M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 1
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
MASZYNOZNAWSTWO
Maszyna - za maszynÄ™ uwa\
a się całość powiązanych ze sobą elementów z których przynajmniej
jeden jest ruchomy, wraz z odpowiednimi urządzeniami roboczymi, układami sterowania, zasilania
itp., które są połączone razem w celu określonego zastosowania w szczególności do przetwarzania,
obrabiania, przemieszczania i pakowania materiałów.
Maszynoznawstwo  jest to nauka o budowie i zasadach działania maszyn. To encyklopedyczny zbiór
wiedzy o maszynach oraz współpracujących z nimi urządzeniach technicznych.
Mechanizm  układ połączonych ze sobą części maszyn mogących wykonywać określony ruch w
wyniku pobrania energii mechanicznej. W teorii ruchu jest to łańcuch kinetyczny w którym jeden
człon jest nieruchomy (ostoja) pozostałe zaś wykonują ściśle określone ruchy.
Schemat budowy maszyny:
I
M
E S T R
U
maszyna
S  silnik
T  transmisja
R  elementy, układy robocze
U  skutek u\
yteczny
M  masa
E  energia
I  informacja
S + T = układ napędowy
S + T + R = maszyna
U\
yteczne działanie maszyn  uzewnętrznia się najczęściej jako przetworzenie materii realizowane w
układzie roboczym maszyny.
Energia pobierana z silnika napędowego musi być przekształcona w układnie napędowym tak, aby
odpowiadała wymaganym parametrom energetycznym układu roboczego.
Sterowanie układem roboczym oraz dozowanie masy i natę\
enia energii jest realizowane przez
przetwarzanie informacji z udziałem człowieka lub automatycznie.
Wynik działania maszyny mo\
na rozpatrywać jako skutek przetwarzania Energii, Masy i Informacji.
Podstawowe cechy i parametry maszyn: (3 cechy)
1. Funkcjonalność, to poprawne spełnienie funkcji przez maszynę do których jest przeznaczona
2. Trwałość i niezawodność, to uzyskanie \
ądanego prawdopodobieństwa dobrej i bezawaryjnej
pracy maszyny przy danych obciÄ…\
eniach, w zało\
onym okresie nie krótszym od \
Ä…danego
(związane z obliczeniami wytrzymałościowymi)
3. Optymalność, to zapewnienie jak najlepszego spełnienia przez maszynę zadania w
określonych warunkach ze względu na zało\
one kryterium.
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 2
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Przegląd maszyn i ich podział:
1. technologiczne  wykorzystuje się je do przetwarzania surowców i półwyrobów, poprzez
zmianą kształtu , objętości, własności fizycznych lub chemicznych i wytworzenia w ten
sposób gotowego wyrobu lub półwyrobu np.: walcarki (huty), młoty do kucia, prasy, maszyny
odlewnicze, górnicze, poligraficzne, włókiennicze.
2. transportowe  słu\
ą do zmiany poło\
enia ciał stałych, cieczy i gazów. Maszyny
transportowe dzielimy na:
- maszyny o zasięgu nieograniczonym.
- maszyny o zasięgu ograniczonym.
Do maszyn o zasięgu nieograniczonym zaliczamy pojazdy szynowe, pojazdy samochodowe,
okręty, samoloty.
Maszyny o zasięgu ograniczonym to dz
wignice, przenośniki (przemieszczające materiały
transportowe za pomocą cięgien), przenośniki bezcięgnowe, przenośniki przemieszczające
materiał transportowany za pomocą medium pośredniego (przenośniki hydrauliczne i
pneumatyczne).
3. energetyczne  wytwarzajÄ… z energii mechanicznej inne rodzaje energii np.: prÄ…dnice,
maszyny elektryczne, sprÄ™\
arki, silniki itp.
4. informatyczne 
a. maszyny kontrolno-sterujÄ…ce,
b. informatyczne (matematyczne). Przetwarzają informacje które na podstawie \
Ä…danego
algorytmu dokonują niezbędnych operacji matematycznych.
5. cybernetyczne  funkcjonujÄ… w oparciu o posiadanÄ… sztucznÄ… inteligencji (roboty wyposa\
one
w układy do rozpoznawania obrazów i kształtów, samodzielnej nawigacji, samokontroli).
y
ródła i postacie energii:
Podstawą działania wszystkich maszyn są przemiany energii które w nich zachodzą. Energią określa
się jako najbardziej ogólną własność wszelkiego rodzaju ruchu materii. Energię zawierają np.: węgiel,
zbiornik ze sprÄ™\
onym powietrzem, napięta sprę\
yna , które w odpowiednich warunkach mogą być
przemienione w pracÄ™.
Z fizycznego punktu widzenia energiÄ™ dzielimy na:
 mechanicznÄ…
 cieplnÄ…
 promieniowanie
 elektrycznÄ…
 chemicznÄ…
 jÄ…drowÄ…
Spośród procesów technicznych wydzielamy następujące rodzaje:
1. transformacjÄ™ Energii bez zmiany jej postaci,
2. przemianÄ™ Energii z jednej postaci w innÄ…, np.: zamiana energii elektrycznej w energiÄ™ mechanicznÄ…
3. przesyłanie Energii
4. kształtowanie Materiałów np.: obróbka plastyczna, wiórowa, formowanie tworzyw
5. przetwarzanie Materiałów, procesy zmiany własności fizycznych i chemicznych materiałów
6. transport i magazynowanie Materiałów
7. zmiana postaci Informacji np.: odbierane i przekazywane informacje nie ulegajÄ… zmianie i sÄ… kodowane lub
występują jako nośnik informacji
8. przetwarzanie Informacji (zmiana charakteru informacji)
9. przesyłanie Informacji
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 3
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Parametry maszyn:
 moc
 sprawność (K
c=K
1*K
2*K
3*...*K
n)
 praca
 wydajność (teoretyczna i praktyczna) [ton na godzinę]
 udz
wig [w tonach]
 obroty [obrotów na minutę]
 prędkość [metrów na sekundę]
 prędkość obrotowa [radiany na sekundę]
 okres
 siła lub moment obrotowy
 ciśnienie [Paskal 1Pa=N/M2]
Techniką przekształceń i przesyłania energii zajmuje się energetyka. Głównym z
ródłem energii jest
paliwo a głównym paliwem jest ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel kamienny i brunatny.
Procesy techniczne powodujÄ…, \
e przedmiot transformacji zmienia:
 własności zewnętrzne (wygląd, kształt)
 własności wewnętrzne (strukturę)
 poło\
enie (współrzędne)
 potencjał (energię)
W procesach technicznych mo\
na wyró\
nić strumień główny któremu towarzyszy zazwyczaj
równoległy strumień informacji.
Sprawność to iloraz energii uzyskanej do energii wło\
onej lub pracy uzyskanej do pracy wło\
onej.
Ogólne problemy budowy maszyn:
1. Potrzeba  zaspokojenie określonej potrzeby urządzeniem lub maszyną w określonych
warunkach
2. Projektowanie  całokształt postępowania przy realizowaniu zamierzeń inwestycyjnych,
nale\
y uwzględnić:
a. strumień zadań konstrukcyjnych
b. analiza mo\
liwych do zastosowania środków technicznych
c. analiza ekonomiczna przedsięwzięcia
3. Konstrukcja i obliczenia
a. opracowanie zało\
eń związanych z opisem i zasadą działania maszyny, określenie
parametrów liczbowych oraz informacji o warunkach pracy maszyny
b. projekt wstępny, jest to pierwszy etap dobierania cech konstrukcyjnych
c. obliczenia wytrzymałościowe, realizowane są w oparciu o znajomość obcią\
eń i sił
działających na maszynę.
d. dobór kształtów i wymiarów elementów konstrukcyjnych 
W wyniku tych działań powstaje dokumentacja konstrukcyjna (techniczna)
4. Budowa i badania prototypu
5. Produkcja, decyzja o niej jest wynikiem badań prototypu (produkcja jednostkowa, seryjna,
wielkoseryjna, masowa  dotyczy elementów maszyn stosowanych w ró\
nych maszynach
(znormalizowane)
6. Eksploatacja, to zespół czynności obejmujących planowanie, u\
ytkowanie, obsługiwanie,
przechowywanie i inne przedsięwzięcia mające na celu racjonalne u\
ytkowanie maszyny.
