Projekt okładki i stron tytułowych: Przemysław Spiechowski, Adam Prentki

Ilustracje na okładce: Adam Prentki

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Mieczysława Kompanowska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Lewocka (magdalena.lewocka@pwn.pl)
Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.: Michał Latusek

Recenzent: prof. dr hab. inż. Andrzej Tomporowski

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2023

ISBN 978-83-01-22690-9

https://doi.org/10.53271/2022.076

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2023r. (Wydanie I)

Warszawa 2023

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl, reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Fragment

Wstęp

1. Wprowadzenie

1.1. Język, znaki, przedmiot i zakres zapisu konstrukcji

1.2. Model systemowy w działaniach technicznych

1.3. Konstrukcja, cechy konstrukcyjne, zapis w procesie projektowo-konstrukcyjnym

2. Formy i elementy grafiki konstrukcyjnej

2.1. Rysunki, metoda Monge’a, konstrukcje geometryczne

Zadania do samodzielnego wykonania

Zadania do samodzielnego wykonania

2.2. Linie jako znaki zapisu graficznego

2.3. Elementy normalizacji zapisu

2.4. Rzuty prostokątne – metoda europejska i amerykańska

Zadania do samodzielnego wykonania

2.5. Rzuty aksonometryczne

Zadania do samodzielnego wykonania

2.6. Widoki i przekroje

Zadania do samodzielnego wykonania

3. Wymiarowanie

Zadania do samodzielnego wykonania

4. Elementy rysunku maszynowego

4.1. Stosowanie uproszczeń w zapisie konstrukcji

Zadania do samodzielnego wykonania

4.2. Elementy rysunku maszynowego – opis struktury zewnętrznej

4.3. Rysunki elementów i mechanizmów maszyn

4.4. Rysunki wykonawcze i złożeniowe

4.5. Zapis schematyczny i symboliczny

5. Elementy rysunku hydraulicznego, pneumatycznego i elektrycznego

6. Współczesne formy zapisu konstrukcji (SolidWorks)

Rozwiązania

Bibliografia

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

♦ Wstęp ♦

Umiejętność poprawnego stosowania zapisu graficznego na studiach o specjalnościach technicznych jest ważnym elementem efektywnego „porozumiewania się” w sensie przekazu myśli, w którym zwięzłość formy, czytelność, a jednocześnie niezbędny zasób informacji są podstawowymi kryteriami. Biegłość w wykonywaniu rysunków podczas wykładu (szkice), ćwiczeń laboratoryjnych (rysunki schematów, stanowisk, wykresy), a przede wszystkim podczas zajęć z zakresu projektowania stanowi niezwykle cenny dar operowania zbiorem elementów graficznych zrozumiałych dla autora, ale również dla odbiorcy.

Z reguły na pierwszym roku studiów studenci zdobywają niezbędną wiedzę teoretyczną i praktyczną w ramach przedmiotów rysunek techniczny czy geometria wykreślna. Poza opanowaniem ogólnych zasad i poznaniem reguł z zakresu rysunku technicznego, elementów normalizacji, dużą uwagę przywiązuje się do zajęć twórczych wzbogacających wyobraźnię przestrzenną. Bogata bibliografia krajowa i zagraniczna oferuje szereg pozycji z zakresu rysunku technicznego dotyczącego metodyki nauczania, preferencji dla wybranego profilu kształcenia, różnorodności ćwiczeń rysunkowych, m.in. [1–12, 14, 16–23, 25–28, 34, 36–39, 41–50, 52–54, 59–75, 77–82]. Jednak szczegółowy i ostateczny dobór materiału wraz z formą przekazu ustalany jest przez prowadzącego dany przedmiot, przy uwzględnieniu poziomu przygotowania studenta i oczekiwań na kolejnych latach, zależnie od specjalności i kierunku oraz liczby godzin ćwiczeniowych i wykładów.

Niniejszy podręcznik powstał w oparciu o wieloletnie doświadczenie dydaktyczne i wynikającą z niego potrzebę wprowadzenia różnorodności ćwiczeń uwzględniających współczesne formy i środki zapisu graficznego.

Ze względu na profil prowadzonej działalności naukowo-badawczej związanej z aspektami konstrukcyjnymi maszyn rozdrabniających w przetwórstwie tworzyw polimerowych i materiałów roślinnych, realizowany w zespole naukowym Pana Profesora Józefa Flizikowskiego, w książce znalazły się zagadnienia przybliżające budowę i zapis konstrukcji układów roboczych tej grupy maszyn [29–33, 57]. Ta różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych wynika ze specyfiki rozdrabnianego materiału, jego postaci i właściwości oraz oczekiwań związanych z produktem rozdrabniania.

