wybrane zagadnienia projektowania i eksploatacji maszyn i urządzeń

261 Pages·2010·11.04 MB·Polish

Publikacja współfinansowana
ze środków UNII EUROPEJSKIEJ
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Projekt „Plan Rozwoju Politechniki Częstochowskiej”

ANDRZEJ KASPRZYCKI
WOJCIECH SOCHACKI

WYBRANE ZAGADNIENIA
PROJEKTOWANIA
I EKSPLOATACJI MASZYN I URZĄDZEŃ

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA
CZĘSTOCHOWA 2009
_________________________________________________________________________________________________________________

Recenzenci:
prof. dr hab. inż. Jerzy Bajkowski
dr hab. inż. Ludwik Kania prof. PCz

Autorzy:
Część I i II: Andrzej Kasprzycki
Część III: Wojciech Sochacki

Zamiarem autorów niniejszego podręcznika było przybliżenie zagadnień związanych z
projektowaniem i eksploatacją obiektów technicznych.
Nieodzownym elementem projektowania jest umiejętność „czytania” i wykonania
dokumentacji technicznej, której główną częścią składową jest rysunek techniczny danego
obiektu. Stąd też w niniejszym opracowaniu część pierwsza (rozdziały 1 do 9) poświęcona
jest temu zagadnieniu. W oparciu o najnowsze normy podano ogólne zasady przedstawienia
graficznego obiektów zarówno w realizacji ręcznej jak i komputerowej.
Część druga (rozdziały 10 do 22) podręcznika, dotyczy podstaw konstrukcji maszyn,
gdzie materiał dotyczący tej bardzo obszernej dziedziny wiedzy przedstawiono w
rozwiązaniach zadań obliczeniowych związanych z konstrukcją elementów i podzespołów
różnych maszyn i urządzeń.
W części trzeciej (rozdziały 23 do 27) zaprezentowano najistotniejsze zagadnienia
dotyczące eksploatacji maszyn i urządzeń. W sposób zwięzły omówiono zagadnienia
dotyczące zdarzeń i procesów eksploatacyjnych, obiektów technicznych, elementów teorii
niezawodności czy strategii eksploatacyjnych.
Proponowany skrypt przeznaczony jest dla studentów wyższych szkół technicznych z
kierunkami mechanicznymi i mechatronicznymi.

Publikacja współfinansowana ze środków UNII EUROPEJSKIEJ
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Projekt „ Plan Rozwoju Politechniki Częstochowskiej”

© KAPITAŁ LUDZKI
_________________________________________________________________________________________________________________

Spis treści

Część I Podstawy rysunku technicznego

1. Znormalizowane elementy arkusza……..……………………………......…… 7
1.1. Forma graficzna arkusza…….………………………………………..….. 7
1.2. Pismo techniczne ……………………………………………………..…. 9
1.3. Podziałki ……………………………………………………….………... 10
1.4. Wymagania podstawowe dotyczące linii ……………………….……….. 10
1.5. Tabliczka rysunkowa …………………………………………….……... 14
2. Rzutowanie prostokątne ..…………………………………………..………… 16
2.1. Rzutowanie prostokątne ………………………………………………… 18
3. Połączenia ………………… ………………………………………………... 25
3.1. Gwinty i części gwintowane …………………………………………….. 25
3.2. Połączenia spawane …………………………………………………….. 27
3.3. Przedstawianie wielowypustów i wielokarbów ………………………... 29
4. Przekładnie zębate …………………………………….……………………… 31
5. Łożyska toczne. Uszczelnienia ruchowe .………………………………..…… 32
6. Sprężyny ……………………………………………………………….…….. 33
7. Wymiarowanie ……………………………………….………………….…… 34
7.1. Tolerowanie wymiarów …………………….…………………………… 39
7.2. Tolerancje geometryczne ……………………………………………….. 41
7.3. Struktura geometryczna powierzchni ……………………………..…….. 42
8. Schematy rysunkowe ……………………………………………………….... 43
9. Wykaz norm dotyczących rysunku technicznego ……………….…………... 46
10. Wytrzymałość elementów …………………………………….……………… 49
26.1. Literatura ……………………………………………….………………. 54