Nieprzestrzeganie racjonalnego u\
ytkowania maszyny określonych przez producenta zwiększa
koszty eksploatacji.
7. Naprawa, to końcowy zabieg w czasie eksploatacji maszyny wynikający z faktu zu\
ywania siÄ™
jej poszczególnych części. Rozró\
niamy naprawy bie\
ące i główne. Bie\
Ä…ce wykonujÄ™ siÄ™ w
trakcie eksploatacji maszyn i urządzeń. Naprawy główne po określonym okresie u\
ytkowania,
polegające na wymianie czy regeneracji elementów maszyn.
8. Wycofanie z eksploatacji (kasowanie)
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 4
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
ObciÄ…\
enia wywołują w maszynie powstawanie naprę\
eń, przemieszczeń i odkształceń.
PODSTAWOWE ZASADY KONSTRUKCJI MASZYN
Konstrukcja, to zespół cech obmyślonych ze wzglądu na określoną funkcję maszyny lub urządzenia.
Proces tworzenia konstrukcji nazywamy konstruowaniem.
Zbiór informacji o strukturze maszyny, będący opisem ich budowy nazywamy zespołem cech
konstrukcyjnych.
Cechy konstrukcyjne mogą być:
 materiałowe (informacje o materiałach i rodzajach obróbki),
 geometryczne (wymiary geometryczne elementów, odchyłki wymiarowe zapewniające poprawność działania),
 dynamiczne (polegajÄ… na obliczaniu obciÄ…\
eń działających na maszynę oraz wyznaczenie wytrzymałości)
Konstruowanie zawiera pewne cechy wspólne dla ró\
nych rodzajów maszyn, a wynikają one z:
1. Zastosowania podstawowych części i zespołów w ró\
nych maszynach i urzÄ…dzeniach. Do
podstawowych części i zespołów maszyn nale\
ą: śruby, wały, ło\
yska, sprzęgła, przekładnie.
2. Występowanie podobnych problemów podczas konstrukcji podobnych maszyn:
 łączenie części
 łączenie wałów
 Å‚o\
yskowanie
 przenoszenie ruchu
 hamowanie itp.
3. Stosowanie podstawowych zasad konstruowania.
Dwie podstawowe zasady konstruowania:
a. konstrukcja powinna spełniać podstawowe warunki konstrukcyjne w stopniu nie
gorszym od zało\
onego
b. konstrukcja powinna być optymalna w danych warunkach ze względu na podstawowe
kryteria optymalizacji,
Oprócz zasad podstawowych w procesie konstruowania, występują zasady szczegółowe które
nazywamy warunkami konstrukcyjnymi, są to: funkcjonalność, niezawodność, trwałość, sprawność,
lekkość, ergonomiczność, estetyka, bezpieczeństwo itp.
- funkcjonalność, to poprawne spełnienie funkcji przez maszynę do których jest przeznaczona
- trwałość i niezawodność, to uzyskanie \
ądanego prawdopodobieństwa dobrej i bezawaryjnej
pracy maszyny przy danych obciÄ…\
eniach, w zało\
onym okresie nie krótszym od \
Ä…danego
(Spełnienie tego warunku jest związane z obliczeniami wytrzymałościowymi, zu\
yciem,
statecznością)
- sprawność  konstrukcja powinna zapewnić uzyskanie zamierzonej sprawności
- lekkość  wią\
e się z wyborem materiału oraz rozwiązaniem konstrukcyjnym, konstrukcja jest
l\
ejsza gdy stosujemy dro\
sze materiały
- względy ergonomiczne  dostosowanie maszyny do obsługującego człowieka, dotyczy to
wygody obsługi, przestrzegania ograniczeń odnośnie hałasu i wibracji oraz ograniczeń
wynikających z przepisów BHP.
- estetyka, ma du\
y wpływ na psychikę człowieka a tym samym na wydajność pracy
- bezpieczeństwo  w przypadku niektórych maszyn i urządzeń jak maszyny transportowe,
zbiorniki ciśnieniowe, maszyny z du\
ymi obciÄ…\
eniami nale\
y oceniać współczynnikami
bezpieczeństwa.
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 5
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Zapis konstrukcji  abstrakcyjny obraz maszyny powstający w myśli konstruktora jest zapisywany
według ogólnie obowiązujących zasad i umo\
liwia jego wyprodukowanie. Najbardziej
rozpowszechniony zapis konstrukcji to rysunek konstrukcyjny. Rysunki zawierajÄ… informacje o
kształcie i wymiarze przedstawionego elementu maszyny, materiale i jego własnościach, oraz
wskazówki monta\
owe oraz wykonawcze.
METODY OPTYMALIZACJI KONSTRUKCJI
Konstrukcję zapisuje się za pomocą zespołu zmiennych które dzielimy na parametry narzucone w
danym zagadnieniu optymalizacyjnym i zmienne decyzyjne które ustalamy podczas procesu
optymalizacji. Przeprowadzenie optymalizacji wymaga precyzyjnego sformułowania problemu
optymalizacji, to znaczy zbudowania modelu matematycznego danej konstrukcji. Model
matematyczny powinien dobrze przedstawiać rzeczywistą strukturę oraz fizyczną naturę zjawisk
zachodzących w określonym węz
le maszyny.
Metodyka tworzenia modelu matematycznego konstrukcji
Aby zbudować model matematyczny nale\
y:
1. Określić wielkości występujące w rozwiązywaniu problemu, czyli zmienne decyzyjne i
parametry
2. Określić obszar dopuszczalny w którym poszukuje się rozwiązania
3. Utworzyć funkcję celu albo odpowiedni algorytm który pozwoli ustalić czy rozwiązanie jest
najlepsze.
Konstruktor mo\
e wprowadzić optymalizację konstrukcji ze względu na kryteria:
1. optymalny stan obciÄ…\
enia (obciÄ…\
enia dzielimy na stałe i przypadkowe)
2. dobór materiału
3. optymalna stateczność; stateczność to taki stan równowagi układu który umo\
liwia jego skuteczne działanie
ze względu na przyjęte kryterium niezawodności
4. optymalne stosunki wielkości związanych
Metody optymalizacji konstrukcji:
1. Metoda wariantów konstrukcyjnych:
opracowujemy kilka wariantów i dokonujemy wyboru najlepszej w oparciu o przyjęte kryterium
2. Metody analityczne:
polegają na utworzeniu modelu matematycznego konstrukcji i analitycznym obliczeniu optymalnej wartości
przyjętej za kryterium
Wszystkie istniejÄ…ce metody optymalizacji sprowadzajÄ… siÄ™ do poszukiwania optimum funkcji celu w
danym obszarze dopuszczalnym fi.
1) 2) 3) 4)
Åš Åš Åš Åš
U U U U
uopt
uopt
uopt uopt
xopt xopt xopt
xopt
u  funkcja celu
x  zmienna decyzyjna
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 6
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
ZADANIA KONSTRUKTORA W PROCESIE KONSTRUKCJI MASZYN
W procesie konstruowania maszyn zadania konstruktora są następujące:
1. Dobór schematu kinematycznego
2. Określenie parametrów kinematycznych i dynamicznych
3. Dobór układu maszyny i powiązanie jej zespołów
4. Konstrukcja zespołów
5. Konstrukcja części
6. Obliczenia funkcjonalne, dynamiczne i wytrzymałościowe
W procesie konstrukcji części do zadań konstruktora nale\
y zaliczyć:
1. Ustalenie kształtów i wymiarów elementów tak aby spełniały swe zadanie
2. Ustalenie materiałów, uwzględnia się własności wytrzymałościowe, technologiczne i inne jak
np. ścieralność, odporność na korozję i własności wytrzymałościowe.
