Wydział Matematyki, Fizyki i Techniki 85-064 Bydgoszcz

Bydgoszcz, 14.04.2018

dr hab. inż. Marek Macko prof. nadzw. UKW Uniwersytet Kazimierza Wielkiego

Wydział Matematyki, Fizyki i Techniki 85-064 Bydgoszcz

ul. Chodkiewicza 30 tel. 52 3419144

RECENZJA rozprawy doktorskiej

mgr inż. Łukasza Warguły pt.: „Analiza wpływu modyfikacji konstrukcji rębaka do drewna na wybrane parametry eksploatacyjne” wykonana na zlecenie Prof. dr hab. Franciszka Tomaszewskiego, Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu, Politechniki Poznańskiej, zgodnie z umową z dnia 5 kwietnia 2018 r.

1. Uwagi ogólne

Praca porusza bardzo ważną tematykę związaną z zagadnieniami obniżenia poziomu energochłonności procesów mechanicznych. Autor skupił się na grupie mobilnych maszyn rozdrabniających a szczególnie na rozwiązaniach konstrukcyjnych układu sterowania napędem rębaka w warunkach eksploatacji. Jak powszechnie wiadomo rozdrabnianie jest procesem o wysokim poziomie zapotrzebowania energii i szacuje się, że w zależności od właściwości materiałów rozdrabnianych, oscyluje w zakresie od 20 do 500 kW·h/Mg. Poza wskaźnikami efektywności energetycznej duże znaczenie, szczególnie w zakresie rozdrabniania precyzyjnego, posiada poprawa jakości produktu o oczekiwanej krzywej uziarnienia.

W zakresie całościowej technologii rozdrabniania uwzględnia się najczęściej trzy kryteria:

materiał, maszynę, ze szczególnym uwzględnieniem cech geometrycznych zespołu

rozdrabniającego oraz proces. Autor w ramach pracy zaprezentował kilka koncepcji sterowania

napędem rębaka: sterowanie klasyczne, sterowanie z możliwością adaptacji do warunków eksploatacji przez detekcję obiektu oraz sterowanie z możliwością adaptacji do warunków eksploatacji przez detekcję obiektu z uwzględnieniem rodzaju rozdrabnianego drewna.

Przeprowadził szeroki program badań i analiz warunków eksploatacji, uwzględniając rzeczywiste obciążenia, różnorodność układów konstrukcyjnych i przepisy homologacyjne.

Uzyskane wyniki wykorzystał do opracowania oryginalnych układów i algorytmów sterowania napędem rębaka, opisu rzeczywistych warunków eksploatacji napędów tych maszyn, sformułowania równań wykorzystanych w modelu oceny efektywności sposobu sterowania, budowy prototypu urządzenia oraz przygotowania wytycznych inżynierskich.

2. Ocena ogólna pracy

Praca składa się z 10 rozdziałów, streszczenia w języku polskim oraz angielskim, bibliografii oraz załączników ze spisem oznaczeń i symboli oraz konfigurację sterownika ECU-CD.

Zawiera 171 stron, 79 rysunków, 30 tabel oraz 139 pozycji bibliograficznych, zgodnych z tematyką opracowania, spośród których większość powstała po 2000r. Dodatkowo Autor załączył 23 akty prawne z obszaru emisji spalin, badań technicznych, 13 norm, 23 opisy patentowe oraz 76 źródeł internetowych dotyczących głównie silników spalinowych oraz ich sterowników.

W rozdziale pierwszym Autor przybliżył genezę powstania pracy, wskazując na sposoby

ograniczania zanieczyszczeń na terenach miejskich, w wyniku których prognozowany jest

wzrost zapotrzebowania na mobilne maszyny rozdrabniające charakteryzujące się niską

emisyjnością i energochłonnością. Poza oceną wpływu maszyn roboczych na środowisko

naturalne i zdrowie oraz życie ludzkie oraz działań prawnych w zakresie ograniczenia emisji

zanieczyszczeń generowanych przez maszyny robocze Autor dokonał również przeglądu