Część II Podstawy konstrukcji maszyn

11. Połączenia spawane ………………………………………….……………...... 55
11.1. Wymagania konstrukcyjne …………………………….……………….. 56
11.1.1. Spoiny czołowe ………………………………….……………….. 56
11.1.2. Spoiny pachwinowe …………………………….……………….... 57
11.2. Obliczenia wytrzymałościowe ……………………….…………………. 57
11.3. Literatura ………………………………………………………….…….. 60
12. Połączenia gwintowe …………………………………………………….…… 61
12.1. Obciążenie połączeń śrubowych …………………………………….…. 63
12.1.1. Złącze swobodnie skręcane i następnie obciążone siłą osiową F 63
o
12.1.2. Złącze śrubowe skręcane pod działaniem siły roboczej F pod
obciążeniem …………………………………………………….…. 64
12.1.3. Śruba jest napięta wstępnie siłą F , a następnie dodatkowo obciążona
w
siłą roboczą F ………………………………………………….…. 64
p
12.1.4. Śruba przenosi obciążenie poprzeczne F w stosunku do swojej osi 67
t
3
_________________________________________________________________________________________________________________

12.1.5. Złącze śrubowe o różnych temperaturach elementów …….…….... 69
12.2. Wytrzymałość zmęczeniowa śrub złącznych ……….………………….. 70
12.3. Śruby robocze ……………………………………….………………….. 73
12.4. Literatura …………………………………………….………………….. 75
12.5. Tablice pomocnicze ………………………………….…………………. 76
13. Łączenie wirników z wałami …………………………………………………. 79
13.1. Połączenia wpustowe i wypustowe …………………………………….. 79
13.2. Połączenia zaciskowe …………………………………………………... 82
13.3.Połączenia stożkowe ………………………………………………….…. 84
13.4.Literatura …………………………………………………………….….. 86
14. Łożyska toczne ………………………………………………………….……. 86
14.1. Obliczenia nośności i trwałości łożysk tocznych ………………….…… 87
14.2. Konstrukcje łożyskowań …………………………………………….…. 89
14.3. Literatura …………………………………………………………….…. 90
15. Wały i osie ………………………………………………………………….… 91
15.1.Obliczenia wytrzymałościowe wałów dwupodporowych …………….… 91
15.2.Sztywność wałów i osi ……………………………………………….…. 95
15.1.1. Sztywność skrętna …………………………………………….…. 95
15.1.2. Sztywność giętna ……………………………………………….… 95
15.3. Literatura …………………………………………………………….…. 96
16. Sprzęgła …………………………………………………………………….… 97
16.1. Sprzęgła mechaniczne ………………………………………………….. 98
16.1.1. Sprzęgła nierozłączne ………………………………………….…. 98
16.1.2. Sprzęgła rozłączne ……………………………………………….. 102
32.1.2.1.Sprzęgła sterowane cierne …………………………….......... 102
32.1.2.2. Sprzęgła sterowane ze sprzężeniem kształtowym (kłowym) 107
16.2. Sprzęgła magnetyczne …………………………………………………. 110
16.3. Literatura ………………………………………………………………. 111
17. Przekładnie zębate walcowe z kołami o zębach prostych ……………………. 112
17.1. Wielkości podstawowe koła zębatego ………………………….............. 113
17.1.1. Typy zębów …………………………………………………….… 115
17.1.2. Korekcja zazębienia ……………………………………………… 116
17.2. Przełożenie przekładni …………………………………………………. 117
17.3. Rozkład sił, obciążenie, moc i sprawność przekładni ………………….. 117
17.4. Literatura ……………………………………………………………….. 119
18. Przekładnia pasowa z pasem zębatym jednostronnym ………………………. 120
18.1. Podstawowe oznaczenia ………………………………………………... 120
18.2. Obliczenia przekładni pasowej zębatej ………………………………… 121
18.3. Oznaczenie pasa i kół pasowych zębatych …………………………….. 123
18.4. Literatura ……………………………………………………………….. 129
18.5. Przykład obliczeniowy …………………………………………………. 130
19. Przekładnia pasowa transportowa ……………………………………………. 132
19.1. Podstawowe oznaczenia ………………………………………………... 133
19.2. Obliczanie przekładni pasowej napędu liniowego ……………………... 133
19.3. Oznaczenie pasa i kół pasowych zębatych ……………………………... 135
19.4. Literatura ……………………………………………………………….. 140
4
_________________________________________________________________________________________________________________