3. Ustalenie w sposób ogólny wykonania części np. odlew, odkuwka, wyrób walcowany, czy te\
tłoczony
lub w całości obrabiany mechanicznie.
4. Ustalenie obróbki powierzchniowej  określa się na podstawie analizy wymaganej jakości
współpracy elementów np. gładkość, pokrycie galwaniczne, malowanie itp.
5. Ustalenie obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej części (hartowanie, wy\
arzanie, ulepszanie cieplne)
Te zabiegi podyktowane są wymaganiami własnościowymi materiału a tak\
e i charakterem
współpracy części.
6. Ustalanie dokładności wykonania części (tolerancje, odchyłki [kształtu, poło\
enia], pasowanie)
WA
ASNOŚCI I ZASTOSOWANIE PODSTAWOWYCH ELEMENTÓW MASZYNY
I. A

CZNIKI GWINTOWE (śruby)  jest to połączenie kształtowo-cierne, rozłączne, utworzone
przez dwa elementy zaopatrzone w powierzchnie gwintowe o zbli\
onych zarysach i wymiarach ich
przekroju oraz o tym samym skoku i skręcie. Umo\
liwia to łączenie ich i rozłączenie wzajemnym
ruchem śrubowym oraz przeniesienie obcią\
eń wzdłu\
nych.
Rozró\
niamy trzy rodzaje łączników gwintowych (śrubowych)
a) śruby, są to łączniki mające łeb ukształtowany tak aby mo\
na je było zakręcać za pomocą
odpowiedniego klucza
b) wkręty, są to łączniki z łbem mającym nacięcie do wkrętaka za pomocą którego są wkręcane
c) nakrętki, są to elementy współpracujące ze śrubami lub wkrętami
Åš
R
U
B
Y
Z gniazdem
Z łbem sześciokątnym Z łbem czworokątnym
sześciokątnym
W
K
R


T
Z Å‚bem Z Å‚bem
Y
Z Å‚bem sto\
kowym
walcowym sto\
kowym Z Å‚bem kulistym bez Å‚ba
soczewkowym
płaskim płaskim
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 7
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
NAKR
TKI:
Sześciokątna Czworokątna Koronowa Motylkowa
Gwinty:
Podziałka gwintu hz jest to odległość sąsiednich zarysów mierzona wzdłu\
osi gwintu.
Skok gwintu h jest to przesunięcie zwoju wzdłu\
osi przy pełnym jego obrocie.
GWINTY:
trapezowy trapezowy
trójkątny prostokątny okrągły
symetryczny niesymetryczny
Zastosowanie gwintów metrycznych i trapezowych:
Gwinty metryczne trójkÄ…tne o kÄ…cie rozwarcia 60° stosowane sÄ… jako gwinty zÅ‚Ä…czne (spoczynkowe)
do łączenia elementów maszyn w jedną sztywną całość.
Gwinty trapezowe stosuje się w połączeniach ruchomych jako śruby robocze. Gwinty trapezowe o
kÄ…cie rozwarcia 30° majÄ… najni\
szą sprawność a największą wytrzymałość. Z tego względu są
u\
ywane w konstrukcjach obciÄ…\
onych np. dz
wigniki śrubowe.
II. KOA
A Z
BATE
Na wieńcu zębatym wyró\
niamy trzy powierzchnie:
dg
dp dw
Powierzchnia wierzchołków i odpowiadająca im średnica dg,
Powierzchnia podziałowa i odpowiadająca im średnica dp,
Powierzchnia stóp i odpowiadająca im średnica dw,
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 8
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
głowa
h = hs + hg
zÄ…b
t długość łuku pomiędzy dwoma sąsiednimi zębami
s
g grubość zęba
t
g
s szerokość wrębu
t = g + s
stopa hs hg
obwód Ä„·dp = z·t
h
z liczba zębów
dp = t/Ä„·z
t
/Ą = m moduł koła zębatego (jest podstawową wielkością wymiarów kół zębatych)
! dp = m·z !
hg = m
hs = 1,25m
dg = dp+hg
dw = dp-dw = hs
dp = dw+hs
III. ELEMENTY SPR
śYSTE
Do najczęściej stosowanych w budowie maszyn elementów sprę\
ystych nale\
Ä… sprÄ™\
yny. SÄ… to
łączniki wykonane w materiałów o niewielkiej odkształcalności a których du\
ą podatność uzyskuje się
dzięki specjalnemu ich ukształtowaniu.
Zastosowania sprÄ™\
yn:
1. Nagromadzenie energii w celach napędowych (sprę\
yny zegarów)
2. A
agodzenie uderzeń i wstrząsów (zderzaki wagonów, resory pojazdów, sprę\
yny
amortyzacyjne)
3. Dociskanie elementów konstrukcyjnych w czasie ich pracy (s. zaworowe)
4. Pobudzanie lub łagodzenie drgań (sprę\
yny w urzÄ…dzeniach wibracyjnych)
5. Mierzenia siły (s. w dynamometrach)
Rodzaje sprÄ™\
yn:
 śrubowe
 spiralne
 wielopłytkowe
Rysunek sprÄ™\
yny:
d  średnica pręta sprę\
yny
h  skok lini śrubowej sprę\
yny
Dw  średnica wewnętrzna sprę\
yny
Dz  średnica zewnętrzna sprę\
yny
l0  długość sprę\
yny
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 9
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
IV. OSIE I WAA
Y
Osią lub wałem nazywamy element maszynowy najczęściej mocowany w ło\
yskach na których
osadzone są części maszynowe wykonujące ruchy obrotowe lub wahadłowe (koła zębate, koła pasowe, jezdne).
Wały stosuje się przede wszystkim do przenoszenia momentu obrotowego. Są zawsze ruchome tzn.
obracajÄ… siÄ™ wraz z osadzonymi na nich elementami.
Osie nie przenoszą momentu obrotowego ale są przeznaczone do utrzymywania w określonym
otoczeniu innych obracających się elementów maszyn. Osie mogą być stałe (zamocowane w
uchwytach) i ruchome (osadzone w Å‚o\
yskach)
oÅ› nieruchoma
oÅ› ruchoma
Osie są z reguły proste, wały mogą posiadać karby lub wykorbienia
oÅ›
Wały napędzają osadzone na nich części.
Karby sÄ… znormalizowane, zale\
ne od średnicy!
s
wał
V. A
OśYSKA
A
o\
yska są elementami których zadaniem jest podtrzymywanie obracających lub przesuwających się
wałów lub osi oraz przejęcie działających na nie obcią\
eń i przeniesienie ich na korpus lub fundament
urzÄ…dzenia. CechÄ… charakterystycznÄ… pracy Å‚o\
ysk są bardzo małe opory tarcia. Dzielimy je na
ślizgowe i toczne.
A
o\
yska ślizgowe mogą przenosić obcią\
enia poprzeczne (promieniowe) lub wzdłu\
ne (osiowe) i
mogą być dostosowane do przenoszenia jednocześnie obcią\
eń wzdłu\
nych i poprzecznych. Ruch
względny czopa wału względem korpusu odbywa się w tych ło\
yskach zazwyczaj za pośrednictwem
panewki wykonanej z brązu lub stopów ło\
yskowych.
A
o\
yska toczne to takie w których powierzchnie czopa wału i gniazda ło\
yska nie stykajÄ… siÄ™
bezpośrednio ze sobą lecz za pośrednictwem elementów tocznych (kulek lub wałeczków) toczących
się między dwoma pierścieniami.
A
o\
yska dzielimy na kulkowe i wałeczkowe.
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 10
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Wałeczkowe mogą być w kształcie:
- walców
- igiełek
- sto\
ków
- baryłek
Å‚o\
ysko kulkowe Å‚o\
ysko walcowe
A
o\
yska sÄ… elementami znormalizowanymi.
