesy 
-+ robocze 
STATYKA produkt jakość 
I DYNAMIKA wytworu 
procesy resztkowe 
procesy d/a 
- wibroakustyczne hadań 
STAN - elektryczne diagnostycznych 
TECHNICZNY - cieplne 
- tarciowe 
- inne 
destrukcyjne sprzężenie zwrotne 


kłó 


Rys.l. Możliwc trzy sposoby obserwacji stanu maszyny 


Dla oceny stanu obiektu oba rodzaje diagnostyki mogą wykorzystywać ten sam ba- 
gaż metod wnioskowania, od deterministycznych począwszy a na sztucznej inteligencji 
kończąc. O ile podejście symptomowe jest faktem dnia codziennego w działaniach dia- 
gnostycznych, to modelowanie strukturalne umożliwiające badanie całego cyklu żyda 
obiektu oraz projektowanie zakresu i systemu diagnozowania staje się możliwością do 
wykorzystania w przyszłości.
>>>
Kształtowanie i ocena jakości maszyn ... 


127 


ZADANIE DIAGNOSTYCZ,NE 
(obiekty rzeczywiste) 


MODELE MECHANICZNE 
(struktura i cechy stanu) 


MODEL FIZYCZNY 
MODEL MA'mMA TYCZNY
 IDENTYHKACJA MODEl J 
Opis jakościowy -4 wyjaśniający -4 ilościowy 


r----------------------- -----------------------, 
: MODEL 
: STRUKTURA! ,NY 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
/ 
I 
, 
I 

-------------------------------------------- 


* deterministyczny 
* prawdopodobieństw 
* rozmyty 


, 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
I 
-------1 


-dynamika 
zużycia 


*deterministvczne 
* probabilistyczne 
. rozmyte 
. neuronowe 
. 
ksperckie 
. mne 


MODEL DIAGNOSTYCZNY 


MODELE WNIOSKOWANIA 


DIAGNOZA 
(aktu al na/przy szla) 


KRYTERIA 
. podzial modeli 
. trafność 
. stany graniczne 
. efektywność 
. inne 


Rys. 2. Możliwości modelowania diagnostycznego obiektów 


3. PRZEMYSŁOWE SYSTEMY NADZORU MASZYN 


We współczesnym świecie rywalizacja gospodarcza przebiega praktycznie na 
płaszczyźnie szeroko rozumianej "jakości", z tytułu której można uzyskać określone 
korzyści ekonomiczne. Korzyści te są uprzedzająco zabudowywane w kolejnych fazach
>>>
128 


Bogdan Żółtowski 


istnienia obiektów i dotyczą właściwie wszystkich aspektów ich istnienia: funkcjonalne- 
go, materiałowego, energetycznego, wydajnościowego, ekologicznego itp. 
Każda maszyna przechodzi cztery fazy swego istnienia: wartościowanie (C), pro- 
jektowanie (P), wytwarzanie (W) i eksploatację (E). Coraz większe wymagania sta- 
wiane maszynom określiły szereg kryteriów, które są badane na każdym z etapów. Me- 
tody i środki dające taką możliwość kontroli "jakości" maszyn - spełniania stawianych 
kryteriów - są zakresem zainteresowań diagnostyki technicznej (rys.3). 


FAZY ISTNIENIA MASZYNY 


Diagnostyka 
heurystyczna 

 


Diagnostyka 
konstrukcyjna 

 


Diagnostyka 
kontrolna 



 


Wybór metod 
i środków 
diagnostyki 


Identyfikacja źródeł 
podwyższonej 
dynamiczności 


Ocena 
jakości 
wytworów 


Ocena stanu 
technicznego 
maszyny-procesu 


Rys. 3. Fazy istnienia maszyny w aspekcie diagnostyki 


Patrząc syntetycznie na ogół możliwych zastosowań diagnostyki w każdej z faz 
istnienia obiektu, można wyróżnić dziedziny i zakres wiedzy niezbędnej do prawidło- 
wego rozwoju tej dziedziny. 
Są to: wiedza o obiektach, ich modelowaniu, identyfikacji, symulacji zacho- 
wań, nauka o sygnałach i symptomach, teoria eksperymentu, teoria decyzji oraz 
komputerowe wspomaganie badań diagnostycznych. 
Z praktycznego punktu widzenia problemy główne diagnostyki, warunkujące ra- 
cjonalny rozwój i praktyczne jej stosowanie, obejmują: 
. fizykochemiczne podstawy diagnostyki technicznej (tworzywo konstrukcyjne, 
warstwa wierzchnia, smarowanie, stany graniczne), 
. metodologiczne podstawy badań diagnostycznych (zadania diagnostyczne, 
modele diagnostyczne, identyfikacja modeli, symulacja wrażliwości miar, techni- 
ki wnioskowania, sposoby prezentacji diagnoz), 
· komputerową obsługę zadań diagnostycznych (oprogramowanie, planowanie 
eksperymentów, badania, przetwarzanie sygnałów, estymacja charakterystyk, re- 
dukcja wymiarowości, estymacja modeli), 
· techniczne metody kontroli stanu obiektu (metodyki, metody, środki - od naj- 
prostszych do systemów doradczych),
>>>
Kształtowanie i ocena jakości maszyn ... 


