Kierunki działalności naukowo-badawczej podstaw konstrukcji maszyn

P o litech n ik a Śląska, Gliwice

K IE R U N K I DZIAŁALNOŚCI NAUKOWO-BADAWCZEJ PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN

1. W p row ad zenie

D ziałalność naukowo-badawcza w dziedzinie podstaw konstrukcji m aszyn zapoczątkow ana została z chwilą pow ołania K atedry Części M aszyn w 1946 roku, k tó rej kierownikiem został prof. Barłomiej Tokarski. Znaczące zm iany w z a k re sie prowadzonych bad ań n astąp iły w lata ch późniejszych, gdy w m iej­

sce tej jed n o stk i organizacyjnej powołana została K a te d ra Ogólnych Podstaw K onstruk cji M aszyn pod kierunkiem prof. dr inż. J a n u sz a D ietrycha. Stopnio­

wy w zro st liczby pracowników naukow o-dydaktycznych tej jed no stki zapo­

czątkow ał n a przełomie la t pięćdziesiątych i sześćdziesiątych k ilk a nowych kieru n k ó w badań. Badania te częściowo są kontynuow ane przez tych pracow ­ ników , k tó rzy wchodzą w skład Z akładu Podstaw K onstrukcji i Eksploatacji M aszyn Energetycznych. Do głównych kierunków prowadzonej w Zakładzie działalności naukowo-badawczych należą:

— ogólna metodologia projektow ania i k o nstruow ania elem entów m aszyn,

— anality czn e i doświadczalne bad an ia konstrukcyjne elem entów m aszyn,

— d iag n o sty k a techniczna m aszyn .

2. O g ó ln a m etod ologia p r o jek to w a n ia i k o n str u o w a n ia

Konieczność wprowadzenia zm ian zarówno w treści, ja k i m etodach n a ­ u c z an ia n a kierunkach budowy m aszyn, a tak że w praktycznej działalności inżynierskiej, a zwłaszcza projektow o-konstrukcyjnej dostrzeżona została już w la ta c h pięćdziesiątych. Podjęte wówczas b ad an ia m iały doprowadzić do sform ułow ania podstaw nau k i konstrukcji.

P oszuk iw an ia teoretycznych podstaw n a u k i konstrukcji rozw ijane były w różnych kierunkach. Badania w łasne zm ierzały do w ykazania, że fundam en­

tem tej n a u k i pow inna być ogólna teoria systemów i konstrukcji. Trzeba jed n a k podkreślić, że rozw inięta ju ż n a tej podstaw ie koncepcja „systemowo- konstruk cy jn a” nie została do dzisiaj dokładnie uzgodniona w środowisku naukowym . Do chwili obecnej jedynie tzw. „ujęcie system owe’ nie stw arza większych problemów. Inaczej n ato m iast przedstaw ia się problem uogólnień konstrukcyjnych. Te bowiem pozostają jeszcze wciąż w sferze wstępnych opracowań.

B adania w łasne zm ierzają do w ykazania, że n a najwyższym stopniu abs­

trakcji uogólnienia właściwe dla dziedziny konstukcji m ożna oprzeć n a trzech głównych podstaw ach metodologicznych, obejmujących:

— ogólną teorię rzeczy i zdarzeń,

— ogólną teorię całości,

— ogólną teorię celu.

N iezależnie od tych badań zajęto się również sam ą metodologią konstruo­

w ania elem entów maszyn.

Podstaw owy problem metodologiczny konstruow ania polega n a tym, że proponowane rozw iązania konstrukcyjne są zawsze tylko względnie jednozna­

czne, co staw ia każdego z n a s wobec problem u wyboru. Pod względem formal­

nym m ożna to przedstaw ić w postaci następującej zależności:

V = f (X; Yj) gdzie:

V — m ia ra w ykonania lub spełnienia czegoś, co np. chcemy zoptymali­

zować,

Xj - cechy sytuacji, które podlegają wyborowi (sterow aniu — zm ienne wyboru),

Yj - cechy sytuacji, które stanow ią stałe p a ra m etry badań.

T ak pojęty problem staje się problemem konstrukcyjnym wówczas, gdy zm iennym i wyboru Xj stają się cechy konstrukcyjne Ck.

