W rocław, dnia 30.06.2016 r. Dr hab. inż. R adosław Zim roz, Prof. PW r
Politechnika Wrocławska
Wydział Geoinżynierii, G órnictwa i Geologii Na Grobli 15, 50-421 Wrocław
D yscypliny naukowe
elektronika, górnictwo i geologia inżynierska specjalności
diagnostyka m aszyn, elektronika, m aszyny górnicze, przetw arzanie i analiza sygnałów, systemy inform atyczne
RECEN ZJA rozpraw y doktorskiej pt.
Prognozow anie stanu dynam icznego przekładni zębatej stożkowej z uw zględnieniem obciążenia m aszyn górniczych
Autor: m gr inż. K rzysztof Tw ardoch Prom otor: Prof. dr hab. inż. A ntoni Skoć
Podstaw a form alna
N iniejsza R ecenzja opracow ana została na podstaw ie decyzji Rady W ydziału Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej i w konsekw encji pism a skierow anego przez Pana Dziekana W ydziału G órnictw a i Geologii, Prof. dra hab. inż. M ariana Dolipskiego z dnia 02.06.2016 r.
O cena ogólna rozprawy. Znaczenie tematyki
W spółcześnie trudno sobie w yobrazić działalność górniczą bez w spom agania eksploatacji złożonymi system am i maszynowym i. U rabianie, transport, przeróbka itd. to podstawowe procesy, w których niezaw odne działanie system ów m aszynow ych je st fundamentem bezpiecznej i efektywnej produkcji górniczej. W każdym z w ym ienionych przypadków w ystępują układy napędow e i chyba m ożna zaryzykować tw ierdzenie, że w każdym w ystępują w ielostopniow e przekładnie zębate ze stopniem stożkowym.
A nalizy przedstaw iane w pracach różnych A utorów (nie w yłączając D oktoranta czy R ecenzenta) pokazują w yraźnie, że stopień stożkow y je st jednym z elementów układu napędow ego, który najczęściej ulega awarii, zatem znaczenie popraw nego projektowania, w ykonania i eksploatacji stopnia stożkowego je st z punktu w idzenia eksploatacji systemów m aszynow ych w górnictwie bardzo ważne. Ze w zględu na moce, gabaryty, koszty stanowisk badaw czych i koszty przeprow adzania eksperym entów w ykorzystanie zaawansowanego m odelow ania do sym ulacji zachow ań dynam icznych przekładni je st całkowicie uzasadnione. W ostatnich latach m ożna odnotować w literaturze w zrastające zainteresow anie dynamiką przekładni planetarnych, niestety, stopnie stożkow e ciągle pozostają w „niełasce” badaczy, w mojej ocenie głównie ze w zględu na znaczny stopień złożoności problematyki. Recenzent z zadow oleniem przyjm uje i z uznaniem ocenia podjęcie tem atyki rozprawy przez Doktoranta.
Podsum ow ując, tem atyka pracy je st istotna (z punktu w idzenia eksploatacji górniczej, ale także dla w ielu innych aplikacji, gdzie stosuje się przekładnie zębate), podjęcie badań w tym zakresie uw ażam za zasadne zarówno z teoretycznego, jak i z aplikacyjnego punktu widzenia.
Jednoznacznie stwierdzani, że praca m ieści się w dyscyplinie „górnictwo i geologia inżynierska” .
Struktura. Analiza zawartości poszczególnych rozdziałów
Struktura pracy je st poprawna, odpow iada w ym ogom staw ianym rozpraw ie doktorskiej. A utor w rozdziale 1 stopniowo w prow adza C zytelnika w problem atykę wskazując kluczowe zagadnienia, które opisyw ane są ze szczegółam i w kolejnych rozdziałach.
R ozdział 2 zaw iera uzasadnienie podjęcia tem atu (wpływ obciążeń, stopień stożkowy w rozw iązaniach konstrukcyjnych układów napędow ych m aszyn górniczych, awaryjność przekładni) i jednocześnie stanowi przegląd literatury związanej z rozpraw ą (rozdział 2.2). W Rozdziale 3 przedstawiono cel, tezę i szczegółow y zakres pracy.