129 


· rolę i miejsce diagnostyki w cyklu istnienia obiektu (projektowanie układów 
diagnostyki, projektowanie diagnostyczne, określanie charakterystyk użytko- 
wych, wartości graniczne, sterowanie eksploatacją), 
· przeslanki ekonomiczne stosowania diagnostyki (mierniki wartości, modele 
decyzyjne, wskaźniki efektywności, rachunek optymalizacyjny), 
· ksztalcenie dla potrzeb diagnostyki (zawód, sylwetka absolwenta, poziomy 
kształcenia, doskonalenie, materiały dydaktyczne). 
Są to więc grupy podstawowych problemów z różnych dyscyplin podstawowych 
i stosowanych, zawierające w sobie wyróżniki odrębności naukowej diagnostyki tech- 
nIczneJ. 
Uwzględnienie kryteriów stawianych obiektom w poszczególnych fazach ich ist- 
nienia: C - P - W - E , daje podstawę oceny spełniania potrzeb, a także wytycza kierunki 
rozwoju wiedzy i badań diagnostyki technicznej. 


3.1. Funkcja sterująca diagnostyki 
Rola i znaczenie diagnostyki technicznej w każdej z faz istnienia maszyny jest bar- 
dzo istotna i ukazana na tle zadań spełnianych przez wytwór w poszczególnych strate- 
giach eksploatacji. Szczególnie istotna jest jednak rola diagnostyki na etapie eksploata- 
cji maszyn, gdzie decyzję o sposobie wykorzystania maszyny podejmuje się w oparciu 
o wyniki badania stanu technicznego. Na tym tle można już w sposób oczywisty sprecy- 
zować funkcję sterującą diagnostyki, gdzie sposób wykorzystywania informacji do 
sprawnego działania maszyny odpowiada wymogom teorii sterowania. 
Na podstawie zebranej informacji diagnostycznej z podsystemu diagnostycznego 
podejmowane są następujące decyzje: 
- ocena stanu maszyny w chwili "t" (zdatna, niezdatna); 
- uszkodzone elementy, w przypadku niezdatności maszyny; 
- rozregulowane elementy, w przypadku niezdatności maszyny; 
- przewidywany stan maszyny w chwili tp = t +.1 t (prognozowanie); 
- czas pracy maszyny do naprawy głównej; 
- czas rezerwowy do likwidacji maszyny; 
- termin następnego diagnozowania maszyny. 
Proces postępowania z maszynąjest więc następujący: 
a) w przypadku maszyny zdatnej: badanie stanu - wykonanie niezbędnie koniecz- 
nych zabiegów obsługowych - prognozowanie stanu - ustalenie terminu następ- 
nego badania; 
b) w przypadku maszyny niezdatnej: badanie stanu - ustalenie przyczyn niezdat- 
ności (rozregulowanie, uszkodzenie, wykonana praca do naprawy głównej lub 
likwidacji) - usunięcie uszkodzenia - ocena jakości wykonanej naprawy - wy- 
konanie niezbędnych czynności obsługowych - prognozowanie - termin kolej- 
nego diagnozowania. 
Funkcja sterująca diagnostyki w utrzymaniu zdatności maszyn polega więc na: 
* ocenie aktualnego stanu maszyny, określającego możliwości dalszej ich pracy; 
* eliminacji niezdatnych, a więc i niebezpiecznych maszyn z użytkowania;
>>>
130 