O ptym alizację w procesie konstruow ania możemy pojmować w dwojaki sposób. Pierw szy sposób polega n a rozpatryw aniu tylko tych związków pomię­

dzy zm iennym i niezależnym i i zm ienną zależną, które przedstaw ione w po­

staci funkcji — kryterium optymalizacji, posiadają ekstrem um funkcji. Drugi sposób, ogólniejszy, staw ia k o n stru k to ra wobec konieczności przeprowadzenia wyboru rozw iązania ze względu n a zadany układ kryteriów , gdzie nie można wykluczyć w ystępow ania kolizji celów. Przykładem może być postulowanie m aksym alnej jakości wytworów przy m inim alnych kosztach ich wytwarzania.

Nie m ożna wykluczyć również sytuacji, gdzie związek zależności między zm iennym i będzie charakteryzow ała funkcja nie m ająca ekstrem um .

Odrębnym zagadnieniem je s t postulowanie tego, co m a być. K o n stru k to r- podobnie zresztą ja k p ro jek tan t - postuluje najpierw określone jakości, a następ n ie je opisuje. N ajpierw je dobiera, a następnie weryfikuje.

Z atem aby m ożna było mówić o istn ien iu szeroko pojętego problem u opty­

m alizacyjnego, każda sytuacja problem owa powinna zaw ierać co najm niej dw a możliwe wyniki, które stanowią rozw iązanie problem u.

N astęp n ie, przy dochodzeniu do rozw iązania problem u, należy kierować się nie tylko tym , co aktualnie stw arza zbiór możliwych rozw iązań, ale tak że i tym , co w ynika z potencjalnego zbioru możliwych rozw iązań. Zawsze bowiem należy mieć n a uwadze, że przyjęte rozw iązanie problem u ze względu n a k ry te riu m wcale nie m usi być tym, które „w m aksym alnie możliwym stopniu spełn ia zadan e k ry teriu m ”.

Teorie odnoszące się do różnych dziedzin naszej działalności w ym agają zawsze odpowiednich pojęć i zasad. S tąd niezależnie od pojęć i zasad n a u k przyrodniczych należało również sformułować odpowiednie zasady dla dzie­

dziny projektowo-konstrukcyjnej. Uznano, że operacyjne znaczenie dla kon­

stru o w a n ia m ają następujące zasady:

- z a sa d a optymalnego obciążenia, - z a sa d a optymalnego tworzywa, - z a sa d a optym alnej stateczności,

- z a sa d a optym alnych stosunków wielkości związanych, co m ożna uzasadnić w sposób następujący:

■ W łaściw ością środków technicznych je s t możliwość w ystępow ania różnego ro d zaju obciążeń jako rzeczywistej funkcji różnych działań podejmowanych ze w zględu n a konieczność zaspokojenia określonej potrzeby; bez względu n a rodzaj wykonywanego działania zawsze je s t z nim zw iązane obciążenie.

■ Konieczność przenoszenia obciążeń prowadzi do u zn an ia potrzeby w ystę­

pow ania tworzywa jako podstawowej własności środka technicznego (ele­

m entu).

■ W arunk iem koniecznym możliwości skutecznego działan ia u k ład u m ate­

rialnego je s t spełnienie przez ten układ w aru n k u stateczności; stateczność ja k o isto tn ą właściwość układu rozpatruje się zarówno ze względu n a

obciążenia jako przyczynę, ja k i n a wywołany obciążeniem skutek.

■ To, co konstruujem y, łączy się ściśle z czasoprzestrzennym jego istnieniem ; wielkości w arunkujące istnienie środka technicznego są ze sobą najczęściej pow iązane różnymi stosunkami, które stanow ić mogą przedm iot optym ali­

zacji.

3. B a d a n ia trw a ło ści e le m en tó w m a szy n

Trw ałość elem entu osiągana w w arun k ach eksploatacyjnych zależy od b a r­

dzo w ielu czynników. W dalszym ciągu słuszne je s t to, n a co zw raca uwagę E.H. Spaulding, stwierdzając, że: „w przew idyw aniu trw ałości m ożna się pomylić 100-krotnie i nawet więcej, nie podejrzewając możliwości ta k ogro­

m nych odchyleń. W żadnej innej dziedzinie inżynier nie je s t narażony na tak ogrom ne pom yłki i to bez możliwości ostrzeżenia przez zdrowy i logiczny sąd”.