napędów maszyn rozdrabniających, algorytmów sterowania silnikami spalinowymi o zapłonie

iskrowym, warunków eksploatacyjnych i rozwiązań konstrukcyjnych modernizujących pracę

mobilnych maszyn rozdrabniających. Rozdział drugi zawiera aktualny stan wiedzy na temat

wpływu maszyn niedrogowych na środowisko naturalne oraz na zdrowie i życie ludzi wraz

z analizą przepisów homologacyjnych dotyczących napędów niedrogowych maszyn

ruchomych. Autor przekonuje o braku rozwiązań inżynierskich w zakresie adaptacji napędów

omawianych maszyn do zmiennych warunków. W rozdziale trzecim Doktorant sformułował

tezę, cel i zakres pracy, akcentując możliwości obniżenia poziomu energochłonności maszyn

rozdrabniających poprzez opracowanie innowacyjnych systemów sterowania napędem rębaka.

Rozdział czwarty zawiera wyniki wstępnych badań układów roboczych maszyn rozdrabniających w rzeczywistych warunkach eksploatacji uwzględniających wpływ rodzaju drewna na przebieg procesu rozdrabniania. W rozdziale piątym Autor przedstawił wyniki badań układów konstrukcyjnych rębaka przed modernizacją, wskazując niedoskonałości dotychczasowego rozwiązania. Rozdział szósty zawiera opis modernizacji konstrukcji napędu rębaka, polegającą na wprowadzeniu opracowanego przez autora adaptacyjnego bezobsługowego układu sterowania, opartego na detekcji obiektów rozdrabnianych w kanale podawczym. W rozdziale siódmym zaprezentowano wyniki badań rębaka po modernizacji, natomiast w rozdziale ósmym zaprezentowano model oceny efektywności systemu sterowania napędem rębaka, umożliwiająca symulację różnorodnych wariantów sterowania i warunków eksploatacji. W rozdziale dziewiątym zaprezentowano analizę porównawczą wyników badań wybranych rozwiązań konstrukcyjnych układów napędowych rębaka i sposobów ich sterowania. Szczególną uwagę zwrócono na układ napędowy z pośrednim wtryskiem paliwa do kolektora dolotowego i systemem adaptacyjnym do warunków eksploatacji w zależności od położenia obiektu w przestrzeni roboczej. Analizy dokonano z uwzględnieniem zróżnicowanych stanów eksploatacji, głównie pracy jałowej z różnymi prędkościami obrotowymi i pracy czynnej. Podsumowanie oraz perspektywy dalszego rozwoju przedstawiono w rozdziale dziesiątym.

3. Ocena merytoryczna pracy

Przedstawiona do oceny praca dotyczy całokształtu zagadnień z zakresu modyfikacji konstrukcji rębaka do drewna, szczególnie układu sterowania napędem na wybrane parametry eksploatacyjne. Obiektem badań jest mobilna maszyna rozdrabniająca, która charakteryzuje się okresowo zmiennym cyklem pracy w zależności od częstotliwości dostarczania wsadu.

Autor za główny cel pracy przyjął modernizację układu sterowania napędem rębaka i opracowanie algorytmu sterowania jako połączenia innowacyjnych algorytmów sterowania mieszanką paliwowo-powietrzną i adaptacją urządzenia do zmiennych warunków eksploatacji.

Na podstawie przeprowadzonej analizy stanu wiedzy Autor sformułował tezę pracy o treści:

„jeżeli wprowadzona zostanie modyfikacja rębaka przez opracowanie bezobsługowych i adaptacyjnych systemów sterowania to możliwe będzie ograniczenie jego energochłonności”.

W celu osiągnięcia pracy Doktorant wykonał następujące zadania badawcze: analiza

dostępnych rozwiązań konstrukcyjnych maszyn rozdrabniających, algorytmów sterowania

napędami oraz obowiązujących przepisów homologacyjnych, badania warunków eksploatacji

napędu rębaka i wpływu rodzaju drewna na przebieg procesu rozdrabniania, badania dotychczasowego rozwiązania konstrukcyjnego przed modernizacją w celu poznania wpływu warunków eksploatacyjnych na parametry napędu, budowa mechatronicznego układu zasilania paliwem napędu rębaka, opracowanie adaptacyjnych układów i algorytmów sterowania napędem rębaka, analiza uzyskanych wyników badań.