Bogdan Żółtowski 


* zapobieganiu uszkodzeniom lub nagłym awariom maszyn, dzięki uprzedzającym 
badaniom i oc,;:nie stanu; 
* przewidywaniu przyszłych stanów maszyn, stwarzając podstawy planowania ma- 
teriałowo-technicznego i zadaniowego systemu eksploatacji. 
Biorąc za podstawę przedstawione możliwości diagnostyki w zakresie nadzorowa- 
nia zmienności stanów maszyn, zasadne są propozycje metody obsługiwania maszyn 
według stanu technicznego w ramach autoryzowanej strategii eksploatacji maszyn. 
Doskonalenie tej przyszłościowej strategii opiera się o nowe, skuteczne metody 
diagnozowania stanu maszyn, o opracowania pokładowych i stacjonarnych układów 
diagnostycznych, wspieranych techniką komputerową i dokonaniami sztucznej inteli- 
gencji . 
Nowoczesne formy organizacji produkcji umożliwiają uzyskanie wysokiej wydaj- 
ności produkcji, elastyczności, jakości oraz ekonomicznej efektywności produkcji, pod 
warunkiem prowadzenia prawidłowej eksploatacji obiektów mechanicznych w przedsię- 
biorstwie. 
Realizując w przedsiębiorstwie nowoczesne strategie rozwoju należy właściwie 
zorganizować gospodarkę środkami trwałymi, a w niej system utrzymania ruchu maszyn 
i urządzeń. 
Utrzymanie maszyn i urządzeń w stanie gotowości technicznej polega na zapobie- 
ganiu i minimalizacji procesów fizycznego zużywania się ich elementów oraz usuwaniu 
skutków tego zużycia. Informacji o przebiegu tych procesów dostarcza diagnostyka 
techniczna. 
Znaczenie diagnostyki technicznej w działalności przt-dsiębiorstw wynika z fun- 
kcji: 
- prognostycznej, pozwaiającej określać z pewnym prawdopodobieństwem proce- 
sy zużycia i stany eksploatacyjne maszyn w określonej przyszJości; 
- prewencyjnej, umożiiwiającej skuteczne pianowanie j realizację działań zapo- 
biegających procesom zużywania się oraz awariom maszyn; 
- korekcyjnej, polegającej na dokonywaniu zmian konstrukcyjno- 
technologicznych w produkcji maszyn oraz zmian warunków eksploatacji zmie- 
rzających do popravvy ich funkcjonalności i niezawodności. 
Wdrożenie diagnostyki technicznej w przedsiębiorstwie uwarunkowane jest odpo- 
wiednim przygotowaniem organizacyjnym i obejmuje: 
- pełną dokumentację techniczną dotyczącą aparatury diagnostycznej, określającą 
także technologię jej instalacji i eksploatacji (w tym symptomy stanu i instrukcje 
diagnostyczne ); 
- system informacji diagnostycznej zawierający źródła, sieć przepływu, odbiorców, 
sposób wykorzystania, techniczne środki przesyłania i przetwarzania oraz doku- 
mentację; 
- technologie obsługiwań, organizację i jednostki odpowiedzialne za zaopatrzenie 
i gotowość funkcjonalną diagnostyki technicznej; 
- zasady doboru i program szkolenia personelu odpowiedzialnego za wykonywa- 
nie, nadzór i kontrolę czynności diagnostycznych; 
- analizę ekonomicznej efektywności zastosowania diagnostyki w przedsiębior- 
stwie; 
- opracowanie mechanizmów pozytywnej stymulacji ekonomicznej pracowników 
i jednostek związanych z wykonywaniem zadań diagnostyki.
>>>
Kształtowanie i ocena jakości maszyn ". 


13 I 


Problematykę diagnostyki w zakładzie najczęściej powierza się zespołowi diagno- 
stycznemu, który określa zakres, metody i środki niezbędne do nadzoru maszyn 
(krytycznych, ważnych, mało istotnych). Swoje zadania zespół realizuje w powiązaniu z 
działem głównego mechanika, szefa produkcji, kierownikiem działu marketingu i księ- 
gowością (rysA). 


w 


ane nieza- danc niczawod- 
odnościowe MASZYNY nościowc 
pozyslĆiwiinle i przetwarzanie' 
rzymanie informacji o maszynach, wytworach obciążenie 
chu i potrzebach rynku produkcYJne 
GŁÓWNY MECHANIK postęp MARKETING 
niezawodność maszyn techniczny 
szanse - zagrożenia 
. . t serwis T 
termInY I za es obsługiwań - zmiany potrzeb rynku 
i napraw I - jakość wytworów 
Akwizycja informacji - ilość wytworu 
ZESPÓŁ DIAGNOSTYKI 
I INFORMACJE l DECYZJE 
koszt awarii, 
napraw i przestojów decyzje dopuszczenia 
I do ruchu 
DZIAŁ FINANSOWY SZEF PRODUKCJI 
optymalizacja prac' . Efektywi1iść planowania: 
 