W Rozdziale 4 A utor ponownie, ale ju ż nieco szerzej, analizuje stan wiedzy w zakresie dynam iki przekładni zębatych, rozw ażając problem atykę m odelow ania bardzo szeroko, w łączając do rozw ażań także analizę różnych technik modelowania.
W R ozdziale 5 A utor prezentuje model fizyczny i m atem atyczny układu „stopień stożkowy”, a w Rozdziale 6 proponuje szczegółowy opis elem entów m odelu, w szczególności sztywności zazębienia i tłum ienia. Do w yznaczania sztyw ności A utor proponuje w ykorzystanie technik m odelow ania w środow isku CAD.
N iejako „przy okazji” przedstaw ia w yniki analizy śladu w spółpracy pary kół stopnia stożkowego.
R ozdział 7, zgodnie z tytułem, dotyczy m etodyki badań w pływ u obciążenia zewnętrznego na stan dynam iczny przekładni zębatej stożkowej, w istocie zaw iera szczegółowe informacje dotyczące m etod num erycznych i autorskiego środow iska sym ulacyjnego opracowanego w M atlabie.
W Rozdziale 8 A utor przedstaw ia w yniki badań dotyczących w eryfikacji opracowanego m odelu i odnosi w yniki symulacji do badań stanow iskow ych w ykorzystując jako kryterium zgodności zachow anie w spółczynnika dynamicznego.
W Rozdziale 9 znajduje się kluczow a część pracy. A utor przedstaw ia w tym rozdziale wyniki badań sym ulacyjnych dla w ybranych przebiegów obciążeń zarejestrow anych w czasie pracy przenośnika zgrzebłowego.
W yniki te prezentow ane są na różne sposoby np.: w postaci przebiegów czasowych (zm ienność siły międzyzębnej w czasie), zm ienności w spółczynnika dynamicznego Kv dla różnych prędkości, jako portrety fazowe, m apy sił m iędzyzębnych, histogram y obciążeń itd. R ozdział ten stanow i oryginalny w kład w rozwój w iedzy o dynam ice przekładni stożkowej z uw zględnieniem obciążenia zewnętrznego.
R ozdział 10 zaw iera podsum ow anie i wnioski. A utor bardzo rzeczowo przedstawia wyniki osiągnięte w rozprawie.
Praca kończy się rozdziałem 11 „Słow em koniec”, w której A utor z nutą filozoficznej refleksji próbuje spozycjonow ać siebie i uzyskane w yniki w przestrzeni badawczej obejmującej problem atykę dynam iki przekładni zębatych.
Godny podkreślenia je st zbiór cytowanych prac, obejm ujący aż 303 pozycji, w większości są to w iodące czasopism a zagraniczne i „kultow e” prace w rozw ażanym obszarze naukowym. W pracy znajduje się wiele czytelnych diagram ów, schematów, algorytm ów itd., które uzupełnione opisem stają się ciekaw ą i przystępną form ą rozw ażań naukowych.
W podsum ow aniu m ożna stwierdzić, że struktura pracy jest poprawna, cele i teza są jasno określone, w rozpraw ie z łatw ością odnajduje się oryginalne osiągnięcia Autora.
O gólna ocena pracy je st pozytywna. W czasie studiow ania rozpraw y i przygotowywania recenzji sformułowano kilka uwag natury ogólnej oraz szczegółowe uwagi krytyczne przedstaw ione poniżej.
U w aga ogólna 1
M ożna odnieść w rażenie, że D oktorant uw aża obciążenia w ew nętrzne i zewnętrzne za niezależne. Czy m ożliw e je st zdaniem D oktoranta odziaływ anie obciążenia zewnętrznego na w ielkość obciążeń w ew nętrznych?
W e w cześniejszych pracach Bartelm usa w ykazano prostym i technikam i, że w artości energii „sygnału zazębienia” w pew nych zakresach obciążeń liniowo zależą od w artości obciążenia zew nętrznego, w ogólności zależność je st nieliniowa, co więcej zależność ta zm ienia się wraz ze zm ianą stanu technicznego. Innymi słowy, zm iany w artości obciążenia pow odują zmiany w arunków zazębienia, co dodatkowo w zm acnia dynam ikę pary kinematycznej.