Satysfakcją autora będzie spełnienie (przynajmniej częściowo) dwóch założeń:

• poznanie ogólnych zasad rysunku technicznego i nabycie umiejętności sporządzania zapisu konstrukcji zgodnie z obowiązującymi normami,

• przyswojenie techniki sporządzania zapisu z uwzględnieniem współczesnych metod komputerowych.

Ze względu na ograniczoną objętość książki w wielu przypadkach zrezygnowano z rozbudowanego opisu teoretycznego, koncentrując się na selektywnym przedstawieniu najbardziej istotnych (wg autora) zagadnień rysunku technicznego. W tych przypadkach podano jednocześnie źródła literaturowe dla zainteresowanych poszerzeniem swej wiedzy.

Mimo dynamicznie rozwijających się metod zapisu komputerowego, duży nacisk położony jest na umiejętności tradycyjnego sporządzania rysunków w standardzie: „kartka–ołówek” oraz podstawy wizualizacji przestrzennej. Z tego powodu w książce znalazły się wybrane zagadnienia współczesnych standardów oraz sposoby tworzenia zapisu elementów i mechanizmów maszyn, które służą do weryfikacji założeń konstrukcyjnych już na etapie powstawania modeli w systemie komputerowym. Modele te zostały przygotowane i zweryfikowane w aplikacji SolidWorks użytkowanej przez pracowników i studentów Studenckiego Koła Naukowego Komputerowego Wspomagania Projektowania działającego od 20 lat na Uniwersytecie Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy, którym mam przyjemność się opiekować. Koło Naukowe, którego działalność została zainicjowana przez byłego studenta, obecnie specjalistę konstruktora mgr. inż. Adama Prentkiego, od początku angażowało się w projekty przygotowania koncepcji maszyn i urządzeń w standardzie 2D i 3D.

Książka może być wykorzystana jako przewodnik do ćwiczeń z rysunku technicznego, w którym poza omówieniem zagadnień teoretycznych zamieszczono przykłady do samodzielnego rozwiązania. Zawarto w niej adresy internetowe i repozytoria z szeregiem przykładów ułatwiających zrozumienie ważniejszych zagadnień, takich jak m.in. rzuty prostokątne, aksonometryczne, przekroje, wymiarowanie. Zadania przygotowane na bazie modeli przestrzennych mają na celu pobudzenie wyobraźni przestrzennej.

Aby wytłumaczyć się, przynajmniej częściowo, z podjętej decyzji o przygotowaniu książki, chciałbym zaproponować nieco inną, urozmaiconą formę przekazania powszechnie znanych reguł na przykładzie języka i zapisu rozwiązań konstrukcyjnych określonej grupy maszyn – rozdrabniaczy. Drugim argumentem jest propozycja zaoferowania różnorodności ćwiczeń, również poprzez zastosowanie współczesnych form projektowania komputerowego.

Podstawowym źródłem sukcesu w sensie umiejętności stosowania rysunku technicznego jako możliwość przedstawienia „tysiąca słów na jednym obrazie” jest przede wszystkim samodzielna praca i rozwiązywanie rozmaitych przykładów.

Jestem przekonany o znaczeniu rysunku technicznego, który ułatwia inżynierom porozumiewanie się i wymianę informacji na temat cech środka technicznego. Wierzę, że wiele tematów, szczególnie w zakresie interpretacji i wizualizacji zapisu, może być trudnych do zrozumienia. Z tych i innych powodów została opracowana ta książka, która porusza aspekty zarówno tradycyjnych, jak i nowoczesnych elementów grafiki technicznej, wykorzystując to, co z punktu widzenia autora wydaje się interesujące i jednocześnie gwarantuje wysoki poziom zrozumienia.

Wydaje się, że ciągle jesteśmy w fazie przejściowej od narzędzi ręcznych do komputerowych, a nacisk na edukację studenta ewoluuje z rysownika do „modelarza geometrii 3D”, używającego komputera zamiast kartki papieru i ołówka. Zdaję sobie sprawę, że szkicowanie ręczne będzie nadal ważną częścią inżynierii i rysunku technicznego jeszcze przez jakiś czas, dlatego też treść książki zawiera różnorodne zadania z zakresu szkicowania odręcznego.