Biorąc pod uwagę zakres oraz tytuł pracy, może bardziej adekwatnym byłby tytuł nawiązujący do sterowania napędem - silnikiem spalinowym np.: „Analiza wpływu modyfikacji rozwiązań konstrukcyjnych układu sterowania napędem rębaka do drewna na wybrane parametry eksploatacyjne”. Autor w pracy odnosi się zarówno do modyfikacji rozwiązania konstrukcyjnego rębaka jak i zmian w układzie sterowania silnikiem spalinowym. Szkoda, że możliwości w zakresie ingerencji w konstrukcje układu roboczego rozdrabniacza zostały w tekście niezbyt szeroko opisane, a to właśnie w układach roboczych tkwią potencjalne rezerwy w zakresie obniżenia zapotrzebowania energetycznego na proces. Przyjmuje się, że sprawność procesu rozdrabniania nie przekracza 20 %, zatem poza układem napędowym również w obszarze modyfikacji postaci konstrukcyjnej zespołu roboczego należałoby skupić większą uwagę. Znacznie rozbudowany został rozdział drugi dotyczący wpływu maszyn roboczych na środowisko naturalne oraz zdrowie i życie ludzi. W rozdziale tym autor skupił się na analizie dotychczasowych aktów prawnych i artykułów w prasie naukowej dotyczących emisji szkodliwych związków spalin.

W rozdziale 4 Autor zrealizował badania i przedstawił wyniki tych badań przy zastosowaniu komercyjnego rozwiązania rozdrabniacza elektrycznego MSQ 2800 Macalister. Szkoda, że nie przedstawił bardziej szczegółowo cech konstrukcyjnych rozdrabniacza oraz nie podał charakterystyki silnika napędowego, co ułatwiłoby analizę zarejestrowanych przebiegów momentu obrotowego na wale rozdrabniacza.

Doktorant nadużywa, w moim przekonaniu, pojęcia konstrukcja jako wytwór, a idąc za J. Dietrychem „ … konstrukcja to układ rozkładu struktur zewnętrznych, wewnętrznych i stanów wytworu, opisany przez cechy konstrukcyjne…” – jest abstraktem.

Podobnie pojęcie „zużycie energii” jest niefortunne, bowiem energia może zmieniać postać,

zatem korzystniejsze byłoby stosowanie pojęcia zapotrzebowanie energetyczne niż zużycie

energii.

Autor wykazuje skłonność do posługiwania się nieprecyzyjnymi sformułowaniami oraz skrótami myślowymi, na przykład:

na s. 20 w drugim akapicie Autor napisał: „Z dokonanego przeglądu literatury i aktów prawnych wynika, że podjęcie tematyki ograniczenia emisji przez maszyny rozdrabniające jest istotne ze względu na zanieczyszczenia lokalne i globalne”. Analiza stanu wiedzy w niewielkim stopniu dotyczyła rozdrabniaczy.

Na s. 128 pojęcia: czas sygnału, sygnał czasu, czas bez wtrysku mogą być błędnie interpretowane. Może lepiej byłoby używać pojęć czas trwania sygnału.

Na s. 23 Autor stwierdza: „ Brak oceny ich wpływu (maszyn niedrogowych) na ogólny poziom zanieczyszczeń oraz brak regulacji prawnych będzie przyczyną dalszego ocieplania klimatu i coraz częstszego powstawania smogu”. Jest to zbyt ogólny wniosek wysnuty na podstawie przypuszczeń.

Na s. 82 i 83 zaprezentowano rys. trójwymiarowej funkcji nieliniowej wolumetrycznej efektywności silnika oraz wartości kąta wyprzedzenia zapłonu. Analiza tych funkcji byłaby niewątpliwie bardziej przejrzysta, gdyby rysunki zostały uzupełnione o niezbędne opisy.