Trwałość elem entu, n a k tó rą oddziałuje obciążenie „m echaniczne”, przewi­

duje się lub wyznacza za pomocą jednej z następujących metod:

- m etody „kumulacji uszkodzeń zmęczeniowych”, - m etody „rozwoju pęknięcia zmęczeniowego”, - m etody „obniżającej się wytrzym ałości trw ałej”.

W iele elem entów współczesnych m aszyn energetycznych poddanych jest również oddziaływ aniu innych obciążeń, a zwłaszcza obciążeń termicznych.

Zjaw iska charakteryzujące trw ałość elem entów przy wysokiej tem peraturze (pojęcie względne) klasyfikuje się wówczas w sposób następujący: pełzanie i w ytrzym ałość trw ała (odkształcenie i pękanie przy rozciąganiu, relaksacja) pełzanie przy naprężen iu cyklicznym (pełzanie dynam iczne) małocyklowa w ytrzym ałość zmęczeniowa, w ysokotem peraturow a m echaniczna wytrzyma­

łość zmęczeniowa, term iczna wytrzym ałość zmęczeniowa, term iczne skokowe zm iany odkształcenia (pełzanie przy cyklicznej zmiennej tem peraturze).

W b ad an iach w łasnych uw agę skoncentrow ano n a m etodzie „kumulacji uszkodzeń zmęczeniowych”. Podstaw ą tej m etody je s t funkcja trw ałości (fun­

kcja W ohlera), k tó rą wyznacza się bądź doświadczalnie, bądź analitycznie i to zarów no dla przekroju, ja k i dla w arstw y wierzchniej elem entu.

W ytrzym ałość zmęczeniową Z oraz funkcje zmęczeniowe (funkcje Wohlera) o = N wyznacza się dla tworzyw a n a podstaw ie badania znormalizowanych próbek kw alifikacyjnych. Funkcje te są dziś znane dla w szystkich metalowych tworzyw konstrukcyjnych. Dlatego jeśli n aw et prowadzi się b ad an ia n a prób­

k ach kwalifikacyjnych, to tylko po to, aby dokonać kontroli jakości tworzywa.

W nioski n a to m ia st wypływające z dotychczas przeprowadzonych b ad ań trwa­

łościowych elem entów m aszyn są następujące:

1. Je śli w zakresie tych czynników, które m ają wpływ n a trw ałość zmęczenio­

wą, a zostały szczegółowo uprzednio zbadane, zachowane zostało podobień­

stwo w przyjm owanym rozw iązaniu konstrukcyjnym , to nie je s t konieczne dodatkow e i bardziej szczegółowe spraw dzenie związku tych czynników z trw ałością czy w ytrzym ałością n a zmęczenie. Sam a zaś znajomość tych związków je s t powszechnie w ykorzystyw ana przez konstruktorów w tra­

kcie obliczeń wytrzymałościowych opartych n a n aprężeniach dopuszczal­

nych.

2. W zakresie tych czynników, których wpływ zbadano tylko powierzchownie lub których wpływ n a trw ałość zmęczeniową nie został udokumentowany w sposób zadowalający, w skazane je s t przeprow adzenie próby zmęczenio­

wej zwłaszcza wówczas, gdy przem awiają za tym określone racje techniczne.

3. Funkcję W ohlera n ato m iast należy koniecznie wyznaczyć wtedy, gdy wy­

m ag an a je s t wysoka wiarygodność danych dotyczących własności elemen­

tu. Takie w ym agania staw iam y wówczas, gdy chcemy zminimalizować

współczynnik bezpieczeństwa jako m iarę naszej niewiedzy, a dostępne w lite ra tu rz e funkcje W ohlera nie m ają wyraźnie określonych w arunków , dla których zostały wyznaczone.

W badan iach trw ałości elem entu m aszyn rozróżnia się m etodę klasyczną i system ową. Pierw sza tra k tu je przedm iot badań jako zbiór niezależnych czyn­

ników, których wpływ bada się n a zasadzie niezależnej zm iany każdego czyn­

nika z osobna. D ruga zakłada, że zachodzi ich wzajemne pow iązanie w tak i sposób, że zm iana jednego z nich może wywołać zmianę zachow ania się innych czynników (synergizm).