i działań zespołu możliwość produkcji 


obclązama 
RysA Powiązania informacyjne zespołu diagnostyki w zakładzie 


d 


ut 
fU 


Zróżnicowaną informacją o stanie maszyn zainteresowane są poszczególne działy- 
zakładu, zależnie od zakresu użytkowanych maszyn i specyfiki produkcji. 
Zespół diagnostyki pozyskuje i przetwarza informacje o maszynach i na tej pod- 
stawie podejmuje odpowiednie decyzje. Decyzje o dopuszczeniu do ruchu danej maszy- 
ny oraz informacje o możliwości obciążenia maszyny, a także o konieczności wyłącze- 
nia maszyny z ruchu przekazywane są do szefa produkcji. Do głównego mechanika 
zakładu przekazywane są informacje o terminie i zakresie spodziewanych napraw, a od 
niego otrzymuje dane niezawodnościowe w celu lepszego zorientowania swych prac. 
Dla optymalizacji zakresu swych prac i potwierdzenia swej przydatności zespół otrzy- 
muje informacje o potrzebach rynku z działu marketingu, zaś o kosztach napraw i prze- 
stojów z działu finansowego.
>>>
132 


Bogdan Żółtowski 


3.2. Autoryzowana srategia eksploatacji maszyn 
Jakościowe zmiany wymuszone gospodarką rynkową mają rozległe konsekwencje 
we wszystkich sferach gospodarowania, w tym również w eksploatacji środków trwa- 
łych. Wymagania od strony "jakości", marketingu i logistyki zmieniają radykalnie kryte- 
ria oceny maszyn, dając przesłanki do dalszego, rosnącego zainteresowania metodami i 
środkami diagnostyki technicznej. 
Potrzeby i uwarunkowania gospodarki rynkowej uzasadniają konieczność wpro- 
wadzenia nowoczesnej autoryzowanej strategii wytwarzania i eksploatacji maszyn 
(ASEM). 
W propozycji tej strategii nie traci się dotychczasowych dokonań najnowszej stra- 
tegii eksploatacji według stanu, lecz twórczo się ją modernizuje. Sama idea tej strategii, 
pokazana na rys.5, opiera się na wykorzystaniu "pętli jakości", którą uzupełniono ele- 
mentami teorii eksploatacji (fazy istnienia maszyny, serwis) oraz diagnostyki technicz- 
neJ. 


 

 
U 
;S Pomoc techniczna 
 i obslugiwanie 
...J 

 
r:I:J 
::c: 

 


WARTOŚCIOWANIE 



 

 

 

 

 

 

 


Sprzedat 
i dystrybucja 


DYSTRYBUCJA 


Rys. 5. Autoryzowana strategia eksploatacji maszyn 


Proponowana strategia eksploatacji ASEM imiennie wskazuje na twórcę i odpo- 
wiedzialnego za wyrób. Producent zainteresowany jakością i późniejszym zbytem jest 
odpowiedzialny za wyrób od zamysłu, poprzez konstrukcję, wytwarzanie i eksploatację, 
aż do utylizacji po likwidacji obiektu. Tym samym producent konstruuje i wytwarza 
swoje wyroby w oparciu o najnowsze osiągnięcia myśli technicznej, zabezpiecza swój 
wytwór własnym serwisem obsługowym w czasie eksploatacji, a także wyposaża obiekty 
w środki diagnostyczne (najlepiej automatyczne). 


4. ELEMENTY SZTUCZNEJ INTELIGENCJI 


Rozwój techniki komputerowej powoduje coraz szersze przenikanie do różnych 
dziedzin techniki zarówno całych komputerów, jak i ich elementów, takich jak mikro-
>>>
Kształtowanie i ocena jakości maszyn ... 


133 


procesory, pamięci, układy wejściowe i wyjściowe itp. W diagnostyce technicznej ist- 
nieje wiele różnych możliwości wykorzystania komputerów w zależności od sytuacji 
diagnostycznych oraz stopnia automatyzacji procesu i systemu diagnostycznego. Sposo- 
by te można podzielić na trzy grupy, które mogą być ogólnie nazwane: 
l) konwencjonalne wykorzystanie komputera do celów diagnostycznych; 
2) komputeryzacja systemu diagnostycznego; 
3) komputeryzacja urządzeń diagnostycznych. 
W każdym przypadku wykorzystanie techniki komputerowej umozliwia szybszą 
realizację procesu diagnozowania, optymalizację programu lokalizacji uszkodzeń lub 
okresu przeprowadzania prac profilaktycznych. 