W książce można znaleźć odniesienie do modeli trójwymiarowych jako wspólnego punktu komunikacji graficznej z typowymi rysunkami technicznymi rozumianymi jako inteligentny „produkt uboczny” modelu źródłowego. Jest zatem duży nacisk na ćwiczenia i problemy związane z modelowaniem bryłowym, jak również wskazanie na tę metodę modelowania jako istotną w celu tworzenia grafiki technicznej i inżynierskiej na potrzeby projektowania, dokumentacji, produkcji i zarządzania produktem.

W tym miejscu chciałbym bardzo podziękować współpracownikom, szczególnie koleżankom i kolegom z Wydziału Mechatroniki Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy kierowanego przez Dziekana Wydziału Pana Profesora Mariusza Kaczmarka. Bardzo dziękuję studentom Studenckiego Koła Naukowego Komputerowego Wspomagania Projektowania, którzy zawsze inspirowali swoimi pomysłami i potrafili „twórczo niepokoić” koncepcyjnymi przemyśleniami. Całościowym efektem tej współpracy jest prezentowana książka, w której zamieszczono obrazowe przedstawienie trudniejszych zagadnień. Rozwiązanie tych zadań może przynieść satysfakcję i oczekiwane rezultaty, w osiąganiu których autor życzy Czytelnikowi samych sukcesów.

Marek Macko

Na stronie dopobrania.pwn.pl będzie można znaleźć wybrane, atrakcyjne projekty dotyczące sposobów sporządzania rysunku technicznego (środowisko SolidWorks, pliki w standardzie 3D*.pdf).

1

♦ Wprowadzenie ♦

1.1. Język, znaki, przedmiot i zakres zapisu konstrukcji

Rysunek techniczny uważany jest jako jeden z pierwszych, ważniejszych przedmiotów przygotowujących do rozwiązywania problemów technicznych. Jako środek komunikacji między dowolnymi nadawcami i odbiorcami jest typowym tradycyjnym elementem zapisu rysunkowego. Wyróżnia się w nim znaki ikoniczne, symbole rysunkowe, elementy języka powszechnego, język (kody) zapisu układu wymiarów, które określone są normami krajowymi i międzynarodowymi. Dlatego tak ważne jest ich poznanie i stosowanie. Jest konsekwencją procesu projektowania, czyli doboru cech konstrukcyjnych, głównie cech geometrycznych w przypadku ich zapisu. Graficzny zapis konstrukcji przedstawia efekt pracy twórczej – np. rozwiązanie wyznaczone przez cechy konstrukcyjne: geometryczne, materiałowe i dynamiczne [5, 11, 13, 18–19, 22–23]. Cechy geometryczne opisane są przez geometryczną postać konstrukcyjną i układ wymiarów. Przyswojenie elementów zapisu konstrukcji ma istotne znaczenie w przygotowaniu studenta do twórczych działań projektowo-konstrukcyjnych. W nauczaniu rysunku technicznego uzasadnione jest wprowadzenie ogólnych zasad zapisu konstrukcji, gdyż są one podporządkowane dyscyplinom technicznym, głównie inżynierii mechanicznej.

Podstawowe pojęcia w teorii konstrukcji to cechy konstrukcyjne, konstruowanie, czyli dobór cech, oraz zapis konstrukcji, czyli zapis cech konstrukcyjnych [18, 19, 25, 29, 65–66, 70]. W takim kontekście wynika potrzeba jednoczesnego nauczania o konstrukcji i graficznym zapisie konstrukcji. Celem tej grupy przedmiotów powinno być przybliżenie ogólnych pojęć i problematyki projektowej, ważności konstruowania oraz przede wszystkim kształtowanie postaw kreatywnych, przygotowujących np. do twórczych działań projektowo-konstrukcyjnych [18, 19]. Opierają się one na zdolnościach wyobraźni przestrzennej, stanowiących ważny czynnik twórczego zachowania, a ich problemowe ujęcie zadań nobilituje do poszukiwania i tworzenia nowych, różnorodnych rozwiązań [72, 76].

Zgodnie z ogólnymi zasadami, celem rysunku technicznego jest utrwalenie myśli twórczej i przekazanie jej w odpowiedniej (czytelnej i zrozumiałej) formie do weryfikacji, a następnie na jej podstawie dopuszczenie projektowanego elementu do wytwarzania i eksploatacji. Właśnie dlatego rysunek techniczny jest zapisem informacji o środkach technicznych i stanowi komunikat, dzięki któremu możliwe staje się skuteczne porozumiewanie.