Czy takie zjawisko zostało odnotow ane przez A utora? U w aga ogólna 2
M odel przestaw iony na ry s.5.1 je st m odelem jednostopniow ej przekładni zębatej. Czy takie w łaśnie przekładnie są stosowane w układach napędow ych m aszyn górniczych? D laczego A utor nie uw zględnił także przynajm niej jednego stopnia walcowego? Czy w m odelu uw zględnione zostały: silnik (jaka charakterystyka?) oraz sprzęgło?
U w aga ogólna 3
N ie do końca je st dla m nie jasne ja k i je st krok próbkow ania w modelu. Z rys 7.10 wnioskuję że m oże to być 10A-4? - m oim zdaniem to trochę mało, w badaniach które były prowadzone przez ośrodek w rocław ski skutkowało to aliasingiem. W dziedzinie czasu tego efektu można nie odnotować.
U w aga ogólna 4
A utor w ykazuje się dużą w iedzą w zakresie w ykorzystania CAD. Jak sam pisze na stronie 106 - w ykonał „rozeznanie sytuacji w środow isku kom puterowych systemów C A D /C A M /CA E” . D yskusja na tem at w yboru elem entów w m odelu M ES je st dla mnie bardzo interesująca. O sobiście uw ażam w iedzę D oktoranta za godną podkreślenia w recenzji. U w aga ogólna 5
Zaprezentow ana analiza śladu w spółpracy zębów koła i zębnika je st z mojej perspektywy niezw ykle interesująca i stw arza nowe m ożliw ości badawcze.
U w aga ogólna 6
M odel zaprezentow any n a TEM AG2013 i ja k autor pisze przyjęty z uznaniem. To świadczy o pozycji A utora w środowisku.
U w aga krytyczna ogólna
P raca stanowi ciekaw y m ateriał naukow y i w arta je st publikacji. N iestety, przed opublikow aniem praca pow inna zostać przeredagowana. Jest zbyt obszerna i w mojej ocenie nie najlepiej ustrukturyzow ana. Zaw iera zbyt w iele niepotrzebnych w trąceń i dygresji, język pracy przypom ina raczej rozpraw ę filozoficzną niż rozpraw ę doktorską w dziedzinie nauk technicznych. Proces tw orzenia m odelu 3D pow inien znaleźć się w załączniku.
U w aga krytyczna ogólna
R ozdział 7.3 - do załącznika, to je st opis program u, instrukcja obsługi, nie zaw iera wartości naukow ych.
U w agi szczegółowe Str.50.
„ ...niską em isją akustyczną.... ” hałasem ?
Str.63.
„ Wzbudzenia pochodzące o d źródeł wew nętrznych cechuje na ogól znacznie wyższa częstotliw ość niż w zbudzenia ze źródeł zewnętrznych. Stąd w iększy wpływ na obciążenie dynam iczne przekładni przypisuje się źródłom wewnętrznym, bowiem prawdopodobieństwo p ra c y przekładni w> paśm ie częstotliwości rezonansowych je s t znacznie większe. ”
To zdania dość kontrow ersyjne...
Jeśli rozw ażym y obciążenia zew nętrzne jako procesy determ inistyczne - brak obciążenia i silnie obciążona przekładnia charakteryzują się zupełnie inną dynamiką. D la obciążeń o charakterze losowym, czy jeszcze gorzej, transientow ym - odpow iedz dynamiczna przekładni silnie będzie zależeć od czynnika obciążenia zewnętrznego.
To ciekaw y tem at na bardzo naukow ą dyskusję! Str.73.