Konwencjonalne wykorzystanie komputera do diagnozowania 
Podstawowym zadaniem kaZdego komputera jest wykonywanie obliczeń i przed- 
stawianie ich wyników w dogodnej dla użytkownika postaci. Stąd najprostsze, a jedno- 
cześnie bardzo efektywne zastosowanie komputera w procesie diagnozowania, to wyko- 
rzystanie go tylko do celów obliczeniowych. 
W takim przypadku w komputerze można wyróznić trzy podzespoły: 
· klawiaturę, jako urządzenie wejściowe, umożliwiające sterowanie komputerem; 
· pamięć, w której gromadzi się programy, dane i wyniki obliczeń; 
· monitor (ewentualnie drukarkę), jako urządzenie wyjściowe, na którym diagnosta 
odczytuje wytyczne do dalszego postępowania (np. jak korzystać z aparatury 
kontrolno-pomiarowej) i wyniki obliczeń, diagnozy. 
Elementem sprzęgającym komputer z pozostałymi elementami systemu diagno- 
stycznego i obiektem jest w tym przypadku diagnosta (lub pracownik obsługujący kom- 
puter). Najpierw za pomocą stosownych urządzeń kontrolno-pomiarowych oddziaływuje 
się na obiekt i uzyskuje informacje o jego stanie, a następnie wprowadza się je do kom- 
putera (za pomocą klawiatury). Na monitorze odczytuje się częściowe lub końcowe 
diagnozy jako wynik zadanych programów obliczeniowych. 
Podstawowe zalety tego sposobu wykorzystania komputera do celów diagnostycz- 
nych to: 
l/ uwolnienie diagnosty od konieczności pamiętania (lub szukania w instrukcjach) 
różnego rodzaju danych; zmniejsza to możliwość popełnienia omyłek i wypra- 
cowania błędnych diagnoz; 
2/ znaczne skrócenie czasu trwania procesu diagnozowania; 
3/ eliminacja subiektywnych wniosków i ocen oraz konsekwentna rejestracja da- 
nych, co znacznie wpływa na wiarygodność wyników kontroli. 
Zastosowanie komputera w tej strukturze systemu diagnostycznego wymaga opra- 
cowania odpowiednich programów (software'u), nie wiąże się natomiast z żadnymi 
zmianami w oprzyrządowaniu pomiarowym, sieci połączeń itp. Rozwiązanie takie jest 
najtańszą, a zarazem bardzo efektywną formą komputeryzacji systemu diagnostycznego. 
Zazwyczaj nie wymaga to nawet zakupu komputera, gdyż w zakładzie coraz częściej 
jest dostępny komputer,' stosowany do różnych celów w wydziałach technicznych lub 
księgowości.
>>>
134 


Bogdan Żółtowski 


Komputeryzacja systemu diagnostycznego 
Omówione wyżej sposoby wykorzystania komputera umożliwiają znaczne uspraw- 
nienie realizacji procesów diagnozowania bez naruszania struktury systemu diagno- 
stycznego, która umożliwia wypracowanie diagnozy również bez komputera. Jego funk- 
cje spełnia wówczas człowiek-diagnosta. Dalsze zwiększenie roli komputera polega 
przede wszystkim na przekazaniu komputerowi funkcji sterowania oprzyrządowaniem 
kontrolno-pomiarowym. 
Elementem sprzęgającym obiekt i jego oprzyrządowanie kontrolno-pomiarowe jest 
tu interfejs, to jest układ pośredniczący w dwustronnym przekazywaniu informacji po- 
między podzespołami komputera a urządzeniami zewnętrznymi. 
Dzięki temu, program zawarty w pamięci komputera powoduje generacje komend 
sterujących, oddziaływujących poprzez układ interfejsu na przyrządy pomiarowe, gene- 
ratory sygnałów testujących itp. Kolejne komendy powodują przekazanie po przez inter- 
fejs wyników pomiarów z przyrządów do pamięci komputera. Dalsze ich przetwarzanie 
w komputerze prowadzi do wypracowania diagnozy lub jej wariantów i za pośrednic- 
twem monitora przekazanie jej do akceptacji diagnosty. 
Sterowanie przyrządami pomiarowymi polega na: 
. powodowaniu wykonania określonych działań za pomocą przyrządów w zada- 
nych chwilach lub co zadany okres; 
. wyborze wielkości badanych według zadanego stałego programu lub w zależno- 
ści od wyników poprzednich pomiarów; 
. tworzenie odpowiedniej dla danego pomiaru struktury systemu diagnostycznego 
poprzez włączanie odpowiednich przyrządów pomiarowych i innych urządzeń 
stymulujących odpowiednie warunki badania. 