19.5. Przykłady obliczeń ……………………………………………………... 140
20. Przekładnia pasowa z pasem klinowym ………………….…………………... 145
20.1. Podstawowe oznaczenia ………………………………………………... 146
20.2. Obliczania przekładni pasowej …………………………………............. 146
20.3. Oznaczenie pasa klinowego ………….…………………………………. 151
20.4. Literatura ……………………………………………………………….. 155
20.5. Przykład obliczeniowy …………………………………………………. 156
21. Przekładnia pasowa z pasem wieloklinowym ………………………………… 161
21.1. Podstawowe oznaczenia ………………………………………………... 161
21.2. Obliczanie przekładni pasowej …………………………………………. 161
21.3. Oznaczenie pasa wieloklinowego ……………………………………... 165
21.4. Literatura ……………………………………………………………….. 171
21.5. Przykłady obliczeń …………………………………………………….. 171
22. Sprężyny śrubowe walcowe z drutu okrągłego …………...………………….. 174
22.1. Podstawowe oznaczenia ………………………………………………... 175
22.2. Sprężyny naciskowe ……………………………………………………. 176
22.3. Sprężyny naciągowe ……………………………………………………. 184
22.4. Literatura ……………………………………………………………….. 185
22.5. Przykłady obliczeń ……………………………………………………... 186

Część III Eksploatacja maszyn i urządzeń

23. Zagadnienia wstępne…………………………………………………………. 194
23.1. Cele i zadania eksploatacji……………………………………………… 194
23.2. Optymalizacja eksploatacji……………………………………………... 195
23.3. Zasady eksploatacji…………………………………………………….. 196
23.4. Dobra Praktyka Eksploatacyjna (DPE)(wg[16])……………………….. 197
23.5. Cechy obiektu eksploatacji …………………………………………….. 198
23.6. Modelowy opis obiektu eksploatacji...…………………………………. 200
23.6.1. Model strukturalny obiektu eksploatacji ..……………………….. 200
23.6.2. Modele funkcjonalne obiektów technicznych ..………………….. 202
23.7. Budowa modeli obiektów technicznych ……………………………….. 202
24. Diagnozowanie i monitorowanie stanu obiektu eksploatacji ………………… 205
24.1. Stan techniczny obiektu ………………………………………………… 205
24.2. Zmiany stanów obiektów eksploatacji………………………………….. 208
24.2.1. Proces zmian stanów technicznych obiektów…………………….. 208
24.2.2. Proces zmian stanów eksploatacyjnych obiektów technicznych 209
24.3. Parametry obiektów systemu eksploatacji...……………………………. 211
24.4. Nośniki informacji o stanie obiektu eksploatacji……………………….. 211
24.5. Diagnostyka techniczna ………………………………………………… 214
24.6. Miejsce diagnostyki w „życiu” obiektu………………………………… 217
24.6.1. Diagnostyka eksploatacyjna ………………………………………… 218
24.6.2. Projektowanie diagnostyki maszyn…………………………..…… 219
24.7. Przeglądy techniczne maszyn i urządzeń………………………………. 219
24.8. Remonty maszyn i urządzeń …………………………………………… 222
5
_________________________________________________________________________________________________________________