ZAPIS MASZYNY
Maszyna mo\
e być rozpatrywana jako system, to jest zbiór relacji sprzę\
eń i relacji przekształceń
dotyczących energii, masy i informacji (sterowania) który mo\
na przedstawić poglądowo schematem
blokowym jak równie\
zapisać w postaci grafu zale\
ności i powiązań.
Schemat blokowy maszyny w ujęciu systemowym:
U
We 1 2 3 5 Wy
4
C
Schemat blokowy układu U stanowiącego część całego systemu C z wejściem We i wyjściem Wy.
Układ składa się z pięciu elementów o relacjach przekształceń stałych jak w elementach 1, 4, 5 lub o
relacjach uwarunkowanych jak w elementach 2 i 3. Oddziaływanie zwrotne elementu 3 na 2 jest
sprzÄ™\
eniem zwrotnym charakterystycznym w układach regulacji automatycznej.
Graficzny zapis mo\
na przedstawić w postaci:
1. Schematycznego zarysu postaci
2. Modelu blokowego
3. Za pomocÄ… grafu
1. Schematyczny zarys postaci.
(tutaj powinien być rysunek tej śmiesznej koparki z oznaczeniami podzespołów)
1  silnik spalinowy
2  transmisja obejmująca przekładnię hydrokinetyczną i skrzynię biegów
3  podwozie z układem kół jezdnych
4  pompa do układu hydrokinetycznego napędu i sterowania
5  siłowniki hydrauliczne
6  Å‚y\
ka z wysięgnikiem
7  kabina sterowania
7a  układ sterowania jazdą koparki
7b  układ sterowania ły\
kÄ… Å‚adowarki
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 11
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
2. Model blokowy
I
M
7b
4 5 6 U
E 1
2 3
7a
I
1  Zamiana energii chemicznej paliwa na mechanicznÄ… silnika
2  Zmiana parametrów energii mechanicznej silnika określonej przez moment i obroty (Ms, ns)
3  Zmiana ruchu obrotowego kół na ruch liniowy ładowarki
4  Zmiana energii mechanicznej na energiÄ™ potencjalnÄ… cieczy
5  Zmiana energii potencjalnej cieczy na energię mechaniczną siłownika
6  Nabieranie masy przeładunkowej na ły\
kę, przemieszczanie masy i opró\
nianie Å‚y\
ki
7a  przetwarzanie informacji o oporach jazdy, sterowanie skrzynią biegów
7b  przetwarzanie informacji o oporach napełniania ły\
ki i sterowanie siłownikami hydraulicznymi,
NORMALIZACJA I UNIFIKACJA W BUDOWIE MASZYN
Normalizacja polega na racjonalnym wyborze , uporządkowaniu, uproszczeniu i ujednoliceniu pojęć,
nazewnictwa, wymiarów, kształtów, metod badawczych, obliczeniowych metod dokładności
wykonania.
DÄ…\
enie do obni\
enia kosztów wymaga uporządkowania w przemyśle maszynowym normalizacji i
unifikacji.
Zadania normalizacji polegajÄ… na:
 ograniczeniu ilości kształtów,
 ograniczeniu ilości wymiarów
 ograniczeniu ilości materiałów elementów typowych występujących w ró\
nych maszynach i
urządzeniach (śruby, kołki, ło\
yska, uszczelki lub całe zespoły: sprzęgła, hamulce itp.).
Normalizacja obejmuje nie tylko elementy i zespoły maszyn ale równie\
niektóre szczegóły
konstrukcyjne np.: średnice wałów, otworów, kształtów podtoczeń, wymiary gwintów, zbie\
ność
sto\
ków oraz narzędzia do kontroli tych wymiarów.
Normalizacja daje następujące korzyści techniczno-ekonomiczne:
1. UÅ‚atwia i przyspiesza proces konstruowania
2. Obni\
enie kosztów własnych wytwarzania przez oszczędności surowcowe, uproszczenie
metod produkcji i zmniejszenie ilości potrzebnych narzędzi
3. Zmniejszenie asortymentu produkowanych i magazynowanych części
4. UÅ‚atwia produkcjÄ™, eksploatacjÄ™ i remont maszyn
5. Umo\
liwia budowę maszyn w oparciu o standardowe zespoły i podzespoły
6. Stwarza mo\
liwości szeroko pojętej specjalizacji produkcji.
7. Ułatwia rozwój nauki i piśmiennictwa naukowego
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 12
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
PN  polskie normy
BM  bran\
owe normy
ZN  zakładowe normy
Unifikacja ma charakter mniej ogólny ni\
normalizacja i dotyczy zagadnień technicznych nie
objętych normami. Unifikacja obejmuje przede wszystkim powszechnie stosowane zespoły a nawet
całe maszyny tworząc określone typoszeregi o ściśle określonych parametrach technicznych. Jednym z
wa\
niejszych skutków normalizacji i unifikacji jest osiągnięcie zamienności, tzn. zapewnienie
elementom lub zespołom wzajemnego ich zastępowania bez naruszenia funkcjonalności danej
maszyny.
Kierunki normalizacji w budowie maszyn:
1. Normalizowanie teoretycznych, podstawowych wielkości w budowie maszyn (tolerancje i
pasowania, zarysy zębów kół zębatych, zarysu gwintu itp.)
2. Normalizowanie metod i sposobów obliczeń funkcjonalnych i wytrzymałościowych
3. Normalizowanie materiałów konstrukcyjnych, dotyczy sposobów wytwarzania i warunków
odbioru technicznego
4. Normalizacja powierzchni stosowanych w elementach maszynowych
5. Normalizowanie metod wytwarzania elementów maszyn
6. Normalizowanie warunków dostawy i odbioru technicznego maszyn i urządzeń
7. Normalizowanie sposobów i warunków przeprowadzania prób i badań
8. Normalizowanie podstawowych jednostek miary (np. układ SI)
9. Normalizowanie symboli, nazewnictwa, pojęć, oznaczeń technicznych i rysunku technicznego
Rzeczywiste wymiary odbiegają od tzw. wymiarów nominalnych w zale\
ności od dokładności
obróbki i są zmiennymi losowymi. Dokładność wykonania ma wpływ na prawidłowość monta\
u i
jakość współpracy. Zapewnienie właściwej współpracy uzyskamy przez wykonanie części maszyn w
określonych granicach wymiarowych co odbywa się przez tolerowanie. Ró\
nice dopuszczalnych
wartości tolerowanego parametru nazywa się tolerancją. Obszar w którym mo\
e się zmieniać wartość
tolerowanego parametru nazywa siÄ™ polem tolerancji. Tolerowanie geometryczne wiÄ…\
e ze sobÄ…
proces myślowy i konstrukcyjny z procesem fizycznym związanym z obróbką. Tolerowanie
geometryczne warunkuje jednoznaczną i obiektywną kontrolę jakości. Na podstawie znajomości
tolerancji geometrycznej mo\
na dobierać odpowiednie metody kontroli i narzędzia kontrolno
pomiarowe.
Tolerowanie geometryczne wymiarów:
Przez wymiar rozumie się wartość długości lub kąta wyra\
ony w określonych jednostkach.
Rozró\
niamy cztery typy wymiarów:
- zewnętrzny (c)
- wewnętrzny (d)
- mieszany (h)
- pośredni (l)
d
l c
h
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 13
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Pola tolerancji:
T
es
linia
zerowa
B
ei
N
A
Pola tolerancji wyznaczają następujące wymiary:
- wymiar nominalny N
- odchyłki górna i dolne (es i ei)
- wymiary graniczne (A i B)
B = N + es
A = N + ei bo N  A = -ei
- tolerancja T
T = es - ei = B-A
es = B  N
ei = A  N
Neies 50+0,1+0,2
Rodzaj tolerancji:
1. Tolerowanie symetryczne
50-0,1+0,1
2. Tolerowanie asymetryczne
a. tolerowanie na plus
49,9+0,2
b. tolerowanie na minus
50-0,2
3. Tolerowanie asymetryczne dwustronne
50-0,2+0,1
4. Tolerowanie asymetryczne jednostronne
50+0,2+0,1 50+0,1-0,2
Tolerowanie swobodne jest tolerowaniem którego odchyłki są dobierane według uznania
konstruktora. Tolerowanie normalne występuje gdy odchyłki są zgodne z normami tolerancji.