Zasady i reguły rysunku technicznego mają na celu ułatwienie niezawodnego porozumienia między nadawcami i odbiorcami występującymi w działaniach technicznych.

Jak sugeruje Rydzanicz [72, 73] „w procesie dydaktycznym stwarza się warunki do zwrócenia uwagi na niektóre zagadnienia konstrukcyjne, dotyczące przede wszystkim geometrycznej postaci konstrukcyjnej jako ważnego składnika cechy konstrukcyjnej”. Chodzi tu zarówno o pojedyncze elementy, jak i o bardziej złożone układy i mechanizmy. Proces kształcenia w zakresie przedmiotów o charakterze konstrukcyjnym należy do złożonych i wielopoziomowych, w których można wyróżnić cząstkowe etapy twórczego działania, takie jak powstanie informacji o środku technicznym, jej przetwarzanie i zapis.

Znane są powszechnie różne formy zapisu konstrukcji: rysunek techniczny, grafika inżynierska, opisy słowne, fotografia, materialne modele płaskie i przestrzenne itp. Z jednej strony zapisy te są nośnikami informacji, ale z drugiej tworzą rodzaj sprzężenia zwrotnego między projektantem a powstającymi w jego świadomości wyobrażeniami o konstrukcji. Ogromna różnorodność informacji (również technicznej) powoduje konieczność stosowania takich form zapisu, które będą czytelne nie tylko dla projektanta, konstruktora czy zespołu osób zaangażowanych w proces projektowo-konstrukcyjny, ale również dla osób spoza tego grona, z zastosowaniem współczesnych technik przekazu informacji, niezależnie od miejsca i języka, którym się posługują.

Już od dawna problem opracowania i utrwalenia czytelnej formy zapisu myśli twórczej intrygował umysły projektantów i konstruktorów. Wspólną cechą prezentowanych przez nich dzieł jest prosta forma przekazu i przejrzystość. Rozwój różnorodnych form zapisu konstrukcji można prześledzić na przykładzie wielu prac, począwszy od tych powstałych w czasach starożytnych, obejmujących analizy geometryczne, rysunki konstrukcyjne obiektów architektonicznych, budowli, prostych mechanizmów. W okresie średniowiecza możemy znaleźć rysunki odzwierciedlające cechy obiektów użytkowych. Weźmy np. zapis graficzny mechanizmu nawadniania i dystrybucji wody utworzony przez Leonarda da Vinci, uchodzącego za ikonę ludzkiej kreatywności i pomysłowości (rys. 1.1).

Rys. 1.1. Zapis mechanizmu nawadniania i dystrybucji wody utworzony przez Leonarda da Vinci w 1490 roku
Źródło: https://arthive.com/leonardodavinci/works/308215~Mechanism_for_irrigation_and_water_distribution

Tego typu dzieła zadziwiają nas swoją śmiałością i pomysłowością, a także pomagają nam zrozumieć, jak innowacyjne było podejście mistrza, zarówno w sztuce, jak i w mechanice. Sam rysunek wydaje się być zrozumiały, nawet teraz, po ponad pięciu wiekach. Wśród dokumentów Leonarda da Vinci znajdują się dziesiątki analiz geometrycznych, arytmetycznych, łacińskich zwrotów, studiów nad mechaniką i optyką jako dowód jego nieustannego zaangażowania w naukę. Jego ciekawość, duch obserwacji i wytrwałość leżą u podstaw niezwykłej kreatywności. Zwróćmy też uwagę na zapis wciągarki o trzech prędkościach wg projektu Felippe Brunelleschiego (rys. 1.2), jak precyzyjnie oddaje istotę funkcjonowania mechanizmu. Czy na podstawie takiego zapisu bylibyśmy w stanie po pierwsze zrozumieć zasadę działania, a po drugie odtworzyć i zaproponować budowę prototypu urządzenia?

Rys. 1.2. Zapis graficzny wciągarki o trzech prędkościach Felippe Brunelleschiego, wykonany przez Leonarda da Vinci, ok. 1480, Biblioteca Ambrosiana, Mediolan
Źródło: https://www.galileonet.it/leonardo-da-vinci-mostra-milano/

Kiedy przeniesiemy się w czasie o kolejny wiek, możemy znaleźć niezwykle szczegółowe formy zapisu urządzeń stosowanych w celu podwyższenia poziomu i komfortu życia, np. pomp przy studni (rys. 1.3).

