Publikacje naukowe

„Przekładnie zębate”

Eugeniusz Świtoński, Antoni Skoć

Niniejsza publikacja kompleksowo omawia teoretyczne i praktyczne zagadnie­nia związane z projektowaniem przekładni zębatych stosowanych w systemach napędowych maszyn. Przedstawione w opracowaniu metody doboru wielko­ści podstawowych i obliczeń wytrzymałościowych kół zębatych (wg ISO) z po­wodzeniem można odnieść do każdego z zastosowań przemysłowych. Książka dostarcza wiadomości nie tylko w odniesieniu do problemów dotyczących pro­jektowania przekładni zębatych, ale także związanych z ich eksploatacją.

W dążeniu do stworzenia optymalnej konstrukcji na ogół stosowane jest rozwią­zanie kompromisowe, w którym uwzględniane są stawiane wymagania, często wzajemnie rozbieżne, a nawet sprzeczne. Projektant musi zatem umieć wyko­rzystać przede wszystkim istniejące możliwości konstrukcyjne przekładni. To z kolei wymaga szerokiej wiedzy o wpływie parametrów geometrycznych i tech­nologicznych oraz czynników eksploatacyjnych na procesy zachodzące podczas eksploatacji.

Dzięki lekturze „Przekładnie zębate” Czytelnik pozna i utrwali m.in.:

  • podstawowe pojęcia związane z geometrią i kinematyką zazębienia,
  • zasady obliczania obciążenia i wytrzymałości zmęczeniowej zazębienia na zginanie i pitting (wg ISO) oraz odporności na zatarcie i zagrzanie,
  • wymagania stawiane materiałom na koła zębate,
  • sposoby smarowania przekładni i wymagania stąd wynikające,
  • problematykę związaną z wpływem parametrów geometrycznych i tech­nologicznych oraz czynników eksploatacyjnych na hałas emitowany przez przekładnie.

„Optymalizacja cech dynamicznych nieliniowych procesów cięcia”

Jarosław Kaczmarczyk

W monografii przedstawiono modelowanie i optymalizację wybranych parametrów w ustalonym, jak również nieustalonym procesie cięcia na gilotynach. Do optymalizacji globalnej procesu cięcia zastosowano metodę hybrydową polegającą na połączeniu metody algorytmów genetycznych z klasyczną metodą gradientów sprzężonych z uwzględnieniem metody kar oraz metodę optymalizacji wielokryterialnej. Algorytmy genetyczne z powodzeniem nadają się do optymalizacji wybranych cech dynamicznych procesu cięcia, ponieważ należą do algorytmów probabilistycznych, jednak różnią się one znacznie od algorytmów czysto losowych, gdyż łączą elementy przeszukiwania bezpośredniego i stochastycznego. Przyczyną podjęcia takich badań są losowe, często pojawiające się niepożądane defekty w przekroju poprzecznym przecinanych pakietów blach. Celem pracy jest minimalizacja liczby powstających defektów lub, jeśli to możliwe, całkowite ich wyeliminowanie.

Pracę podzielono na dwa etapy. W pierwszym etapie przeprowadzono statyczną liniową, jak również statyczną nieliniową analizę wytrzymałościową wykorzystującą metodę elementów skończonych. Przy użyciu profesjonalnego systemu komputerowego MSC.Patran z modułem liczącym MSC.Marc opracowano modele fizyczne uwzględniające nie tylko nieliniowości geometryczne, ale również materiałowe. W drugim etapie podjęto próbę przeprowadzenia dynamicznej liniowej i nieliniowej, sprzężonej, mechaniczno-termicznej symulacji dla nieustalonego procesu cięcia. Symulacja taka była trudna do zrealizowania z wykorzystaniem wyżej wymienionych profesjonalnych systemów komputerowych i w związku z tym opracowano własny autorski moduł oparty na metodzie elementów skończonych przy użyciu systemu komputerowego C++ Builder firmy Borland International. Opisywany moduł obliczeniowy opracowano zgodnie z architekturą klas: konkretnych, polimorficznych i abstrakcyjnych, które można łatwo zaimplementować do profesjonalnych systemów opartych na metodzie elementów skończonych. Z powodu dużej liczby obliczeń (silnie nieliniowa analiza dynamiczna) wykorzystano dostępne funkcje w języku C++ do obliczeń jednoczesnych (współbieżnych) w taki sposób, aby można było je prowadzić na dowolnej liczbie rdzeni współczesnej generacji procesorów. W komputerach wieloprocesorowych poszczególne procesy są w stanie wykonać odnośny wątek w sposób niezależny.