Åš70H7
70  wymiar nominalny
H  symbol poło\
enia pola tolerancji względem osi zerowej. Du\
e litery dotyczą tolerowania otworu, małe wałka.
7  klasa dokładności wykonania. Jest 19 klas: 01, 0, 1, 2, 3, ... , 17
Rozró\
niamy pasowania:
- luz
ne  pole tolerancji otworu le\
y powy\
ej pola tolerancji wałka (Lmin i Lmax  luzy graniczne)
- mieszane  pola tolerancji częściowo pokrywają się w Lmax i Wmax (wcisk maksymalny)
- ciasne  pole tolerancji wałka le\
y powy\
ej pola tolerancji otworu (Wmin i Wmax  wciski graniczne)
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 14
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Poło\
enie pól tolerancji:
otwór wałek
D
u
E
t
F p
G
m
H
k
K
h
M
g
P
f
T
e
U
d
ciasne ciasne
luz
ne mieszane luz
ne mieszane
PRZEGL
D MATERIAA
ÓW UśYWANYCH W BUDOWIE MASZYN
Koniecznym warunkiem dobrej pracy konstrukcji jest znajomość materiałów konstrukcyjnych, ich
własności, wpływu warunków pracy na te własności i sposób wykonania elementu z danego materiału.
Dobór materiału opiera się na następujących przesłankach:
1. Eksploatacyjnych, podyktowanych warunkami pracy konstrukcji, np. przeznaczenie, rodzaj i
charakter obciÄ…\
eń, trwałość, itp.
2. Technologicznych np. mo\
liwości wytwarzania, sposób obróbki, liczba produkowanych elementów
3. Ekonomicznych, ogólnie koszty materiałów i wytwarzania elementów
Przy doborze materiałów korzysta się z norm materiałowych. Normy materiałowe materiałów
metalowych podają (np. dla stali) rodzaj i gatunek stali, obowiązujące oznaczenie, skład chemiczny,
własności mechaniczne i technologiczne, obróbką cieplną i niektóre własności specjalne.
Stal jest to stop \
elaza z węglem o zawartości C do 2%.
Stale dzielimy na węglowe i stopowe (według składu chemicznego)
Stale węglowe konstrukcyjne dzielimy na:
1. Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości, ogólnego przeznaczenia
2. Stale węglowe konstrukcyjne wy\
szej jakości. Są to stale o określonych własnościach
mechanicznych jak i składzie chemicznym.
3. Stale węglowe konstrukcyjne o określonym przeznaczeniu i szczególnych własnościach, np.
łańcuchy górnicze, mosty, kadłuby statków, kotły parowe.
Stale stopowe otrzymujemy przez dodanie przez dodanie odpowiednich składników a zawartość tych
składników przekracza wartości określone dla stali węglowych.
Staliwa  jest to stal lana czyli lejny stop \
elaza z zawartością C do 2% i z innymi składnikami
stopowymi. Dzielimy je na stopowe i węglowe.
śeliwa  jest to stop \
elaza z węglem o zawartości C powy\
ej 2% oraz innymi pierwiastkami jak
krzem, mangan, siarka i fosfor.
Stopy metali nie\
elaznych:
1. Miedz
i stopy miedzi  najczęściej stosowanymi w budowie maszyn stopami miedzi są
mosiądz i brąz. Mosiądz to stop miedzi z cynkiem o zawartości Zn do 50%. Brązy są to stopy
miedzi z innymi składnikami stopowymi oprócz cynku.
2. Aluminium i jego stopy.
3. Ołów i jego stopy np. ło\
yska cynkowe z cyny i ołowiu.
4. Cynk i jego stopy.
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 15
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Materiały niemetalowe:
Do materiałów konstrukcyjnych niemetalowych zalicza się przede wszystkim tworzywa sztuczne,
gumÄ™, drewno, beton i porcelanÄ™.
Tworzywa dzielimy na:
a) termoplastyczne  przy podgrzewaniu do temperatury 150-200°C stajÄ… siÄ™ plastyczne i dajÄ… siÄ™
formować a po ostygnięciu sztywnieją, przy czym proces ten jest powtarzalny, np. PCV,
teflon, poliamidy.
b) termoutwardzalne  stajÄ… siÄ™ plastyczne po ogrzaniu do temperatury 180-220°C tylko jeden
raz. Po ostygnięciu są ju\
nieodwracalnie sztywne i utwardzone np. \
ywice epoksydowe,
poliestry, tworzywa fenolowe itp.
PODSTAWOWE ZAGADNIENIA EKSPLOATACJI MASZYN
Eksploatacją nazywa się zespół czynności których celem jest racjonalizacja u\
ytkowania maszyn i
urządzeń.
Eksploatacja dzieli się na następujące etapy:
1. U\
ytkowanie  jest to etap eksploatacji w czasie którego odbywa się praca sprawnej maszyny
oraz bie\
Ä…ca kontrola jego stanu technicznego.
2. Obsługiwanie - jest to zespół działań które są wykonywane pomiędzy u\
ytkowania maszyny
w celu zachowania jej pełnej sprawności. Zaliczamy tu między innymi obsługę techniczną i
naprawy bie\
Ä…ce.
3. Przechowywanie  jest to oczekiwanie, najczęściej w magazynie maszyn na przekazanie ich
do u\
ytkowania, obsługi czy naprawy.
RODZAJE ZUśYCIA MASZYN I URZ
DZEC

Prawidłowe działanie maszyny ocenia się na podstawie jej charakterystyki roboczej. Wszelkie
odchylenia charakterystyk świadczą o nieprawidłowościach spowodowanych złą regulacją lub
zu\
yciem.
Ka\
da maszyna składa się z wielu połączeń ruchomych i spoczynkowych. W wyniku zmian w tych
połączeniach następują zmiany ich charakterystyk.
Na intensywność zu\
ywania się połączeń części maszyn mają wpływ następujące czynniki:
a) konstrukcja części i zespołów
b) jakość u\
ytych materiałów oraz jakość obróbki
c) dobór pasowań
d) rodzaj stosowanych olejów i smarów
Zu\
ycie jest procesem w czasie którego pogarsza się stan techniczny urządzenia. Naturalne zu\
ycie
dzieli siÄ™ na mechaniczne i chemiczne.
Zu\
ycie mechaniczne  występuje przede wszystkim na skutek tarcia pomiędzy współpracującymi
między sobą powierzchniami części.
szybkość
zu\
ycia
Krzywa zu\
ycia od czasu eksploatacji:
czas
docieranie zu\
ycie normalne
zu\
ycie eksploatacji
przyspieszone
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 16
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Zu\
ycie chemiczne  polega na zmianach w strukturze powierzchni współpracujących części
powstających w wyniku korodującego działania kwasów zawartych w olejach i smarach oraz wpływu
środowiska.
Korozję mogą powodować czynniki chemiczne lub elektrochemiczne.
Korozja chemiczna metalu jest to proces niszczenia wywołany bezpośrednio wpływem na metal
suchych gazów lub środowisk ciekłych nie przewodzących prądu elektrycznego.
Korozja elektrochemiczne  zachodzi w skutek przepływu prądu elektrycznego między częściami
metalowymi w roztworze wody i kwasów.
Zu\
ycie zmęczeniowe  pojawia się w wyniku obcią\
eń zmiennych (jednostronnie lub dwustronnie)
obciÄ…\
enia obciÄ…\
enia
czas czas
Krzywa Wo:hlera:
ogran
ngran
liczba cykli
SMAROWANIE
Smarowanie  zmniejsza straty energii na pokonywanie tarcia i zapobiega wczesnemu zu\
yciu części.