Podstaw ow ą i najczęściej stosow aną m etodą określania wytrzym ałośco ele­

m entu m aszyn je s t m etoda bilansu naprężeń, której podstawowe założenia są następujące:

■ W ytrzym ałość elem entu może być wyznaczona n a podstaw ie b ad an ia wy­

trzym ałości próbki kwalifikacyjnej.

■ P rzy wskaźnikowym przedstaw ieniu zależności w ytrzym ałości elem entu od w ytrzym ałości próbki można przyjąć, że

1

- wytrzym ałość elem entu, - wytrzym ałością próbki,

- liczbowa m iara wpływu wielkości przedmiotu (m iara w zględna od­

niesiona do próbki),

- liczbowa m ia ra wpływu k a rb u (względna odniesiona do próbki gładkiej).

Wielkości e i p są wyznaczone dla określonych w arunków fizycznych. Ich m iary liczbowe są funkcją takich czynników, jak rodzaj tworzywa, rodzaj obróbki cieplno-chemicznej, plastycznej, wiórowej i wykańczającej oraz rodzaj obciążenia. Problemy te są szeroko dyskutowane w literaturze specjalistycznej.

D ruga m etoda system owa znalazła szerokie zastosow anie w badaniach trw ałości uzębień. Założenia metody są następujące:

■ B adan ia prowadzi się n a kołach zębatych o ściśle określonych cechach konstrukcyjnych. Są to tzw. koła próbki.

■ W ytrzym ałość boku zęba Oniim i wytrzymałość stopy zęba Opiim wyznacza się n a stanow iskach badawczych określonej konstrukcji i określonych ce­

chach działania.

■ Cechy konstrukcyjne kół - próbek wyznacza się n a podstaw ie zależności, które wykorzystywane są w konstrukcyjnych obliczeniach uzębień kół. Na gdzie:

G e

P

podstaw ie tych zależności określa się relację, ja k a zachodzi m iędzy wytrzy­

małością uzębień kół a eHlim i creFHm a wytrzymałością kół próbek o Hlim i o Flim.

Z t ą m etodą wiąże się jeszcze inny problem badawczy. Chodzi mianowicie o sta ty sty k ę wielkości m ierzalnych. Przedm iotem bad ań są bowiem wielkości, k tóre są wielkościam i losowymi.

In teresu jąca n a s trw ałość zmęczeniowa m a także c h a ra k te r statystyczny.

Dlatego nie m ożna mówić o wytrzym ałości zmęczeniowej n a podstaw ie jednej tylko w artości. Funkcję W ohlera należy raczej traktow ać jako funkcjonalny zw iązek zbioru krzywych, z których każda w skazuje n a określone prawdopo­

dobieństwo pęknięcia. Zatem konstruow anie ukierunkow ane n a ściśle okre­

śloną trw ałość nie m a praktycznego sensu, podobnie ja k nie m a sensu na ściśle określoną wytrzym ałość zmęczeniową.

N ajogólniejszą statystyczną ch arak tery sty k ą krzywej zmęczeniowej (fun­

kcja W ohlera) je s t rozkład praw dopodobieństw a dwuwymiarowej zmiennej losowej (o, N), gdzie a je s t naprężeniem , N - liczbą cykli. Ze względów praktycznych w ykorzystuje się dwa sposoby przedstaw ienia param etrów roz­

kład u zmiennej losowej (o, N), a mianowicie podaje się:

- w arunkow ą dystrybuan tę F (N/o), k tó ra określa prawdopodobieństwo zni­

szczenia przy Gg < o, gdzie o g je s t naprężeniem granicznym dla określonej liczby cykli N,

- w arunkow ą dystryb u antę F(N/o), która określa prawdopodobieństwo zni­

szczenia, a przy N g < N, gdzie N g je s t graniczną liczbą cykli dla określone­

go n ap rężen ia o.