Modelowanie i symulacja numeryczna nieliniowych sprzężonych zagadnień mechaniczno-termicznych byłaby wręcz niemożliwa bez zastosowania metod i algorytmów grafiki trójwymiarowej, pozwalającej na wizualizację wyników obliczeń numerycznych w postaci barwnych warstwic i animacji modelowanych zjawisk takich wielkości fizycznych, jak temperatury, naprężenia, odkształcenia itp. Wspomniana wizualizacja jest możliwa dzięki zastosowaniu i wykorzystaniu możliwości popularnej ostatnio, bardzo szybkiej, przenośnej biblioteki OpenGL określanej mianem interfejsu programowego dla sprzętu graficznego firmy Silicon Graphics, Inc. (SGI) - światowego lidera w grafice i animacji komputerowej.

Wyniki obliczeń numerycznych weryfikowano na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych dotyczących cięcia pakietów blach różnych metali. W tym celu zaprojektowano nowatorską gilotynę do cięcia pakietów blach, która w odróżnieniu od tradycyjnych maszyn stosowanych w przemyśle pozwalających na przecinanie pod pewnym ustalonym kątem, charakteryzuje się możliwością cięcia pod dowolnym kątem, w pewnym ustalonym zakresie w odniesieniu do roboczej powierzchni poziomego stołu gilotyny. Badania eksperymentalne polegały na pomiarze szybkozmiennych sił na ostrzu noża oraz temperatury w pakietach blach w trakcie procesu cięcia.

Badania, których wyniki przedstawiono w niniejszej pracy, zostały zrealizowane w ramach projektu finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr N N503 326435 „Optymalizacja cech dynamicznych nieliniowych procesów cięcia” w latach 2008÷2011 na Politechnice Śląskiej.

„Model symulacyjny tłumika hydraulicznego na potrzeby szybkiego prototypowania”

Praca zbiorowa pod redakcją: Grzegorza Wszołka

Niniejsza monografia przedstawia teoretyczny i eksperymentalny rozwój metodologii matematycznego modelowania tłumików hydraulicznych, których zaproponowane modele matematyczne zostały zweryfikowane na podstawie testów prowadzonych na testerze serwohydrualicznym. Zaproponowana metodologia modelowania tłumików pozwoli na określenie ich właściwości trakcyjnych, ze szczególnym uwzględnieniem wysokoczęstotliwościowych (<1 kHz) charakterystyk drganiowych tłumika hydraulicznego, które w chwili obecnej są najważniejszym z czynników branych pod uwagę podczas tworzenia nowych konstrukcji samochodów.

Monografia przedstawia rozwój matematycznego modelu symulacyjnego, rekonstruującego warunki testów laboratoryjnych. Użyty model symulacyjny składa się z: modelu tłumika hydraulicznego, stanowiska testowego oraz elementów mocujących. Wejściem modelu symulacyjnego są: zadany sygnał testujący i parametry trakcyjne, w szczególności uwzględniające pożądane charakterystyki drganiowe oraz charakterystyki sił tłumienia. Wyjściem modelu symulacyjnego są sygnały dostępne pomiarowo na stanowisku testowym, przede wszystkim sygnał przyśpieszenia tłoczyska, który pozwoli na bezpośrednie odniesienie się do charakterystyk drganiowych przedstawianych w zapytaniach ofertowych klientów.

Wyniki badań przeprowadzonych w ramach niniejszej publikacji mogą zostać rozszerzone na klasę układów mechaniczno-hydraulicznych o podobnych funkcjach w zakresie tłumienia drgań. Tego typu układy są powszechnie stosowane w przemyśle jako: wibroizolatory drgań maszyn, separatory drgań czułych maszyn pomiarowych, systemy zawieszeń prowadzenia naziemnego aparatów latających i dużej liczby pojazdów samochodowych oraz w przemyśle kosmicznym. Użytecznym, aczkolwiek dalszym rozwinięciem rozważanego podejścia może stać się sformułowanie ogólnych zasad projektowych dotyczących reguł doboru parametrów geometrycznych i fizycznych układów klasy tłumik na podstawie metody planowania eksperymentu oraz rozszerzonych testów, z uwzględnieniem zmian geometrii tłumików.