Wprowadzenie pomiędzy współpracujące powierzchnie cieczy smarnej o bardzo małym tarciu
wewnętrznym ma na celu zmniejszenie współczynnika tarcia.
Po za tym smarowanie spełnia równie\
inne zadania:
1. częściowe zabezpieczenie przed korozją części metalowych
2. chłodzenie części przez odprowadzenie ciepła z pomiędzy współpracujących części
3. przyspieszenie procesu docierania
4. odprowadzenie z obszaru współpracy części zu\
ytych mikrocząstek materiału
W zale\
ności od rodzaju, metody powstawania warstwy smarnej rozró\
nia siÄ™ smarowanie
hydrostatyczne i hydrodynamiczne. Smarowanie hydrostatyczne występuje wtedy gdy ciecz
smarująca jest dostarczana do obszaru między współpracującymi powierzchniami pod ciśnieniem
zapewniającym określoną siłę wyporu. Smarowanie hydrodynamiczne występuje wtedy gdy
warstwa cieczy smarnej wnika między współpracujące elementy w wyniku ich ruchu względnego
obci
Ä…\

enia
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 17
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
tworząc tak zwany klin smarowy. Do smarowania maszyn i urządzeń stosuje się oleje maszynowe i
smary stałe.
Występują dwa podstawowe układy smarowania:
 indywidualny
Przy smarowaniu indywidualnym ka\
dy punkt smarowania ma własny zbiornik napełniany
okresowo.
 centralny
Smarowanie centralne polega na tym, \
e wiele punktów jest zasilanych ze wspólnego
zbiornika.
DIAGNOSTYKA TECHNICZNA
Jest to metoda określania stanu technicznego maszyny lub urządzenia z lokalizacją ewentualnych
niedomagań bez demonta\
u maszyny. Obejmuje ona m. in. obserwacją i rejestrację zewnętrznych
objawów towarzyszących procesom chemicznym, analizę i ocenę rejestrowanych danych oraz
stawianie diagnozy. W wyniku badania otrzymuje się informację o wewnętrznych cechach maszyny
których cechy chcemy określić, chocia\
części są zazwyczaj niedostępne do bezpośredniego badania.
Trwałość i niezawodność:
Przez trwałość maszyn i urządzeń rozumiemy własność która charakteryzuje proces ich zu\
ywania siÄ™
podczas eksploatacji.
Przez niezawodność rozumie się zdolność urządzenia do bezawaryjnej pracy.
Kryteriami określającymi niezawodność urządzeń i maszyn są:
 du\
a trwałość
 pewność działania
 bezawaryjność
 zdolność do długotrwałej pracy bez pogarszania parametrów wyjściowych
 mały zakres i łatwość obsługi
 długie okresy międzynaprawcze
 mała pracochłonność napraw i obsługi
Trwałość i niezawodność zale\
ą od rozwiązania konstrukcyjnego, jakości wykonania i warunków
u\
ytkowania.
Jako wskaz
nik trwałości mo\
na przyjąć:
1. Czas pracy określony w godzinach lub latach a\
do całkowitego zu\
ycia
2. Czas u\
ytkowania  czas pracy a\
do całkowitego zu\
ycia bez uwzględniania przestojów
Wskaz
nik niezawodności urządzenia jest to prawdopodobny średni czas bezzakłuceniowej pracy.
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 18
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
SILNIKI WIATROWE
Silniki wiatrowe są to silniki które wykorzystują energię kinetyczną poruszającego się powietrza
atmosferycznego i zmieniajÄ… jÄ… na inny rodzaj energii np. na pracÄ™.
Koło wiatraka (1) składa się z pewnej liczby skrzydeł umieszczonych na poziomym wale (2). Wał
obraca siÄ™ w Å‚o\
yskach umieszczonych w obudowie (3). W obudowie mieści się przekładnia zębata
przenosząca ruch wału poziomego na wał pionowy. Wał ten napędza maszynę roboczą, którą
najczęściej jest prądnica. Razem z wałem i kołem wiatraka zamontowany jest ster kierunkowy.
W strumieniu powietrza atmosferycznego poruszającego się z prędkością v umieszczamy płytkę na
którą działać będzie siła aerodynamiczna. Strumień powietrza opływającego płytkę z pewną
prędkością powoduje zwiększenie ciśnienia powietrza na powierzchni górnej. Ró\
nica ciśnień jest
przyczyną powstania siły aerodynamicznej skierowanej ku górze, których wypadkową jest siła W. Siłę
W rozkładamy na składową Z prostopadłą do prędkości v zwaną siłą nośną oraz na składową X zwaną
oporem czołowym.
Siły aerodynamiczne oblicza się z następujących wzorów:
X = Cx * F * (v2)/2 kg
Z = Cy * F * (g*v2)/2 kg
F  powierzchnia płytki
g  gęstość powietrza
Cx  współczynnik oporu
Cy  współczynnik siły nośnej
v  prędkość powietrza
Wartości tych sił będą zale\
ne od kÄ…ta natarcia Å‚opatek wirnika (Ä…)
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 19
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Powietrze przepływające przez pole skrzydeł wiatraka wykonuje pewną pracę równą jego energii
kinetycznej. Stosunek energii kinetycznej wykorzystanej w wiatraku do pełnej energii nazywa się
współczynnikiem wykorzystania wiatraków __ psi. Współczynnik ten wynosi od 0,3 do 0,6.
Moc wiatraka mo\
na obliczyć z zale\
ności
N=(v3D2)/1530 KM
Rozró\
niamy wiatraki wolnobie\
ne o du\
ej liczbie skrzydeł (do 24) wypełniających prawie całą
powierzchnię koła i szybkobie\
ne. Wiatraki szybkobie\
ne charakteryzują się małą liczbą ramion (2-4).
MiarÄ… szybkobie\
ności jest tzw. moduł wiatraka:
Jest to stosunek prędkości obrotowej końca skrzydła do prędkości wiatru. Moment jaki uzyskuje się
zale\
y od modułu. Do oceny pracy wiatraków wykorzystuje się moment bezwymiarowy __.
Wartość __ wyznaczamy z zale\
ności
M  moment silnika wiatrowego
energia strugi wiatru 
Pomiędzy tymi momentami obowiązuje zale\
ność
Charakterystyki aerodynamiczne wiatraka:
TURBINY WODNE
Turbiny wodne są to maszyny które przetwarzają energię wody na pracę mechaniczną, a więc nale\
Ä…
do grupy silników. Aby uzyskać energię, woda musi być spiętrzona w sposób naturalny lub sztuczny.
Podstawowym elementem ka\
dej turbiny jest obracajÄ…cy siÄ™ wirnik zaopatrzony w Å‚opatki.
Rozró\
niamy turbiny akcyjne i reakcyjne.
W turbinie akcyjnej Energia potencjalna spiętrzonej wody w całości przekształca się w energię
kinetycznÄ… jeszcze przed wirnikiem w nieruchomej dyszy lub kierownicy. Ruch obrotowy wirnika
uzyskuje się w skutek naporu strugi na jego łopatki. Ciśnienie wody przed i za wirnikiem jest
jednakowe i równe atmosferycznemu. Wzdłu\
łopatek wirnika woda przepływa ruchem jednostajnym.
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 20
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
W turbinie reakcyjnej tylko część energii potencjalnej spiętrzonej wody przekształca się w
nieruchomej kierownicy przed wirnikiem w energię kinetyczną strugi. Pozostała część zamienia się w
energię kinetyczną dopiero na łopatkach wirnika. Kanały między łopatkami wirnika zwę\
ajÄ… siÄ™ w
kierunku przepływu cieczy (wody) więc prędkość strugi zwiększa się a ciśnienie maleje. Pracę wirnika
turbiny reakcyjnej zawdzięcza się przede wszystkim dzięki działaniu reakcji hydrodynamicznej strugi
na Å‚opatkach wirnika.
Ciśnienie wody przy wejściu na łopatki wirnika jest większe od ciśnienia atmosferycznego i maleje
przy przepływie.