Rys. 1.3. Zapis graficzny pompy przy studni wykonany w 1663 roku przez Jana Aleksandra
Źródło: https://polona.pl/item/rysunek-techniczny-pompy-przy-studni,MTE1NzgyMjMx/0/#info:metadata

Wyobraźmy sobie nakład pracy, jakiego wymagało sporządzenie rysunku w takiej formie zapisu konstrukcji, jak na przykład zapis części i mechanizmów stosowanych w technice wojskowej z XVIII wieku (rys. 1.4).

Rys. 1.4. Zapis graficzny części i mechanizmów w technice wojskowej wykonany w XVIII wieku przez nieznanego francuskiego projektanta
Źródło: https://polona.pl/item/rozne-mechanizmy-i-czesci-mechanizmow-wojskowych,MTMwODE4NzUz/0/#info:metadata

Zwróćmy uwagę na mechanizmy z gwintem, których odzwierciedlenie nawet dzisiaj może stanowić nie lada wyzwanie artystyczne. Czy taka forma jest po 200 latach zrozumiała dla współczesnego czytelnika (rys. 1.5)?

Rys. 1.5. Zapis graficzny elementów z gwintem wykonany w XVIII wieku przez nieznanego autora
Źródło: https://polona.pl/item/przyrzad-zelazny-z-gwintowanym-pretem-oraz-nakretka-i-klucze,MTMwODE4NzQ1/1/#info:metadata

Mechanizmy zębate, przekładnie stanowiły i nadal stanowią ważne podzespoły wielu maszyn. Sposób ich przedstawienia, mimo że nieco odbiega od współczesnych norm, wydaje się na tyle zrozumiały, że ich poznanie i odtworzenie funkcjonowania nie powinno nastręczać większych problemów (rys. 1.6).

Rys. 1.6. Zapis graficzny mechanizmów zębatych pochodzący z XVIII wieku wykonany przez nieznanego autora
Źródło: https://polona.pl/item/mechanizm-z-kolem-zebatym-przekroj-poprzeczny-i-pionowy,MTMwODE4NzU3/0/#info:metadata

W książce Hipolita Cegielskiego z 1863 roku „Praktyczna mechanika rolnicza” możemy znaleźć wiele rozwiązań konstrukcyjnych maszyn rolniczych, w większości konstruowanych i produkowanych w zakładach autora. Między innymi grupy maszyn służących do  rozdrabniania. Graficzny zapis tych maszyn równie wiernie odzwierciedla budowę i istotne cechy konstrukcyjne maszyn, takich jak śrutownik żarnowy (rys. 1.7) czy rozdrabniacz Bentalla (rys. 1.8).

Rys. 1.7. Zapis graficzny śrutownika żarnowego produkowanego w Zakładach Hipolita Cegielskiego pochodzący z książki „Praktyczna mechanika rolnicza” z 1863 roku
Źródło: https://polona.pl/item/praktyczna-mechanika-rolnicza-w-zastosowaniu-do-potrzeb-ziemian-polskich,OTI5MDg0NDk/122/#item

Rys. 1.8. Zapis graficzny rozdrabniacza Bentalla produkowanego w Zakładach Hipolita Cegielskiego pochodzący z książki „Praktyczna mechanika rolnicza” z 1863 roku
Źródło: https://polona.pl/item/praktyczna-mechanika-rolnicza-w-zastosowaniu-do-potrzeb-ziemian-polskich,OTI5MDg0NDk/117/#item

W tym miejscu należałoby również wspomnieć o zapisie graficznym projektowanych układów elektrycznych, np. schemat jaki można znaleźć w zgłoszeniu patentowym nieprzeciętnego twórcy Nikoli Tesli z 1898 roku „Metoda i aparatura do sterowania mechanizmami poruszających się statków lub samochodów” (rys. 1.9).

Projektowanie i konstruowanie rozumiane jako obmyślanie rozwiązań problemów technicznych nie byłoby możliwe bez korzystania z zapisu, który w każdej chwili stanowił formę rejestracji myśli na trwałym nośniku. Dzięki temu umysł został uwolniony od obciążeń drobiazgowymi informacjami, które powstają w trakcie twórczego działania. Zapis graficzny stanowi wówczas sekwencyjną rejestrację tego, co powstaje, uzmysławia konstruktorowi i projektantowi to, co zostało w szczegółach opracowane i może być poddane krytycznej analizie. W formie ostatecznej efekt pracy (np. projekt przekładni stożkowej) może być przedstawiony na rysunku złożeniowym wg obowiązujących standardów (rys. 1.10).