Treść monografii jest uzupełniona pomocniczymi rozdziałami, w których przedstawiono wyniki pomiarów oraz pokazano wewnętrzną budowę tłumików.

„Badania modelowe i doświadczalne procesów dynamicznych cięcia gilotynowego pakietów blach poligraficznych”

Damian Gąsiorek

W monografii przedstawiono główne aspekty cięcia blach kompozytowych, na przykładzie cięcia aluminiowych blach poligraficznych. Skupiono się na badaniach numerycznych i doświadczalnych, których celem było potwierdzenie poprawności modeli numerycznych.

Przedstawiono ogólne informacje dotyczące procesu cięcia, w szczególności zaś cięcia mechanicznego na gilotynie. Cięcie oraz zjawiska mu towarzyszące ukazano na przykładzie procesu oddzielania materiału w postaci pakietów płyt poligraficznych, które stanowią przykład materiału kompozytowego.

W części numerycznej za cel badania przyjęto opracowanie modelu numerycznego procesu cięcia blach. W pierwszym etapie opracowano model numeryczny, odwzorowujący główne elementy stanowiska, z zastosowaniem metody elementów skończonych. Jednym z wyzwań, z którymi się autor spotkał podczas rozwijania modelu numerycznego, była potrzeba przekroczenia bariery związanej ze skalą odzwierciedlanego procesu. Z jednej strony istniała potrzeba ukazania globalnego stanowiska badawczego, a z drugiej niezbędnym elementem prowadzonych badań była potrzeba opracowania modelu numerycznego procesu cięcia. Jest to obecnie jeden z bardziej złożonych problemów i dotyczy tzw. wieloskalowości. Do nowych wyzwań niewątpliwie można zaliczyć także metody wieloskalowe i wielopolowe, które obejmują szeroki zakres skal przestrzennych i czasowych oraz łączą różne typy zjawisk fizycznych i metody obliczeń zjawisk makroskopowych. Bierze się przy tym pod uwagę własności materiałów i proces wytwarzania, z uwzględnieniem zachowań w skalach niższych i sprzężenia między tymi skalami, co zaowocowało pojawieniem się konieczności opracowania modeli dwóch wielkości, połączonych w jednym rozwiązaniu. W monografii przedstawiono dwa modele numeryczne: MES i MES+SPH.

Ogólnie w modelach odzwierciedlono układ warstw blach (3×30 warstw), jak też układ trzech warstw kartonów, rozdzielających 30-warstwowe pakiety blach aluminiowych. Do opisu zachowania się materiału blach aluminiowych zastosowano model konstytutywny Johnsona-Cooka, który pozwala opisać ośrodki sprężysto- -plastyczne, z uwzględnieniem np. warunku plastyczności Hubera-Misesa-Hencky’ego (H-M-H) oraz powiązać to z prędkością odkształceń. Do opisu zachowania się materiału warstw kartonu zaimplementowano model sprężysto-plastyczny materiału (tzw. model biliniowy).

W drugim, proponowanym, podejściu do modelowania procesu cięcia zaproponowano połączenie modelu MES z modelem bazującym na cząstkach hydrodynamicznych (metoda SPH). Za główny cel przyjęto tutaj dokładne odwzorowanie procesu utraty spójności w strukturze materiału blach aluminiowych pod wpływem przesuwającego się ostrza. Wydzielony obszar w miejscu kontaktu z ostrzem gilotyny i uzyskanie procesu dekohezji materii opisano regularną „siatką” cząstek SPH, co ma duże znaczenie do opisu zjawisk dużych deformacji oraz defragmentacji struktur. Pozostały obszar/przestrzeń, poza wyżej wspomnianym, opisano tak, jak w modelu pierwszym, siatką ośmiowęzłowych elementów skończonych. Obie przestrzenie, tzn. dyskretną MES i bezsiatkową SPH, połączono z zastosowaniem metody więzów kinematycznych.