Mikroprocesorowe urządzenia diagnostyczne 
Komputeryzacja systemu diagnostycznego ma tę zaletę, że umożliwia elastyczne 
wykorzystanie zgromadzonej aparatury kontrolno-pomiarowej (hardware'u) do różnych 
celów po przez zmianę programu (software'u). Jest to korzystne w przypadkach, gdy 
często zmienia się diagnozowany obiekt lub wymagania diagnostyczne. Jeśli występuje 
potrzeba wielokrotnego diagnozowania tego samego lub takiego samego obiektu, celo- 
wym staje się doprowadzenie systemu diagnostycznego do postaci mikroprocesorowego 
urządzenia diagnostycznego. 
Główne zalety mikroprocesorowych urządzeń to: 
. szybkość działania (możliwość rejestracji i uwzględniania wartości chwilowych 
procesów przejściowych); 
. automatyczna, bez udziału obsługi realizacja skomplikowanych działań pomia- 
rowych i obliczeniowych; 
. selektywny wybór informacji dostarczanych użytkownikowi w postaci najłatwiej- 
szej do percepcji; 
. duża niezawodność działania i wiarogodność wyników; 
. obiektywność diagnoz, niezależna od kwalifikacji, solidności i koncentracji uwa- 
gi personelu. 
Zastosowanie mikroprocesorowych urządzeń diagnostycznych ma szczególnie du- 
że znaczenie w sytuacjach, gdy trzeba kontrolować wielkości w wielu punktach obiektu.
>>>
Ksztahowanie i ocena jakości maszyn ... 


135 


5. DIAGNOSTYCZNE SYSTEMY EKSPERTOWE 


Pojęcie "eksperta" jest intuicyjnie rozumiane jako określenie człowieka posiadają- 
cego ugruntowaną wiedzę i doświadczenie w danej dziedzinie oraz cieszącego się auto- 
rytetem w środowisku. Oceny wydawane przez eksperta z jednej strony zależą od jego 
wiedzy i doświadczenia, a z drugiej od subiektywnych odczuć związanych z wynikami 
jego zawodowych doświadczeń, aktualnych tendencji w podejściu do zagadnień wyma- 
gających rozwiązania itp. 
Oparty na takich subiektywnych odczuciach proces doboru ekspertów oraz genero- 
wane przez nich oceny wymagają starannej realizacji i dokładnej weryfikacji. 
Główną przyczyną odwoływania się do systemówekspertowych jest świadomość, 
że posiadana o rozpatrywanym problemie wiedza nie jest ani pełna, ani całkowicie pew- 
na. W odniesieniu do diagnostycznych systemówekspertowych ma to miejsce w sy- 
tuacji, gdy wnioskowanie diagnostyczne nie może być dostatecznie wiarygodne w wyni- 
ku logicznego wnioskowania, przeprowadzanego na podstawie analizy budowy obiektu, 
zasad jego funkcjonowania i wyników przeprowadzonych obserwacji i pomiarów. 
Sytuacje takie mają miejsce zwłaszcza w okresie opracowywania przez projektanta 
wytycznych (np instrukcji, projektów urządzeń diagnostycznych) do diagnozowania 
obsługowego (lokalizacji uszkodzeń). 
Jeśli diagnoza wypracowana przez system diagnostyczny nie spełnia wymagań 
użytkownika (np. jest fałszywa), zwraca się on o pomoc do eksperta, który korzystając 
z dodatkowych informacji zaleca zmiany w procesie diagnostycznym (badanie innych 
właściwości obiektu, inne wartości odniesienia, inna relacja diagnostyczna), w wyniku 
czego uzyskuje się diagnozę bardziej wiarygodną. 
Aby zrealizować to zadanie, system umożliwia tworzenie wiedzy diagnostycznej, 
korzystając z różnych źródeł informacji. Są to: 
1) badania literaturowe; pozwalają one określić czego nie wiemy. Należy zwrócić 
uwagę, że źródłem informacji w tym zakresie mogą być, oprócz opracowań na- 
ukowych, również instrukcje obsługi, protokoły reklamacyjne i wyniki badań 
zarówno obiektu którego dotyczy opracowywany system diagnostyczny, jak 
i innych obiektów należących do tej samej klasy; 
2) analiza budowy i funkcjonowania obiektu; 
3) badania eksperymentalne, uzupełniające lub weryfikujące już posiadaną wiedzę 
dotyczącą obiektu i jego diagnozowania. Badania te mogą być symulacyjne lub 
modelowe, prowadzone w warunkach laboratoryjnych lub eksploatacyjnych. 
Uzyskana wiedza diagnostyczna zostaje wykorzystana we współpracy z ekspertem 
w ten sposób, że: ' 
a) na podstawie I) i 2) tworzy się zestaw możliwych stanów niezdatności obiektu i 
zestaw objawów tych stanów; 
b) drogą wywiadów (np. w postaci kwestionariusza ankietowego) uzyskuje się od 
ekspertów określenie zależności między objawem a stanem niezdatności. Uzy- 
skane relacje mogą być zapisane za pomocą tzw. mb/le bazowych reprezentacji 
wiedlJ1; 
c) wyniki te poddaje się weryfikacji poprzez badania eksperymentalne, przepro- 
wadzając rótne eksperymenty diagnostyczne.
>>>
136 