Podstaw owe znaczenie dla oceny trw ałości elem entów m aszyn m ają rozkła­

dy zm iennych losowych:

- rozkład norm alny (Gaussa), - rozkład logarytm iczno-norm alny, - rozkład wykładniczy,

- rozkład W eibulla.

B ad an ia wykazały, że rozkład wytrzym ałości i trw ałości zmęczeniowej m .in. łożysk tocznych i wytrzym ałości kół zębatych z dokładnością w ystarcza­

jąc ą dla p rak ty k i m ożna wyrazić za pomocą param etrów rozkładu W eibulla.

W przypadku rozkładu wytrzymałości otrzym am y wówczas następującą zależność:

gdzie:

a(R ) - wytrzym ałość elementu możliwa do osiągnięcia z prawdopodobień­

stw em R,

Oe - w artość progowa, dla której R = 1,

ctm - w artość oczekiwana,

R - funkcja niezawodności przyjm ującą w artości liczbowe w przedziale R e (0,1),

a - w ykładnik potęgowy funkcji W ohlera, r — funkcja gamma Eulera,

5 > 0 — p a ra m e tr kształtu.

W przypadku rozkładu trwałości funkcja przyjm uje postać zależności:

N(R) - Nm + (Ne - Nm)

ln R

i + ł

gdzie:

N(R) Nm

Ne

- trw ałość elementu możliwa do osiągnięcia z prawdopodobieństwa R, - w artość progowa, dla której R = 1,

- w artość oczekiwana.

N a podstaw ie tych zależności można wyznaczyć zbiór krzywych, z których k ażd a w skazuje określone prawdopodobieństwo osiągnięcia wytrzym ałości o przy danej liczbie cykli N lub liczby cykli N zm ian naprężeń a n a danym jego poziomie. F unkcja Wohlera przyjm uje zaś postać zbioru par:

[N,c(R)J lub [N(R),o]

4. W sk a źn ik b ezp ieczń stw a

W spółczesne m etody prognozowania bezpieczeństw a są o parte na:

- w spółczynniku bezpieczeństwa (poziom 1), - w sk aźn ik u niezawodności (poziom 2),

— praw dopodobieństw ie awarii (poziom 3),

— w sk aźn ik u klasy bezpieczeństwa (poziom 4).

Pierw szym i podstawowym pojęciem związanym z bezpieczeństwem jest w ytrzym ałość elem entu. Świadome użycie określenia „wytrzymałość elem en­

t u ” oznacza, że należy rozróżniać wytrzym ałość tworzywa i wytrzym ałość elem entu .

Klasyczne konstrukcyjne obliczenia wytrzymałościowe elem entów są pro­

wadzone n a podstaw ie tzw. stanów granicznych (poziom 1). Zasady tej metody opracow ane zostały przez L.M. N aviera (1785-1836). Dzięki tym przyjętym założeniom ogrom ną różnorodność m aszyn i ich elem entów sprow adza się do jednego modelu, dla opisania którego w ystarczające są rów nania teorii sprę­

żystości i znajomość niektórych wielkości charakteryzujących własności me­

chanicznie stosowanych tworzyw (współczynnik sprężystości, granica propo­

rcjonalności i plastyczności, doraźna wytrzym ałość itp.).

Stosując w obliczeniach wytrzymałościowych elem entów m etodę stanów granicznych, możemy posłużyć się jednym z dwóch kryteriów weryfikacyj­

nych:

- k ry teriu m naprężenia dopuszczalnego, - k ry teriu m współczynnika bezpieczeństwa.

W pierwszym przypadku w artość dopuszczalna sta n u w ytężenia je s t oce­

n ia n a za pomocą wartości granicznej i współczynnika bezpieczeństwa. W drugim przypadku wyznacza się obliczeniowy współczynnik bezpieczeństwa i spraw dza, czy przekracza on w artość wym aganą. Oznacza to, że w obu przy­

padkach o k ry teriu m wytrzym ałości decyduje współczynnik bezpieczeństwa.

Dobór własności liczbowej współczynnika bezpieczeństwa nie należy do prostych zagadnień. Złe dobrana liczba bezpieczeństwa prowadzi bowiem bądź do ogromnej rozrzutności w gospodarow aniu naszym i zasobam i surowco­

wo—energetycznym i, bądź do większej zawodności środka technicznego.