Moc u\
yteczna Pu turbiny wodnej oddawana jej wale:
Pu  moc u\
yteczna
n0  sprawność ogólna turbiny
__  gęstość cieczy (wody = 1000 kg/m3)
Q  strumień objętości cieczy przepływającej przez turbinę (m3/s)
H  ró\
nica poziomów wody zwanej spadem
g  przyspieszenie ziemskie
Moc największych turbin Pu osiąga wartości 500 MW.
Przepływalność Q przekracza wartość 1000 m3/s (strumień objętości cieczy przepływającej przez turbinę).
Wykorzystywane spady wody H: 1,5  2300 m.
Osiągane sprawności n: 0,8  0,94
Schemat turbiny Peltona (akcyjnej):
Turbina składa się z obrotowego wirnika (1) i z kierownicy strumienia wody (dysza z iglicą  2). W
kierownicy następuje przekształcenia całego spadu na energię kinetyczną przekazywana na łopatki
wirnika. Kierownica ma kształt dyszy i jest umieszczona mo\
liwie blisko Å‚opatek wirnika i jest
nieruchoma. Przekrój wylotu dyszy mo\
na regulować za pomocą osiowego przesuwu iglicy i tym
samym regulować natę\
enie wypływu wody. Przy poziomej osi wirnika stosuje się zwykle 2 dysze.
Sprawność tych turbin wynosi 90%.
Prędkość obrotowa wirnika turbiny wynosi 750-1600 obr/min
Åšrednica wirnika wynosi od 0,2  4 m
OsiÄ…gana moc tej turbiny to 30MW
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 21
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Schemat turbiny Francisa w komorze otwartej:
(rura ssawna wytwarza podciśnienie u wylotu z wirnika i umo\
liwia uzyskanie części spadu odpowiadającego odległości
wirnika od zwierciadła wody w kanale dopływowym ale ponad to gwarantuje odzyskanie części energii kinetycznej wody
opuszczajÄ…cej wirnik)
W turbinie reakcyjnej o dopływie promieniowym, dośrodkowym woda przepływa przez kierownicę
(1) o nastawnych łopatkach i zasila na całym obwodzie wirnik (2) przepływając przez kanały
międzyłopatkowe wirnika i uchodzi przez rurę ssącą (3). Przepływając przez odpowiedni
ukształtowane łopatki kierownicy struga wody nabiera prędkości w skutek częściowego spadku
ciśnienia. Pozostała część energii ciśnienia zostaje w wirniku bezpośrednio przekształcona na pracę
skutek siły reakcji hydrodynamicznych.
Współczesna technika zmierza do konstruowania turbin:
 du\
ej mocy
 pracujących nawet przy małych spadkach przy du\
ej przepływności (natę\
enie przepływu
przez wnętrze turbiny
 pozwalajÄ…ce na uzyskanie stosunkowo du\
ej prędkości obrotowej
Te wymogi spełniają turbiny szybkobie\
ne
Turbiny wodne stosowane sÄ… w elektrowniach wodnych gdzie wytwarzana energia mechaniczna
wykorzystywana jest do napędu generatorów i zamieniana w energię elektryczną.
Przykład turbiny szybkobie\
nej (turbina Kaplana):
Sprawność do 93%
Åšrednica wirnika od 1 do 10 m.
Moc u\
yteczna = 200MW
Przepływność Q = 500 m3/s
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 22
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Charakterystyka turbin:
Wirnik turbiny wodnej reakcyjnej obraca się dookoła osi O z prędkością kątową __. Linia 1-2
przedstawia zarys łopatki wirnika. Cząstki cieczy przepływają do wirnika przez prowadnicę walcową
o promieniu r1 z prędkością bezwzględną c1 i wpływają przez powierzchnię walcową o promieniu r2 z
prędkością c2. Prędkości c1 i c2 rozkładamy na prędkości unoszenia u1 i u2 i prędkości względne w1 i
w2. Kąty zawarte między prędkością bezwzględną oznaczamy jako __ i __. Kąty zawarte między
prędkościami względnymi a ujemnymi wektorami prędkości unoszenia B1 i B2. Składowe obwodowe
oznaczamy przez Cu1 i Cu2 a składowe prędkości względnych przez Wu1 i Wu2. Całkowity moment
obrotowy jaki płynący strumień wytwarza między ściankami łopatek jest równy zmianie momentu
ilości ruchu w jednostce czasu wywołanej zmianą składowej prędkości Cu1 i Cu2.
Wartość tego momentu:
Moc reakcji hydrodynamicznej strumienia przepływającego przez wirnik a zatem moc
przekazywana turbinie przez wodÄ™ wynosi:
Wprowadzając prędkość obrotową u1 = r1__, u2 = r2__ otrzymujemy wzór na moc w postaci:
c1*u1*cos__ - c2*u2*cos__ = __*g*H
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 23
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
POMPY
Pompą nazywamy maszynę roboczą która kosztem energii silnika przenosi ciecz z poziomu ni\
szego
na wy\
szy. Działanie pompy opiera się na wytwarzaniu ró\
nicy ciśnień między przestrzenią ssącą a
tłoczącą za pomocą ruchomego elementu roboczego.
Pompy objętościowe są to takie pompy których działanie polega na przetłaczaniu dawki cieczy z
przestrzeni ssawnej przez odpowiedni ruch elementu roboczego do przestrzeni tłocznej.
Pompy przepływowe są to takie pompy których działanie polega na wykorzystaniu warunków
ciągłego i równomiernego przepływu cieczy przez przestrzeń wewnętrzną pompy.
Zale\
nie od warunków pracy pompy dzielimy na ssące, tłoczące i ssąco-tłoczące.
Pompy objętościowe charakteryzują się wyrównanym ciśnieniem które działa na ruchomy element
roboczy. Zale\
y ono jedynie od poło\
enia tłoka zamykającego przestrzeń roboczą i odpowiadającemu
temu poło\
eniu objętości czynnika roboczego.
Działanie pomp objętościowych opiera się na zasadach statyki cieczy.
Pompy tłokowe
Ruchomy element roboczy który wytwarza ró\
nice ciśnień między przestrzenią ssawną a tłoczną
pompy, potrzebną do wywołania ruchu cieczy jest w pompie tłokowej płaski tłok.
Parametrami pomp tłokowych są:
 wysokość ssania
 wysokość tłoczenia
 wydajność Q
 sprawność objętościowa
 moc
 sprawność ogólna
Schemat pompy tłokowej jednostronnego działania:
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 24
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
W pompie tłokowej ruchomy element roboczy wytwarza ró\
nicę ciśnień między przestrzenią ssącą a
tłoczącą potrzebną do wywołania ruchu cieczy. Ilość cieczy określa zale\
ność:
s  skok tłoka
n  ilość obrotów korby na minutę (50-250 obr/min)
Pompy rotacyjne
SÄ… pompami wyporowymi o obrotowym ruchu elementu roboczego. Elementy robocze tych pomp
podczas jednostajnego obrotu okresowo zwiększają przestrzeń ssawną zmniejszając przestrzeń tłoczną
i na odwrót w skutek czego następuje jednoczesne zasysanie cieczy do wnętrza komory roboczej i
wytłaczanie na zewnątrz. Elementy robocze stale oddzielają przestrzeń ssawną od tłocznej i zbyteczne
jest stosowanie zaworów. Przykładem pompy rotacyjnej jest pompa zębata:
P = 5-32 MPa
Q = 20 l/s
n = 0,7  0,85
Pompa łopatkowa  do cieczy o własnościach samosmarujących:
Wydajność Q do 500 m3/h
Ciśnienie pracy 100 MPa
Temperatura cieczy t = 450oC
Sprawność n = 0,5  0,9
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 25
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
KOTA
Y I SILNIKI PAROWE
Kotły i silniki parowe słu\
ą do zamiany energii cieplnej na energię mechaniczną. Dostarczając ciepło
otrzymujemy w tych maszynach pracę. Pośrednikiem w tym procesie jest tak zwany czynnik
termodynamiczny. Do wytwarzania pary wodnej słu\
ą kotły parowe które są podstawową częścią
siłowni parowej. Kocioł jest to naczynie zamknięte w którym pod działaniem energii cieplnej woda
przechodzi w parę o ciśnieniu wy\
szym od atmosferycznego, a para ta jest wykorzystywana na
zewnątrz kotła.