Bogdan Żółtowski 


Końcowym wynikiem tych działań jest utworzenie reguł wnioskowania w postaci 
implikacji: ''jeżeli {x} to y" ; gdzie x - "przesłanki" a y - "konkluzje". Reguły te różnią 
się od relacji diagnostycznych tym, że: 
· związana jest z nimi niepewność charakteryzowana stopniami pewności, gdyż za- 
równo fakty, jak i oparte na nich reguły wnioskowania nie są całkowicie pewne; 
· reguły wnioskowania mogą być proste, w postaci implikacji: jeżeli x to Ei albo 
złożone, w postaci: jeżeli x to Ej lub Ej (i * j). 
Utworzenie reguł wnioskowania, to jest implikacji łączących objawy ("prze- 
słanki") i diagnozy ("konkluzje"), wymaga zebrania wielu informacji o obiekcie, ustale- 
nia sposobu ich pozyskiwania, a zwłaszcza wyboru interesujących symptomów, które 
mogą zawęzić nieokreśloność stanu obiektu. 
Związane z tym problemy można połączyć w następujące, powiązane ze sobą mo- 
duły: 
1/ moduł pozyskiwania informacji (akwizycji wiedzy) diagnostycznej; 
2/ moduł sterowania dialogiem z użytkownikiem; 
3/ moduł tworzenia reguł wnioskowania; 
4/ moduł bazy wiedzy diagnostycznej. 
Pierwszy z nich wiąże się z zestawem aparatury pomiarowej i przetworników 
umożliwiających uzyskiwanie danych. Drugi dotyczy doboru objawów, symptomów 
i stanów obiektu (możliwych uszkodzeń), które należy badać i określać. Trzeci moduł 
obejmuje metodykę wypracowywania relacji coraz dokładniej i pewniej wiążących ob- 
serwowane symptomy ze stanami obiektu. 
Wyniki uzyskiwane w toku prowadzonych badań literaturowych (w tym dane pro- 
jektowe o obiekcie), badań eksperymentalnych (w tym dane z eksploatacji) oraz wyniki 
wnioskowania i ich weryfikacja gromadzone są w module bazowym wiedzy diagno- 
stycznej i są wykorzystywane w kolejnych procesach diagnostycznych realizowanych 
przez system diagnostyczny. 
Znacznym ułatwieniem opracowywania diagnoz w ekspertowym systemie diagno- 
stycznym jest stworzenie tzw. szkieletowego systemu jako wyspecjalizowanego narzę- 
dzia pozyskiwania wiedzy. System taki jest w znacznym stopniu uniwersalny (może być 
zastosowany do różnych obiektów). Po uzupełnieniu danymi (tj. wprowadzeniu infor- 
macji do modułu bazowego) może być wykorzystywany przez różnych użytkowników 
do tworzenia relacji umożliwiających wnioskowanie o stanie obiektu. Opracowanie 
takiego systemu pozwala wykorzystać komputer do konstruowania systemów eksperto- 
wych - rysunek 6. 
Komputerowy system doradczy jest zbiorem programów umożliwiających opraco- 
wanie odpowiedniej bazy wiedzy, na którą składa się: 
· zespół danych uzyskiwanych w wyniku pomiarów; 
. zbiór reguł wnioskowania generujących konkluzje na podstawie przesłanek; 
· programy umożliwiające zapis modeli matematycznych (zwykle w postaci rów- 
nań różniczkowych) oraz ich odwracanie. 
W miarę udoskonalania komputerowego wspomagania systemówekspertowych 
będą one coraz szerzej wykorzystywane dla potrzeb diagnozowania złożonych obiektów 
przemysłowych, jak również optymalizacji innych procesów eksploatacyjnych.
>>>
Kształtowanie i ocena jakości maszyn ... 