W bad aniach prowadzonych obecnie przez Zespół zajęto się możliwością w ykorzystania m etody stopnia II (poziom 2) w obliczeniach trwałościowych uzębień.

M etody stopnia II zostały po raz pierwszy zaproponowane przez A.P. Rza- nicyna w lata ch czterdziestych, szerzej n ato m iast zastosowane dopiero w lata ch sześćdziesiątych i siedem dziesiątych dzięki pracom różnych autorów.

Dalsze rozw ażania ograniczone zostaną do klasycznej metody II stopnia, gdzie przyjm uje się rozkłady dw uparam etrow e, które charakteryzow ane są za pomocą w artości średnich X¡ i odchylenia standardow ego ox. Przyjm uje się, że elem ent ulega uszkodzeniu, jeśli wywołane w nim wytężenie (naprężenie o) przekroczy wytrzym ałość elem entu R, tzn. gdy

G - R > 0

Równocześnie zakłada się, że wielkości losowe o i R m ają rozkład normalny i ponadto, że są to zm ienne niezależne.

Pojęcie m etody stopnia drugiego nie je s t jed n ak jednoznaczne. Występują różnice, które dotyczą przyjm owanych założeń co do postaci rozkładu zmien­

nych losowych, ja k i uproszczeń przyjm owanych przy obliczaniu prawdopodo­

bieństw a uszkodzenia elem entu. Do zalecanych sposobów w yznaczania m iar bezpieczeństw a elem entu zalicza się następujące określenia ilorazowe:

naprężenie m aksym alne - wytrzymałość średn ia odchylenia standardow e wytrzymałości lub

naprężenie średnie — wytrzymałość śred n ia odchylenie standardow e różnicy

Z t ą m etodą je s t związane pojęcie zapasu bezpieczeństwa. W edług danych literaturow ych, pierwszym, k tóry wprowadził pojęcie zapasu bezpieczeństw a, był F. Nixon. Wyróżnione powyżej dwie koncepcje ogólne różnią się jed n a k sposobem określenia zapasu bezpieczeństwa.

Przyjm ijm y najpierw , że dany je s t tylko rozrzut wytrzym ałości, a sta n w ytężenia je s t zdeterm inow any jed n ą wartością. Zapas bezpieczeństw a stan o ­ wi wówczas odległość wartości w ytężenia mierzoną w stosunku do w artości średniej wytrzym ałości. Prowadzi to do zależności, k tó ra pozw ala wyznaczyć w artość n ap rężen ia dopuszczalnego w sposób następujący:

Cf(P) = Ô - z S

gdzie:

o(P) — naprężenie dopuszczalne jako funkcja pewności P, a — naprężenie średnie wytrzymałości,

S — odchylenie standardow e,

z - odchylenie standaryzow ane dobrane ze względu n a założone P.

W drugiej koncepcji natom iast zapasem bezpieczeństwa Z nazyw a się róż­

nicę:

Z = R - o

przy czym: Z, a, R są to wielkości losowe, gdzie R je s t w ytrzym ałością elem en­

tu , a a — w ytężeniem elem entu.

Przyjm uje się następnie, że Z je s t liniową funkcją zm iennych X, wyznacza­

jących w artości R i o . U dow adnia się, że jeśli X, m a rozkład norm alny, to również zm ienna losowa Z m a rozkład normalny. Odchylenie standardow e dla zm iennej losowej Z w yznacza się z zależności:

a z = + d l

gdzie: Gr i c CToznaczają odchylenia standardow e wytrzym ałości R i wytężenia a. M iarą zapasu bezpieczeństwa Z je s t wówczas w skaźnik bezpieczeństwa p zdefiniow any jako stosunek:

gdzie:

Z - śred n ia w artość z apasu bezpieczeństwa,

o z - odchylenie standardow e zapasu bezpieczeństwa.

W artość średnią Z obliczamy n a podstaw ie zależności:

Z = K - b

W artość (3 je s t więc „odległością” wartości średniej Z od p u n k tu zerowego z = 0.

T ak pojęty w skaźnik je s t m ia rą prawdopodobieństwa, że Z 0, które możemy obliczyć ze wzoru:

P =

<K-P)

gdzie <j) je s t unorm ow aną funkcją Laplace’a.