„H ałas je s t generoweiny w wyniku uderzania zęba o ząb, który występuje w momencie, gdy zęb y obu kół współpracujących ponow nie w ehodzą w przypór, stykając się ze sobą bokami. Chwńlowe utraty kontaktu pom iędzy zazębionym i zębam i występują często w specyficznych warunkach p ra cy układu przekładniowego. P rzykład mogą być w arunki p ra cy p rzy nadm iernych wńbracjach ’
O pis ja k się generuje hałas w ym aga jednak małej k o rek ty .... Co je st przyczyną a co skutkiem ?
Str.96.
„Przedstaw iona charakterystyka je s t przykładem analizy widmowej, czyli rozkładu widma drgań na poszczególne składowe harmoniczne zazębiania. ”
R ozkładu w idm a drgań? Co A utor m iał na myśli? Str.98.
Żargon („splinem ”) nie pow inien być stosowany w oficjalnej rozprawie. Str.151.
R ys.6.48. „M apa dynam iczna sztyw ności skrętnej za zęb ien ia ”
Jak interpretow ać te m apy? Jak A utor zaim plem entow ał te nie-funkcyjne zależności w m odelu?
Str.157. Rozdział 7.
W prow adzenie do rozdziału 7 je st jedn ą w ielką dygresją, a m oże naw et akapitem nie na temat.
T ak samo je st w rozdziale 9. Str.177.
Rys. 8.1, 8.2 - co przedstaw ia ten przebieg? To w ygląda jak zapis drgań oscylatora z tłum ieniem (tłum iona w ykładniczo sinusoida). W iadom o, że postać drgań pary zębów jest sygnałem harm onicznym (podstaw ow a częstotliwość zazębienia i harmoniczne). Proszę o kom entarz.
Str.178. Rvs.8.3.
Jakiś kom entarz dotyczący postaci sygnału? (góra „pływ a”, dół „stoi”, niestabilności na początku, w pływ obciążenia? Jak to się m a do poprzednich rysunków?)
Str.187. Rvs.8.8.
B łędy form alne w budow aniu algorytm u (krzyżują się linie, źle zdefiniowany warunek, zm odyfikow ane ksztahy, start stop)
Str. 190. rys.9.1 oraz str. 11. rys.2.2.
Charakter zm ian prądu oraz mocy je st trochę inny niż te prezentow ane z rys. 9.2-9.4. M ożna to jakoś wyjaśnić?
Str.194. Rys.9.2.
Czy procesy z rys. 9.2-9.4 są losow e? W mojej ocenie charakter zm ian jest raczej determ inistyczny. Czy nie powinno się przeprow adzić m odelow ania zm ienności obciążeń? Str.198.
N ie je st dla m nie jasne ja k to możliwe, że obciążenie się zm ienia, a zakładam y stałą prędkość no m in aln ą...
Podobnie, w yjaśnienia w ym aga dlaczego zm ienności wskazanej w przebiegach obciążenia nie w idać na rys. 9.5-9.6. Co oznacza ta brązow a linia? Stałe obciążenie? W mojej ocenie brakuje głębokiej analizy uzyskanych szeregów czasowych.
Str.203.
D ygresja nt. definicji układu dynam icznego na str. 203? W pracy o m odelow aniu dynamiki? W mojej ocenie trzeba było od tego zacząć we w prow adzeniu...
Str.205.
R ys.9.10 ( i kolejne na kolejnych stro nach ...)
Jaka je st praktyczna interpretacja takich w ykresów? Jakie konkluzje A utor wysnuł na podstaw ie takich w ykresów ?
Str.212.
„Zbiór liczbow y wartości m aksym alnej siły m iędzyzębnej po słu żył do utworzenia histogram ów obciążeń zębów (w przyporze), a w oparciu o nie histogramu skumulowanego obciążenia zazębienia (wynikającego ze w skaźnika przyporu) [43, 100, 135J. Stworzono także histogram zm iennego obciążenia zewnętrznego. ”
Przykłady tw orzenia histogram ów m etodam i num erycznym i zostały przedstawione na rysunkach 9.14 oraz 9.15. Przebiegi są determ inistyczne. H istogram (funkcja gęstości praw dopodobieństw a) stosuje się do procesów losowych. W mojej ocenie tutaj trzeba było zbudow ać m odel szeregu z uw zględnieniem czasu, a nie rozkładu wartości. Rozkład „gubi czas”, stany nieustalone w m aszynach górniczych to nie tylko wartość, ale i charakter zm ienności.