Na wyróżnienie zasługuje fakt, że rozwiązanie konstrukcyjne przedstawione w pracy zostało objęte ochroną patentową. Autor jest głównym twórcą spośród zespołu trzech współtwórców.

Zaproponowany system zapewnia ograniczenie zużycia paliwa oraz ilościowej emisji spalin przez maszyny rozdrabniające charakteryzujące się pracą nieciągłą. Otrzymanie tych efektów umożliwia zaproponowany układ adaptacji prędkości obrotowej silnika spalinowego do warunków eksploatacji z jednoczesnym zachowaniem wszystkich parametrów mocy i momentu obrotowego podczas procesów przetwórczych.

Niepodważalnym osiągnięciem Autora jest również wprowadzenie do stanu techniki nowych rozwiązań konstrukcyjnych, które umożliwiają adaptację systemu napędowego maszyn rozdrabniających do warunków eksploatacji. Dodatkowo zastosował w silniku przeznaczonym do napędu nie drogowych maszyn ruchomych innowacyjnego systemu sterowania układem wtryskowo-zapłonowym, którego cechą znamienną jest sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym opartym na wskazaniach z szerokopasmowego czujnika zawartości tlenu w gazach spalinowych.

Autor dokonał pozytywnej weryfikacji tezy pracy oraz w pełni osiągnął, poprzez realizację

zadań badawczych, cel pracy.

4. Ocena strony edytorskiej pracy

Uwagi do strony edytorskiej:

- s. 7, wg 5 jest „… classis steering, steering with the …”, powinno być „… classis steering, with the …”,

- s. 12, wd 6 jest „… Rynek motoryzacyjny …. zmniejsza zależność …”, powinno być np.

„… Wprowadza się regulacje prawne w celu uniezależnienia rynku motoryzacyjnego od wydobycia ropy naftowej ….”,

- s. 25, wg jest „… do maszyn niedrogowych drogowych …”, powinno być „ do maszyn niedrogowych ruchomych…,

- s. 27, wd 3 jest „ Z powyższego przeglądu wynika, że zaawansowanie silników pojazdów samochodowych…”, powinno być „ Z powyższego przeglądu wynika, że wzrost poziomu zaawansowania silników pojazdów samochodowych…”,

- s. 28, wd 2 jest „… z ich niskim zaawansowaniem technicznym.”, powinno być „… z ich niskim poziomem zaawansowania technicznego.”,

- s. 33, wd 16 jest „ czujnik tlenu w spalinach osiąga …”, lepiej „czujnik tlenu w spalinach wskazuje…”,

- s. 37, wd 15, jest „ … halotronowych”, powinno być „…hallotronowych”,

- s. 37, wd 3-1, co Autor miał na myśli „ Wspomagając procesy decyzyjne w doborze jednostki napędowej do napędu rębaka do drewna z możliwością wdrożenia innowacyjnego sposobu sterowania”.

- s.45, wd 3 jest „… (gatunku, wilgotności i rodzaju części)…”, powinno być „… (gatunku, wilgotności i cech geometrycznych części)…”,

- s. 46, wg 17 jest „[Krzysiak, 1961,…”, powinno być „[Krzysik, 1961,…”,

- s. 47, wd 9 jest „Ponieważ brakuje danych o wartościach …”, lepiej „ Ze względu na brak danych o wartościach …”,

- s. 51, wg 1, jest „… a głównie frezu rozdrabniającego…”, powinno być „…a głównie freza rozdrabniającego…”,

- s. 54, wd 8, jest „ Proces rozdrabniania cechuje się niepowtarzalną charakterystyką…”, powinno być „Proces rozdrabniania cechuje się stochastyczną charakterystyką ,,,”, - s. 57, Tab. 4.1 jest „ > 350”, powinno być „< 350”,

- s. 57, Tab. 4.1 jest „ < 1500”, powinno być „> 1500”,

- s. 61, wg 8 jest „ … objętość skokowej 3,8 dm

…”, powinno być „… objętość skokowej 0,38 dm

…”,

- s. 71, wd 16 jest „..dawki paliwa, kosztem zużycia paliwa.”, powinno być: „dawki paliwa, kosztem większego zużycia paliwa.”,