24.8.1. Metody i techniki regeneracji obiektów technicznych…………… 223
24.8.2. Przygotowanie prac obsługowo-naprawczych…………………… 225
24.8.3. Realizacja prac obsługowo-naprawczych………………………… 225
25. Procesy i zdarzenia eksploatacyjne ……………………………………..……. 228
25.1. Rodzaje modeli procesów eksploatacji…………………………………. 228
25.1.1. Modele procesów eksploatacji obiektów naprawialnych…………. 230
25.1.2. Model procesu eksploatacji jako ciągu stanów…………………… 232
25.2. Czynniki działające na obiekt techniczny………………………………. 233
25.3. Uszkodzenia obiektów technicznych…………………………………… 234
25.4. Procesy zużyciowe w eksploatacji obiektów technicznych…………….. 236
25.4.1. Tarcie……………………………………………………………… 236
25.4.2. Obciążenia zmienne.……………………………………………… 238
25.4.3. Korozja…………………………………………………………… 238
26. Niezawodność obiektów eksploatacji…………………...……………………. 240
26.1. Niezawodność i trwałość obiektów eksploatacji……………………….. 240
26.2. Kryteria niezawodność obiektów nieodnawialnych …………………… 242
26.3. Kryteria niezawodności obiektów odnawialnych…. ………………...... 244
26.4. Analiza niezawodności obiektów technicznych…….…………………. 245
25.4.1. Metoda wędrującego ogniwa…………………………………….. 246
26.5. Kontrola jakości obiektów technicznych……..…….………………….. 248
27. Zarządzanie eksploatacją obiektów technicznych …………………………… 251
27.1. Strategie eksploatacji maszyn..……………………………………….… 251
27.1.1. Strategia według niezawodności…………………………………. 251
27.1.2. Strategia według efektywności ekonomicznej…………………… 251
27.1.3. Strategia według resursu( potencjału eksploatacyjnego)………… 252
27.1.4. Strategia według ilości wykonanej pracy………………………… 252
27.1.5. Strategia według stanu technicznego………..…………………… 253
27.1.6. Autoryzowana strategia istnienia maszyny….…………………… 253
27.1.7. Strategia mieszana……………………………………………….. 254
27.2. TPM - Kompleksowe utrzymanie produktywności……………………. 254
27.3. Technologie informatyczne w eksploatacji maszyn…………………… 255
27.3.1. Właściwości systemu informatycznego eksploatacji……………. 255
27.4. Informatyzacja w systemie kierowania eksploatacją..………………… 256
27.5. Budowa systemu informatycznego eksploatacji
maszyn (wg [22])……………………………….………………….………… 258
Literatura do części III……………………………………………………………. 259

6
_________________________________________________________________________________________________________________

1. Znormalizowane elementy arkusza

1.1. Forma graficzna arkusza

W normie PN-EN ISO 5457: 2002 ustalono wielkość i układ arkuszy rysunkowych,
stosowanych do wykonywania rysunków technicznych, łącznie z wykonywanymi z
zastosowaniem komputera. Uprzywilejowane formaty arkuszy, także pola rysunkowe głównej
serii A (PN-EN ISO 216: 2007) podano w tablicy 1.1.
W razie potrzeby mogą być stosowane formaty pochodne przez zwielokrotnienie
krótszych boków zasadniczych. Budowę systemu formatów pochodnych przedstawiono na
rysunku 1.1.
Rysunek 1.1
Tablica 1.1. Formaty arkuszy rysunkowych

Format od A3 do A0 Format A4
Oznaczenie Arkusz obcięty Pole rysunkowe Arkusz nieobcięty
a1 b1 a2 b2 a3 b3
A0 841 1189 821 1159 880 1230
A1 594 841 574 811 625 880
A2 420 594 400 564 450 625
A3 297 420 277 390 330 450
A4 210 297 180 277 240 330
7
_________________________________________________________________________________________________________________

Przykład arkusza rysunkowego o formacie A3 przedstawiono na rysunku 1.2.

Rysunek 1.2

8
_________________________________________________________________________________________________________________