5. D ia g n o sty k a te c h n ic z n a m a szy n

Od początku działalności naukow o-badaw czej i dydaktycznej zajmowano się również diagnostyką techniczną m aszyn. Prace zapoczątkow ane zostały badaniam i w ibroakustycznym i przekładni zębatych. Z biegiem czasu badania objęły:

■ metodologię tw orzenia bazy wiedzy i zasad wnioskowania w diagnostyce technicznej m aszyn, a zwłaszcza w dziedzinie wibroakustycznej, oraz

■ diagnostykę w ibroakustyczną wybranych maszyn.

Prace w znacznej m ierze były inspirow ane bieżącymi potrzebam i przemy­

słu i zm ierzały bądź do doskonalenia istniejących rozw iązań projektow o-kon­

strukcyjnych (diagnostyka konstrukcyjna), bądź do zm inim alizow ania wystę­

pującego poziomu d rgań i emitowanego h a ła su (diagnostyka eksploatacyjna).

B adania, choć inspirow ane potrzebam i przem ysłu, m iały jed n a k n a celu w spółuczestniczenie w dalszym rozw ijaniu i doskonaleniu m etod i technik diagnozow ania sta n u m aszyn. O siągnięte wyniki bad ań przedstaw iono w ram ach wykonanych prac doktorskich.

Z p rac naukowo-badaw czych, które realizow ane były n a zlecenie przem y­

słu i jednocześnie powiązane zostały z tem atem pracy doktorskiej, wymienić należy następujące:

1. M etoda doświadczalnych badań konstrukcyjnych pil tarczowych do cięcia m etalu; przeprowadzono analizę drgań tarczy i wpływu czynników na poziom em itowanego hałasu.

2. B adanie wpływu cech konstrukcyjnych elektrod węglowych na stabilizację lu k u elektrycznego - elektrostalowniczych pieców łukowych; b ad an ia m ia­

ły n a celu ujaw nienie czynnych i biernych sposobów obniżenia poziomu em itow anego hałasu.

3. B adan ie przyczyn p ękania elementów konw ektora eksploatowanego w H u­

cie Katowice.

Do p rac naukow o-badaw czych realizowanych ju ż w Zakładzie Podstaw K onstrukcji i Eksploatacji Maszyn należą:

D iagnostyka w ibroakustyczna młynów do przem iału węgla.

B a d a n ia młynów węglowych do przem iału węgla za pomocą środków i tech nik w ibroakustycznych rozwinęły się stosunkowo niedawno. Tendencje rozwojowe tych badań zmierzają do osiągnięcia celów atestacyjnych i konstrukcyjnych.

Pierw sze cele są związane z wymaganiami staw ianym i przez zalecenia norm atyw no-techniczne i dotyczą odbioru tych m aszyn. D rugie polegają na doskonaleniu rozw iązań konstrukcyjnych ze względu n a kryterium trw ałości i pewności działania.

Gdy chodzi o trw ałość elementów młynów, to ograniczają ją głównie ściera­

nie się w arstw y powierzchniowej kul, pękanie elem entów i fre ttin g pow stają­

cy n a pow ierzchni styku przekładni z ram ą. Efekty eksploatacyjne świadczą o tym, że stopień prawdopodobieństwa w ystąpienia tego rodzaju zużyć w ele­

m en tach m aszyn je s t dość wysoki.

Szczególnie dotkliwe okazały się uszkodzenia, które pow stały w czasie eksploatow ania krajowych młynów na płaszczyznach ich styku z ra m ą i pole­

gały n a pow staniu frettingu.

W w yniku przeprowadzonych badań przez nasz Zakład stw ierdzone zosta­

ło, że zarówno stosowane rozwiązanie konstrukcyjne, ja k i w arunki eksploata­

cyjne zaw ierają te czynniki, które wywołują zjawisko frettingu. N ależą do nich:

- p a ra m e try stereom etryczne, - p a ra m e try fizykochemiczne, - w a ru n k i w spółdziałania.

Celem zm inim alizow ania oddziaływania czynników frettin g u zapropono­

w ane zostały zm iany konstrukcyjne. Podjęte zostały również bad an ia w łaści­

wości dynam icznych zespołów mielących i wyznaczone zostały prawdopodob- rie obciążenia podstaw fundamentowych.