Str.223.
Przyjęte param etry sym ulacji w ym agają wyjaśnienia.
dt=10A-4 to w g mnie w artość zbyt niska. Dlaczego A utor zastosow ał skok 20rpm? Jaka je st charakterystyka silnika?
U kład dynam iczny jako filtr dolnoprzepustowy? N ie zgadzam się z interpretacją Autora. A naliza dynam iki bez analizy Fouriera je st uproszczeniem . Czy je st jakiś konkrety pow ód dlaczego A utor nie w ykorzystał analizy widmowej (do oceny w idm a obciążeń, do oceny w idm a odpowiedzi)
„ W strefie tych prędkości obrotowych, w zw iązku z nieliniowym charakterem obciążenia wewmętrznego po jaw ia się problem atyka interharmonicznych, czyli składowe drgań 0 częstotliw ości większej niż harmoniczna podstaw ow a i niebędące je j całkowitą wielokrotnością. Źródłem ich generow ania w zazębieniu m ogą być pow tarzające się, param etryczne zm iany obciążenia, wynikające z asym etrycznej charakterystyki sztywności
skrętnej zazębienia (cz). Konsekw encją występowania interharm onicznych w układzie mogą być zdudnienia z częstotliwością podstaw ow ą i harm onicznym i pow odującym i wahania obciążenia. Interharm oniczne mogą p ojaw iać się ja k o częstotliwości dyskretne powodujące w zbudzenia chaotyczne układu (rys. 9.12); mogą zakłócać popraw ną pracę przekładni 1 zm niejszać j e j sprawność. ”
W mojej ocenie na 223 stronie autor zaw arł 2 stwierdzenia, które w ym agają uzasadnienia w idm ow ego. W nioskow anie o pojaw ianiu się dodatkowych składow ych na podstaw ie analizy przebiegu sygnału jest dość trudne.
Str.224. Rvs.9.19.
Przedstaw iony rysunek w ym aga głębokiego komentarza. Zachow ania rezonansów są różne, dlaczego?
Str.226.
Po co A utor robi analizy dia prędkości nadkrytycznych skoro tego w ogóle nie m a w m aszynach górniczych? Jeśli ciekaw ość autora je st na tyle silna (popieram!), proszę przenieść te rozw ażania jako suplem ent do załącznika w pracy.
Str.233. Rvs.925.
Jak interpretow ać te mapy? Str.236.
Czy dla przypadku przekładni obciążonej dochodzi do odryw ania się zębów? Str.241.
Proces w eryfikacji walidacji? W alidacji i w eryfikacji? Str.242.
D laczego A utor stosuje interpolacje histogram ów a nie po prostu estym uje gęstość? Str.243.
„ Okazuje się, że w zrostow i obciążenia towarzyszy zm iana m odalność rozkładu normalnego cykli ... w rosnąco uporządkowanej dziedzinie obciążenia — z 2-moda.lnego w przypadku M o= 100 N m rozkład ewoluuje do 3-modalnego dla M o= 500 Nm. O znacza to, że statystycznie tw orzy się dodatkowa grupa cykli o znacznej przew adze w całości rozkładu normalnego, która wpływa na obciążenia uzębienia i w konsekw encji na je g o zasób trwałości zmęczeniowej. ”
„ Tak się je d n a k nie dzieje w przypadku przebiegu 6 zm iennego momentu. W przypadku M o= 100 Nm . . . ”
To bardzo odważne wnioski. M oim zdaniem m ożna to podw ażyć Str.244.
Co to je st zjawisko synchronizacji drgań (ramki)?
Co to je st unoszenie drgań? N adharm oniczne i podharm oniczne? Str.245.
Rysunki od 9 .3 0 - w ym agają głębokiej, krytycznej dyskusji, także dotyczącej estym acji gęstości n a podstaw ie histogram ów z szeregów determ inistycznych.