Wszystkie formaty rysunkowe powinny posiadać:
- ramkę ograniczająca pole rysunkowe wykonane linią ciągłą o grubości 0,7mm
- obramowanie siatki odniesienia wykonane linią ciągłą o grubości 0,35mm z
odsunięciem 5mm na zewnątrz pola rysunkowego
- cztery znaki centrujące (dla formatów od A0 do A3) rysowane linią ciągłą o
grubości 0,7mm i długości 10mm, umieszczone na końcach dwóch osi symetrii
arkusza obciętego, których początek jest na linii obramowania siatki odniesienia.
Znaki te ułatwiają usytuowanie rysunku do reprodukcji lub mikrofilmowania.
- pól siatki odniesienia o długości 50mm, z początkiem podziału w obie strony od
znaków centrujących. Zaleca się oznaczanie pól na obu bokach arkusza: od góry
do dołu wielkimi literami (bez litery I i O) i od lewej do prawej cyframi. Na
formacie A4 litery i cyfry są umieszczone tylko u góry i na prawym boku. Litery i
cyfry powinny być pisane pismem rodzaju B, wysokości 3,5mm. Pola te pozwalają
na łatwiejszą lokalizacje na rysunku szczegółów, poprawek, zmian itp.
- tabliczkę rysunkową (PN-EN ISO 7200:2007) na formatach od A0 do A3
umieszczoną w prawym dolnym rogu pola rysunkowego. Kierunek czytania
rysunków jest zgodny z zamieszczoną tabliczką rysunkową.
- znaki obcięcia w narożach obciętego arkusza, w kształcie dwu zachodzących na
siebie prostokątów o wymiarach 10x5mm. Znaki obcięcia wykonuje się tylko
wtedy, jeżeli na arkuszu ma być wykonanych kilka oddzielnych rysunków i kopie
tego arkusza będą cięte na odpowiednie formaty.
- oznaczenie formatu arkusza rysunkowego umieszczone w prawym dolnym rogu
pola siatki.

1.2. Pismo techniczne

W opisywania dokumentacji technicznej stosuje się pismo rodzaju A, B, CA i CB
(PN-EN ISO 3098-0:2002), proste lub pochyłe, nachylone pod kątem 75º do poziomu. Pismo
rodzaju CA i CB stosowane jest w kreśleniu sterowanym numerycznie w CAD (PN-EN ISO
3098-5:2002). Zalecane jest stosowanie pisma prostego rodzaju B i CB. Wielkość nominalna
pisma jest określona wysokością (h) zarysu wielkich liter (tablica 1.2).

9
_________________________________________________________________________________________________________________

Tablica 1.2. Wymiarowanie pisma rodzaju B

Cecha Krotność Wymiary w mm
h
h (10/10)h 1,8 2,5 3,5 5 7 10 14 20
c1 (7/10)h 1,26 1,75 2,5 3,5 5 7 10 14
c2 (3/10)h 0,54 0,75 1,05 1,5 2,1 3 4,2 6
a (2/10)h 0,36 0,5 0,7 1 1,4 2 2,8 4
b1 (13/10)h 2,34 3,25 4,55 6,5 9,1 13 18,2 26
b2 (15/10)h 2,7 3,75 5,25 7,5 10,5 15 21 30
e (6/10)h 1,08 1,5 2,1 3 4,2 6 8,4 12
d (1/10)h 0,18 0,25 0,35 0,5 0,7 1 1,4 2

1.3. Podziałki

Podziałką nazywamy stosunek wymiaru liniowego elementu przedmiotu
przedstawionego na rysunku do wymiaru tego samego elementu na przedmiocie. Zgodnie z
normą PN-EN ISO 5455: 1998 rozróżniamy podziałki:
- naturalną 1:1
- zwiększającą 50:1, 20:1, 10:1, 5:1, 2:1
- zmniejszającą 1:2, 1:5, 1:10, 1:20, 1:50, 1:100
1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000, 1:10000
Wartości podziałki stosowanej na rysunku należy wpisać do tabliczki rysunkowej w
miejscu do tego przeznaczonym. Jeżeli na rysunku jest konieczne użycie więcej niż jednej
podziałki, w tabliczce rysunkowej należy wpisać tylko podziałkę główną, zaś wszystkie
pozostałe, w pobliżu numeru pozycji lub literowego oznaczenia odpowiedniego szczegółu
widoku (lub przekroju).

1.4. Wymagania podstawowe dotyczące linii

W normie PN-EN ISO 128-20:2002 ustalono rodzaje linii, ich oznaczenia i kształt
oraz zasady ogólne kreślenia linii stosowanych w rysunku technicznym.
Rozróżnia się linie bardzo grube (o grubości 4d), grube (o grubości 2d) i linie cienkie
(o grubości d). Grubość d wszystkich rodzajów linii powinna być równa jednej z podanych
niżej wartości, zależnie od rodzaju i formatu rysunku.
0,13mm, 0,18mm, 0,25mm, 0,35mm, 0,5mm, 0,7mm, 1mm, 1,4mm, 2mm

10