- s. 85, wg 6 jest „… w kanale podawczym, które są podawczym przekazywane …”, powinno być „… w kanale podawczym, które są przekazywane …”,

- s. 85, wd 10-11 jest „Powrót do małej prędkości obrotowej rozpoczyna się, gdy z czujniki nie wykrywają …”, powinno być „Obniżenie prędkości obrotowej do wartości biegu jałowego rozpoczyna się wtedy, gdy brak jest przedmiotu w kanale podawczym.”, - s. 88, wg 10-11 jest „ Zakłada się, że dzięki zastosowaniu prezentowanego rozwiązania

zostaną ograniczone następujące efekty techniczno-użytkowe”, może lepiej „ Zakłada się, że dzięki zastosowaniu prezentowanego rozwiązania nastąpi poprawa poziomu czynności obsługowych”,

- s. 119, wd 19 jest „ Znając wartość utraty prędkości obrotowej …”, powinno być „ Znając wartość obniżenia prędkości obrotowej…”,

- s. 123, wd 3 jest „ Dzięki temu oraz dzięki mniejszemu zapotrzebowaniu na energię

potrzebna do uzyskania momentu obrotowego…”, powinno być „ Dzięki temu oraz dzięki

niższemu zapotrzebowaniu na poziom energii potrzebnej do uzyskania momentu obrotowego…”,

- s. 139, wd 7-9 jest „ …całego czasu pracy”, lepiej „…całkowitego czasu pracy”,

- s. 140, wg 5 jest „… rozwój techniczny mający na celu ograniczenie emisji spalin która oddziałuje …”, powinno być „… rozwój techniczny mający na celu ograniczenie emisji spalin, które oddziałują …”,

- s. 143, wg 14 jest „… diseases in polish citie…” powinno być „…diseases in polish cities …”, - s. 143, wg 20 jest „… determination of injestion time…” powinno być „… determination of

injection time…”,

- s. 143, wd 13 jest „Bochat A., Kotpal K.”, powinno być „Bochat A., Korpal K.”, - s. 144, wg 25-26 poz. bibliografii nr 33 – brak szczegółów dotyczących wydawnictwa.

- s. 145, wg 23 jest „Krzysiak F. (1961) Wpływ wilgotności i wady…”, powinno być

„Krzysik F. (1961) Wpływ wilgotności i wody…”,

- s. 147, wd 11 jest „Opielek M.”, powinno być „Opielak M.”,

W recenzji wskazałem wybrane nieścisłości edytorskie, inne drobne literówki i błędy z stosowaniu znaków interpunkcyjnych naniosłem bezpośrednio w przekazanym mi egzemplarzu pracy.

5. Konkluzja

Wymienione powyżej korekty, sugestie i wcześniejsze uwagi w niczym nie umniejszają wartości merytorycznej pracy, którą uważam za bardzo ciekawą z punktu widzenia poznawczego i przydatną do celów praktycznych, co niewątpliwie jest istotne w obszarze poprawy parametrów silników spalinowych poprzez zaproponowane oryginalne modyfikacje układu sterowania. Autor w sposób przejrzysty wykazał, czego dokonał w trakcie przeprowadzonych badań, potrafił wyciągnąć z nich logiczne wnioski oparte na odpowiedniej podbudowie teoretycznej.

Biorąc zatem pod uwagę dotychczasowy dorobek publikacyjny mgr inż. Łukasza Warguły

oraz przedstawioną do recenzji pracę doktorską pt.: „Analiza wpływu modyfikacji konstrukcji

rębaka do drewna na wybrane parametry eksploatacyjne”, uważam, że spełnia ona wymagania

stawiane pracom promocyjnym na stopień doktora nauk technicznych w obowiązującej

Ustawie o Stopniach Naukowych i Tytule Naukowym oraz o Stopniach i Tytule w Zakresie

Sztuki i wnioskuję do Rady Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu o dopuszczenie

mgr inż. Łukasza Warguły do jej publicznej obrony.