W mojej ocenie zależność pom iędzy obciążeniem i siłami m iędzyzębnym i je st liniowa.
Strona edytorska
• Jakość rysunków, czytelność opisów na rysunkach, stopień złożoności (kilka przebiegów na jednym rysunku).
• A utor stosuje w pracy pew ne określenia, które funkcjonują w obiegu codziennym, ale uznać je należy raczej jako żargon, np.: „splajny” (od angielskiego splines).
Inne uwagi szczegółowe
Inne uw agi szczegółowe, w liczbie nieprzekraczającej kilku pozycji, zostały przekazane A utorow i rozprawy. D otyczyły one głównie drobnych potknięć językow ych czy tzw. „literów ek” itd. Po przedyskutow aniu i w yjaśnieniu w ątpliw ości A utor zadeklarował, że zostaną uw zględnione na etapie ostatecznej redakcji tekstu.
W ym ienione sugestie i drobne usterki nie obniżają wysokiej w artości recenzowanej rozpraw y i ich uw zględnienie w ostatecznej redakcji tekstu nie stanow i problemu.
W niosek końcowy
Podsum ow ując, stwierdzam, że przedłożona mi do recenzji rozpraw a doktorska m gra inż. K rzysztofa Tw ardocha pt. „Prognozow anie stanu dynam icznego przekładni zębatej stożkowej z uw zględnieniem obciążenia m aszyn górniczych” stanowi oryginalną pracę mieszczącą się w dyscyplinie „górnictwo i geologia inżynierska” i odpow iada w arunkom określonym w U staw ie (art. 13 ustęp 1 ustawy z dnia 14 marca 2003 r o stopniach naukowych i tytule naukow ym oraz o stopniach w zakresie sztuki), gdyż:
• stanowi oryginalne rozw iązanie problem u naukow ego jak im jest analiza dynam iki przekładni zębatych (a ściślej kluczowego stopnia stożkowego w tychże przekładniach) ze szczególnym uw zględnieniem jej roli w układach napędow ych m aszyn górniczych;
• przedstaw ia now atorski sposób identyfikacji sztyw ności zazębienia dla stopnia stożkowego;
• zaw iera kom pletny opis propozycji m etodyki prognozow ania stanu dynam icznego opartego na m odelu (model fizyczny, matematyczny, im plem entacja komputerowa);
• zaw iera oryginalną propozycję synergicznej analizy zm iennych w czasie obciążeń w ew nętrznych i zew nętrznych - zm ienność obciążenia w maszynach górniczych ogryw a kluczow ą rolę;
• w ykazuje ogólną w iedzę teoretyczną kandydata w dyscyplinie naukowej górnictw o i geologia inżynierska w specjalności m aszyny i urządzenia górnicze i wiertnicze;
• w ykazuje um iejętność sam odzielnego prow adzenia pracy naukowej.
W mojej opinii rozpraw a doktorska Pana m gra inż. K rzysztofa Tw ardocha spełnia ustawowe w ym ogi dotyczące rozpraw doktorskich w zakresie nauk technicznych i w noszę do Wysokiej R ady W ydziału G órnictw a i Geologii Politechniki Śląskiej o przyjęcie rozpraw y doktorskiej i dopuszczenie jej do publicznej obrony.
D odatkow o, uważam , że zrealizow any zakres pracy, jej objętość, stopień zaawansowania badań zaprezentow anych w rozpraw ie je st ponadprzeciętny. Język, styl wypowiedzi stosow any przez A utora (mimo, że w uw agach szczegółow ych został przeze m nie nieco skrytykow any), filozoficzne w idzenie badań naukow ych, głębokie zrozum ienie problematyki, św iadom ość i dojrzałość Autora, kom pletność rozw iązania problem u, wykorzystanie now oczesnych m etod kom puterow ych zasługują na wyróżnienie.
M ając n a uw adze w artość naukow ą rozpraw y i znaczenie w yników badań w praktyce m echaniczno-góm iczej w nioskuję do W ysokiej Rady zatem o w yróżnienie rozprawy Pana m gra inż. K rzysztofa Twardocha.
R adosław Zimroz