Wytwarzanie pary w kotle jest zwiÄ…zane z trzema zjawiskami
a) spalaniem paliwa dla wytworzenia pewnej ilości ciepła
b) wymiana ciepła między spalinami a wodą zasilającą
c) parowaniem wody
Schemat urządzenia kotłowego:
1  parownik
2  palenisko
3  wÄ™\
ownica
Kocioł powinien być stale zasilany wodą, powietrzem i paliwem. Produktem głównym kotła jest para
wodna o określonym ciśnieniu a produktem ubocznym s a spaliny, popiół i \
u\
el.
Główne elementy kotła
1. Parownik  czyli właściwy kocioł w którym z wody wytwarza się parę mokrą nasyconą.
Składa się on z reguły z naczyń stalowych zwanych walczakami.
2. Palenisko  jest urządzeniem słu\
Ä…cym do przetwarzania energii chemicznej paliwa na energiÄ™
cieplnÄ… w procesie spalania
3. Przegrzewacz pary  jego zadaniem jest osuszanie pary pobieranej z parownika oraz
przegrzanie jej do temperatury 300-350oC
Podstawowe parametry kotłów:
a) wydajność kotła D  jest to ilość pary wytworzonej podczas jednej godziny [kg/h ; t/h]
b) ciśnienie pary p  waha się w granicach od 50 KPa do 60 MPa
c) temperatura pary t  waha siÄ™ w granicach od 100-700oC
d) powierzchnia ogrzewalna H  pole powierzchni ścianek parownika które są po jednej stronie
omywane wodą a po drugiej spalinami [m2], największe kotły  20 000 m2
e) natÄ™\
enie powierzchni ogrzewalnej D/H  jest to stosunek wydajności kotła do pola
powierzchni ogrzewalnej [kg/m2·h]
Wartość tego parametru charakteryzuje wykorzystanie powierzchni ogrzewalnej i zale\
y od
konstrukcji paleniska i kotła a tak\
e od rodzaju paliwa i warunków pracy urządzenia
kotłowego
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 26
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
f) Wielokrotność parowania D/B  jest to stosunek wydajności kotła do ilości B  kg. węgla
spalonego w ciÄ…gu jednej godziny
g) Sprawność urządzenia kotłowego __ wynosi od 0,5 do 0,74
O wartości sprawności urządzenia kotłowego decydują straty energii cieplnej. Największą
stratÄ… jest tzw. strata kominowa spowodowana unoszeniem du\
ej ilości niewykorzystanego
ciepła przez gorące spaliny do komina.
SILNIKI PAROWE
Działanie silnika parowego polega na zamianie energii wewnętrznej czynnika o wysokiej temperaturze
na pracÄ™. Zamiana ta mo\
e nastąpić tylko podczas wymiany ciepła między ciałem o wysokiej
temperaturze i ciałem o niskiej temperaturze . Silniki parowe mają zastosowanie w siłownikach
cieplnych w których prądnice wytwarzają prąd elektryczny i napędzane są turbinami parowymi.
Uproszczony schemat połączeń urządzeń siłowni parowej:
1  kocioł parowy
2  podgrzewacz pary
3- silnik parowy
4  prÄ…dnica
5  skraplacz
6  pompa
Silniki parowe dzielimy na dwa rodzaje:
1. Tłokowe (objętościowe
2. Wirowe (przepływowe) czyli turbiny parowe
Tłokowy silnik parowy jest silnikiem cieplnym w którym energia wewnętrzna pary wodnej zamienia
się na pracę za pomocą tłoka poruszającego się w cylindrze ruchem posuwisto-zwrotnym. Ciśnienie
pary kotła działa na przemian lub po jednej stronie tłoka a ruch tłoka przekazywany jest przez układ
korbowy i przekształca się w ruch obrotowy wału korbowego.
Turbina parowa jest cieplnym silnikiem wirowym w którym energia wewnętrzna pary zamieniona w
dyszy w energiÄ™ kinetycznÄ… strugi zostaje przekazana Å‚opatkom wirnika. Zasadniczymi elementami
turbiny parowej jest nieruchoma dysza i obracający się wirnik z odpowiednio ukształtowanymi
Å‚opatkami.
RozprÄ™\
anie pary w turbinie mo\
e być dokonywane dwoma sposobami.
W turbinie akcyjnej rozprÄ™\
ania zachodzi jedynie w dyszy a przepływ strugi pary przez kanał
międzyłopatkowy wirnika odbywa się przy stałym ciśnieniu czyli kanał międzyłopatkowy ma stałe
pole przekroju poprzecznego.
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 27
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
W turbinie reakcyjnej para rozprÄ™\
a się częściowo w dyszy a częściowo w kanałach
międzyłopatkowych wirnika czyli kanał międzyłopatkowy zmienia się podobnie jak w dyszy/
TURBINY PAROWE AKCYJNE
Głównym elementem turbiny parowej jest nieruchoma dysza i obracający się wirnik z łopatkami. W
dyszy zmniejsza się ciśnienie pary a wzrasta jej prędkość. Struga pary przepływającej wzdłu\
Å‚opatek
wywiera na nie napór co powoduje ruch obrotowy wirnika. W turbinie parowej reakcyjnej para
przepływająca przez zwę\
ające się kanały między łopatkami wirnika rozprę\
a się w nich i zwiększa
swoją prędkość względną a przyspieszeniu towarzyszy powstanie reakcji hydrodynamicznej która
obraca wirnik.
SILNIKI SPALINOWE
Przekształcają energię cieplną paliw na pracę mechaniczną. Są to silniki o spalaniu wewnętrznym co
oznacza, \
e paliwo jest spalane bezpośrednio w cylindrze roboczym silnika, bądz
te\
w komorze
spalania stanowiącą całość z konstrukcją silnika.
Pod względem konstrukcyjnym wyró\
niamy następujące rodzaje silników spalinowych:
a) silniki tłokowe o ruchu tłoka postępowo - zwrotnym
b) silniki typu Wankla z tłokami wirującymi
c) przepływowe silniki wirowe (turbiny spalinowe i gazowe)
d) przepływowe silniki odrzutowe (przelotowe i rakietowe)
TÅ‚okowe silniki spalinowe dzielimy:
a) ze względu na cykl pracy na 4-suwowe i 2-suwowe
b) w zale\
ności od sposobu przygotowywania mieszanki na wtryskowe i gaz
nikowe
c) ze względu na rodzaj zapłonu na silniki z zapłonem iskrowym (niskoprę\
ne) i z zapłonem
samoczynnym (wysokoprÄ™\
ne)
d) ze względu na sposób chłodzenia na silniki chłodzone powietrzem i cieczą
e) ze względu na rodzaj konstrukcji na silniki z układem korbowym i bezkorbowym
Schemat silnika spalinowego:
1  kadłub z blokiem cylindrowym
2  skrzynia korbowa
3  głowica z zaworami
4  układ korbowy
M a s z y n o z n a w s t w o S t r o n a | 28
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Tłokowy silnik spalinowy z posuwisto-zwrotnym ruchu tłoka składa się z następujących
głównych części:
1. kadłub z blokiem cylindrycznym o jednym lub kilku cylindrach
2. skrzyni korbowej stanowiącej osłonę wału korbowego będącej jednocześnie zbiornikiem oleju
3. głowicy ograniczającej roboczą przestrzeń cylindrów
4. układu korbowego który stanowi zespół składający się z tłoka wraz z pierścieniami
uszczelniającymi , zgarniającymi, sworzni tłokowych, korbowodów wału korbowego i koła
zamachowego.