137 


OBIEKT 


Regulowa 


Aparat 
wnioskowania 


operator 


modele 


Procedura 


POWŁOKA SYSTEMU 


algorytmy 


Sieci neuronowe 


EKSPERT 


Akwizycja wiedzy 


SYSTEM EKSPERTOWY 


Rys. 6 Architektura diagnostycznego systemu ekspertowego 


6. ZAKRES ZAINTERESOWAŃ 


Kształtowanie i ocena jakości maszyn metodami diagnostyki technicznej wiąże się 
ściśle z koniecznością utrzymania na odpowiednim poziomie ich cech użytkowych 
w określonych warunkach eksploatacji. Cechy te, spełniające wymogi reprezentatyw- 
nych dla stanu obiektu, winny być określone już na etapie konstruowania, a weryfiko- 
wane podczas wytwarzania i eksploatacji. 
Do wyróżnienia, oceny i podtrzymywania cech użytkowych wykorzystuje się: 
- możliwości diagnostyki technicznej, w tym konstruowanie diagnostyczne, ocenę 
jakości wytworów, diagnostykę eksploatacyjną, metody i środki diagnostyki 
technicznej, wspomaganie badań diagnostycznych techniką komputerową; 
_ badania niezawodności maszyn w fazach: przedprodukcyjnej, produkcyjnej i po- 
produkcyjnej przy wykorzystaniu programowanych badań stanowiskowych, mo- 
delowania deterministycznego i stochastycznego czynników wymuszających, 
wspomagania komputerowego badań niezawodności; 
_ metodologię kształtowania ,jakości" maszyn przez ,jakościowy system sterowa- 
nia przedsiębiorstwem" z uwzględnieniem kryteriów norm jakości EN serii 
29 000; 
_ możliwości regeneracji części maszyn, w tym regenerację wielokrotną, badania 
zmęczeniowe i modelowanie obciążeń części regenerowanych, nowe techniki 
i technologie odtwarzania jakości części maszyn; 
_ badania technologiczności obsługowej i naprawczej maszyn, kształtowanie inten- 
sywności starzenia i zużywania się elementów maszyn, kształtowanie podatności 
eksploatacyjnej maszyn oraz ocenę efektywności eksploatacji maszyn.
>>>
138 


Bogdan Żółtowski 


Powyższe grupy tematyczne stanowią obszar zainteresowań pracowników Katedry, 
przyczyniając się do rozwoju metod i metodologii kształtowania i podtrzymywania 
jakości maszyn. 


ZAKOŃCZENIE 


Przedstawiony obszar działalności naukowej Katedry Maszyn Roboczych i Pojaz- 
dów obejmuje problematykę kształtowania i oceny jakości maszyn, przy uwypukleniu 
dominującej w tym względzie roli diagnostyki technicznej. Dotychczasowe osiągnięcia 
w tej problematyce jednoznacznie określają kierunki dalszych prac, szczególnie w ob- 
szarze doskonalenia metodologii badań z uwzględnieniem fraktalnych cech systemów i 
losowości zdarzeń opisywanych chaosem zdeterminowanym. 
Problematyka prac badawczych, obejmująca niezawodność, diagnostykę, regene- 
rację, użytkowanie i obsługiwanie jest nakierowana na współczesne metody kształtowa- 
nia jakości, przy wykorzystaniu techniki komputerowej i osiągnięć sztucznej inteligen- 
cji. 


LITERATURA 


[I] Zółtowski B., Józefik W.: Diagnostyka techniczna elektrycznych urządzeń przemy- 
słowych. Wyd. ATR. Bydgoszcz. 1996. 
l2] Żółtowski B.: Utrzymanie maszyn w ruchu. Zeszyty Naukowe A TR nr 152, Me- 
chanika 32, Bydgoszcz 1988, s. 5-22. 
[3] Żółtowski B.: Ocena podatności diagnostycznej maszyn. Zeszyty Naukowe A TR 
nr J 52, Mechanika 32, Bydgoszcz 1988, s. 49-62. 
[4] Żółtowski B.: Diagnozowanie silnika wysokoprężnego. [TE. Radom 1995. 
[5] Żółtowski B.: Diagnostyka polska. Konfer sc. Bydgoszcz 1995. 
[6] Żółtowski B.: Diagnostyczne aspekty jakości maszyn. ZN P.Gdańskiej. Mechanika 
1996. 


FORMING AND ESTlMATION OF QUALlTY FOR MACHIN ES 
IN CHAIR OF MACHINES AND VEHICLES 


SUMMARY 


The machine's quality forming proceed through all phases of machine's existance. 
It has in view assure high-unfailing operation and fulfil tasks which stand in front of 
modern machines. As an instrument for this task we can use methods and means oftech- 
nical diagnostics including artificial intelligence. 
In this paper the range of problems and labours which are realizing in Chair or 
Machines and Vehicles IS shown. Simultaneously the work indicates the development 
trends for methods quality forming ofmachines.
>>>
ISSN 0208-6395 


Biblioteka Główna A TR 
w Bydgoszczy 
400' 



 


"4
>>>