Badania doświadczalne wykonano na specjalnie zaprojektowanym stanowisku badawczym, umieszczonym w dynamicznej maszynie wytrzymałościowej MTS 858. Zaletą stanowiska pomiarowego było użycie dużej liczby czujników (siły, przemieszczenia), co pozwoliło na dokładną kontrolę parametrów cięcia. Dodatkowo, nowym rozwiązaniem było wprowadzenie pionowego ruchu noża, co w przyszłości może uprościć budowę przyszłych maszyn do cięcia blach kompozytowych. Badania były wieloetapowe i obejmowały obserwację procesu cięcia zarówno za pomocą kamer do rejestracji zjawisk szybkozmiennych, termowizyjnych, jak i pomiar sił cięcia przy różnych zmiennych parametrach cięcia, takich jak kąt ostrza, karton przekładkowy. Autor wykonał również badania powierzchni krawędzi blach po cięciu różnymi metodami (standardowa gilotyna o ruchu wahadłowym noża, stanowisko badawcze o pionowym ruchu noża i nożyce krążkowe o nożach w postaci krążków).

Opracowane modele dynamiczne cięcia pakietów blach cechuje znaczny stopień uogólnienia, dzięki czemu mogą być zastosowane do analizy cięcia szerokiej klasy materiałów kompozytowych. Badania doświadczalne wskazują natomiast na możliwości rozwiązania problemów, które występują przy cięciu pakietów blach kompozytowych przekładanych przekładkami kartonowymi.

„Identyfikacja zagrożeń załogi pojazdów specjalnych podczas wybuchu”

Edyta Krzystała, Sławomir Kciuk, Arkadiusz Mężyk

Monografia wpisuje się w nurt badań naukowych w zakresie ochrony przeciwminowej załóg wojskowych pojazdów kołowych. Ukierunkowana jest na identyfikację i minimalizację wpływu oddziaływania fali uderzeniowej wybuchu na załogę pojazdów specjalnych.

W pracy opracowano metodę identyfikacji obciążenia załogi w wyniku wybuchu ładunku pod kołowym pojazdem wojskowym, obejmującą badania doświadczalne i modelowe. W ramach pracy przeprowadzono dwie serie kompleksowych badań poligonowych prototypowego kołowego pojazdu specjalnego. Głównym celem badań było zweryfikowanie minoodporności pojazdu zgodnie z czwartym poziomem STANAG 4569 oraz identyfikacja wpływu oddziaływania fali uderzeniowej na załogę. Ponadto w ramach badań zweryfikowano skuteczność zastosowanych środków ochronnych załogi wewnątrz pojazdu, takich jak prototypowy fotel przeciwwybuchowy oraz mata energochłonna pod kończyny dolne żołnierzy.

W opracowanej metodzie wprowadzono dodatkowe kryterium szacowania stopnia zagrożenia załogi poprzez pomiar ciśnienia oddziałującego na głowę, a dokładnie na aparat słuchu żołnierzy. Element ten jest unikatową częścią badań co najmniej na skalę krajową. W ramach pracy opracowano i wdrożono innowacyjne rozwiązania, z których cztery to wynalazki zgłoszone do opatentowania w Urzędzie Patentowym RP.

Sposoby minimalizowania zagrożeń i zwrócenie uwagi na pomijany do tej pory w badaniach aparat słuchu są głównymi atutami niniejszej pracy. Wyniki przeprowadzonych badań mają duże znaczenie dla ochrony zdrowia i życia żołnierzy przebywających na misjach.

„Minimalizacja drgań mechatronicznych napędów maszyn roboczych”

Paweł Bachorz, Damian Gąsiorek, Krzysztof Kawlewski, Arkadiusz Mężyk, Zdzisław Rak, Eugeniusz Świtoński, Tomasz Trawiński

W monografii przedstawiono metodykę modelowania układów napędowych z przekładniami zębatymi i sterowanymi napędami elektrycznymi. W opracowaniu skupiono się na najnowocześniejszym systemie sterowania silnikami indukcyjnymi, tj. sterowaniu wektorowym. Zagadnienia modelowania dynamiki złożonych układów mechatronicznych wymagają interdyscyplinarnego podejścia w trakcie identyfikacji modeli dynamicznych. Dlatego też opracowane modele składają się z modeli części mechanicznej oraz części elektrycznej, sprzężonych ze sobą poprzez prędkość kątową wirnika silnika napędowego i moment elektromechaniczny.