D iagnostyka w ibroakustyczna kotłów parowych.

Analizy statystyczne awaryjności i dyspozycyjności elektrow ni, opracowane przez C e n tra ln ą Służbę Eksploatacji Elektrow ni w ykazują, że kotły parowe są urządzeniam i, które w decydujący sposób wpływają n a s tra ty wywołane prze­

stojam i aw aryjnym i. N ajbardziej aw aryjnym i zaś elem entam i sam ych kotłów są przegrzew acze pary.

B ad an ia diagnostyczne prowadzone przez pracowników Z akładu rozwijane były w dwóch kierunkach. Pierw szy w ynikał z bieżących potrzeb przemysłu i m iał n a celu opracowanie wibroakustycznego system u nadzoru zapobiegają­

cego pow staw aniu katastroficznych stanów aw aryjnych kotłów. Drugi m iał na celu ujaw nienie drganiowych związków przyczynowo-skutkow ych wpływają­

cych n a trw ałość u rząd zeń kotłowych.

Pierw sze b ad an ia zakończyły się opracowaniem „system u akustycznego n ad zoru ko tła SN”. D rugie m iały n a celu określenie najczęstszych przyczyn p ow staw ania d rgań elem entów kotłów oraz określenie możliwości ich zapobie­

gania.

W ram a ch program u rządowego PR-8 k ieru n ek 6 „Nowe nośniki i przemia­

ny energetyczne oraz podstaw y projektow ania nowych m aszyn i urządzeń energetycznych” opracow ana została koncepcja system u diagnostyki akusty­

cznej nieszczelności powierzchni ogrzewalnych kotłów. R ezultatem tych ba­

d ań było opracow anie przez zespół, przy ścisłej w spółpracy z Elektrownią Rybnik, system u akustycznego nadzoru ko tła SN (zastrzeżenie patentow e Nr P-256 749).

N a VI Ogólnopolskich Targach W ynalazków rozw iązanie: „Sposób i układ do w ykryw ania nieszczelności r u r powierzchni grzewczych kotłów parowych”

zgłoszone przez E lektrow nię Rybnik i Politechnikę Śląską otrzym ało II nagro­

dę k o n k u rsu n a najlepszy projekt wynalazczy m iesiąca i roku.

D iagnostyka zespołów obiegu pierwotnego elektrow ni jądrowej.

Zapoczątkowane zostały również prace n ad m etodyką b adań diagnostycz­

nych m aszyn i urządzeń obiegu pierwotnego i wtórnego w stad iach technicz­

nego, fizycznego i energetycznego rozruchu elektrow ni jądrowej. Badania przerw ano z chwilą zatrzym ania budowy elektrow ni w Żarnowcu.

6. P o d su m o w a n ie

W pracy przedstaw ione są wyniki bad ań pracowników Z akładu, które roz­

poczęte zostały n a początku la t sześćdziesiątych. W pierwszej części zaprezen­

tow ane zostało spojrzenie metodologiczne n a zagadnienie naukow ych pod­

staw w projektow aniu i konstruow aniu. Część druga pracy poświęcona jest kryteriom bezpieczeństw a ze szczególnym uwzględnieniem w skaźnika bezpie­

czeństw a. N a zakończenie omówione zostały najw ażniejsze osiągnięcia Zespo­

łu z dziedziny badań diagnostycznych środków technicznych.

L ite r a tu r a

1. G nilke W.: Lebensdauerberechnung der M aschinenelem ente. VEB Ver­

lag Technik, Berlin 1980.

2. J a sk ó ła Z.: Problemy jakości i niezawodności środków technicznych.

R eferaty problemowe. XVI Sympozjum Podstaw konstrukcji m aszyn.

W arszaw a 1993.

3. J a sk ó ła Z.: Dobór cech konstrukcyjnych elem entów m aszyn n a podsta­

wie zasad konstrukcji. Problemy metedologii i kom puterowego w spom a­

g an ia technicznego.

4. J u r a n J.M ., F ra n k M., Gryna J.R.: Jakość. Projektow anie i analiza.

WNT, W arszaw a 1974.