Wyniki badań przedstawionych w monografii dotyczą opracowania modelu matematycznego, algorytmu obliczeń numerycznych oraz sformułowania zadania optymalizacji mechatronicznego układu napędowego, składającego się z silnika ze sterowaniem wektorowym oraz przekładni zębatej. Opracowany model dynamiczny układu napędowego oraz algorytmy obliczeń z wykorzystaniem zapisu macierzowego cechuje znaczny stopień uogólnienia, przez co mogą być zastosowane do analizy i optymalizacji szerokiej klasy mechatronicznych układów napędowych, m. in. ze sterowaniem wektorowym. Oprogramowanie wykorzystane w obliczeniach numerycznych, których wyniki zaprezentowano w niniejszej monografii, może być wykorzystane w procesie projektowo-konstrukcyjnym układów napędowych maszyn z uwzględnieniem wpływu sztywności korpusów na charakterystyki dynamiczne układów.

Wydawca / rok wydania: Instytut Technologii Eksploatacji – PIB/2012
Ilość stron / format / oprawa: 166/B5/twarda
ISBN: 978-83-7789-162-9

„Modelowanie i symulacja numeryczna zjawisk dynamicznych w elektrycznych pojazdach szynowych”

Sławomir Duda

W pracy przedstawiono metodykę modelowania ruchu elektrycznego pojazdu szynowego po dowolnym torze, w tym podczas ruchu przez szczególny rodzaj toru, jakim jest rozjazd kolejowy. Ruch pojazdu jest następstwem przenoszenia przez układ napędowy na koła pojazdu momentu elektromechanicznego generowanego przez silnik elektryczny, natomiast odpowiednie prowadzenie pojazdu jest skutkiem sił kontaktowych na powierzchni koła z szyną. Opracowano adekwatne modele: elektromechaniczny (połączeń silników elektrycznych stanowiących napęd pojazdu szynowego), pojazdu wraz z układem napędowym oraz kontaktu koło - szyna. Modele te zaimplementowano w środowisku Matlab/Simulink.

Wydawca / rok wydania: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2012
Ilość stron / format / oprawa: 156/B5/miękka
ISBN: 978-83-7335-994-9

„Biomechanika narządu ruchu człowieka”

praca zbiorowa pod redakcją: Dagmary Tejszerskiej, Eugeniusza Świtońskiego, Marka Gzika

(…) Książka stanowi zwarte opracowanie obejmujące zarys ogólnej wiedzy z biomechaniki narządu ruchu człowieka wzbogacony o doświadczenia Zespołu Biomechaników Katedry Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej Politechniki Śląskiej. Od kilkunastu lat w Katedrze prowadzone są badania naukowe szczególnie koncentrujące się wokół zagadnień wewnętrznych oddziaływań w układzie szkieletowo-mięśniowym, przyczyn i skutków ruchu człowieka oraz konsekwencji przeciążeń struktur tkanek biologicznych. Wyniki prowadzonych badań były podstawą pracy habilitacyjnej i kilkunastu prac doktorskich. W większości prace badawcze realizowane są przy współudziale przedstawicieli środowisk medycznych i sportu. Opisana została biomechanika narządu ruchu człowieka z uwzględnieniem anatomii, fizjologii i mechaniki w aspekcie badań modelowych. Treści rozdziałów pochodzą z nauk medycznych, jak i technicznych. Książka jest zalecana w procesie kształcenia kadr biomechaników o specjalnościach związanych z inżynierią biomedyczną i sportem, ale również kierowana jest jako element uzupełnienia wiedzy do lekarzy ortopedów, neurochirurgów oraz fizjoterapeutów. (…)

Wydawca / rok wydania: Instytut Technologii Eksploatacji – PIB/2011
Ilość stron / format / oprawa: 492/B5/twarda
ISBN: 978-83-7204-998-8