Rys. 1.9. Zapis graficzny schematu elektrycznego w zgłoszeniu patentowym Nikoli Tesli z 1898 roku „Metoda i aparatura do sterowania mechanizmami poruszających się statków lub samochodów”
Źródło: https://www.liveauctioneers.com/item/86727788_tesla-patents-an-archive-of-inventive-genius

Rys. 1.10. Zapis graficzny przekładni stożkowej wykonany w standardzie CAD – rysunek złożeniowy

Za pomocą współczesnych metod komputerowych, umożliwiających generowanie modeli w przestrzeni trójwymiarowej, nawet złożone układy mechanizmów maszyn można zaprezentować w sposób przejrzysty (rys. 1.11).

Rys. 1.11. Zapis graficzny postaci konstrukcyjnej układu rozdrabniacza wielotarczowego wykonany w standardzie 3D (SolidWorks)
Źródło: [31–33].

1.2. Model systemowy w działaniach technicznych

Rozwiązywanie problemów twórczych w procesie projektowania obejmuje również fazy rozwiązywania poszczególnych etapów powstawania pomysłów i idei. W myśleniu twórczym duże znaczenie mają cechy umysłu zwane zdolnościami twórczymi. Są to przede wszystkim [18–19, 40, 65, 76]: wrażliwość na problemy, czyli zdolność dostrzegania nowych problemów, giętkość i oryginalność myślenia.

Wszystkie wymienione tutaj elementy sprzyjają rozbudzeniu kreatywności studenta nie tylko w obszarze zagadnień typowo projektowych, ale również w większości przedsięwzięć podejmowanych przez młodego człowieka.

Istotnym elementem procesu projektowo-konstrukcyjnego jest koncypowanie konstrukcyjne (myślenie koncepcyjne), zmierzające do opracowania koncepcji postaci konstrukcyjnej. Koncypowanie należy do projektowania i tym różni się od konstruowania, że nie wyznacza szczegółowych własności wytworu. Koncepcją w sensie poszukiwań efektywnych systemów rozdrabniania będzie np. zaproponowanie ogólnego rozwiązania, zapewniającego złożony stan obciążeń, przy którym wystąpią korzystne warunki do dezintegracji tworzywa. Koncepcja postaci konstrukcyjnej wytworu różni się zatem stopniem uszczegółowienia od tego, co zostaje wyznaczone podczas konstruowania.

Elementy twórczego podejścia do projektowania, wdrażane do procesu projektowo-konstrukcyjnego stanowią podstawę do osiągnięcia zamierzonych celów. W projektowaniu obiektów technicznych dochodzi się do coraz to lepszych rozwiązań konstrukcyjnych spełniających założone kryteria. Na przykład w przypadku grupy maszyn rozdrabniających będą to konkretne efekty w postaci poprawy charakterystyk użytkowych. Trafny dobór odpowiedniego rozwiązania konstrukcyjnego gwarantuje np. obniżenie nakładów energetycznych na proces i podwyższenie sprawności. Z zagadnieniem sprawności związana jest wartość jednostkowego zapotrzebowania energetycznego na proces rozdrabniania jako miara energii potrzebnej na rozdrobnienie jednostki masy tworzywa. Stosunkowo wysokie wartości nie sprzyjają obniżeniu całkowitych nakładów na proces rozdrabniania zarówno w recyrkulacji, jak i w przetwórstwie tworzyw polimerowych [24, 30, 35, 51]. Stąd też w wielu ośrodkach naukowo-badawczych prowadzone są prace teoretyczne i aplikacyjne z zakresu rozdrabniania [32, 35, 51, 58]. Badania w tym kierunku prowadzono m.in. z rozdrabniaczami hiperboloidalnymi i wielotarczowymi opracowanymi i opatentowanymi przez zespół prof. Józefa Flizikowskiego [30–33]. Równie dynamicznie jak przetwórstwo tworzyw rozwijane są techniki zagospodarowania odpadów i odzysku tworzyw. Zakłada się, że w najbliższych latach ponad 95% tworzyw polimerowych traktowanych jako odpad poprodukcyjny będzie wprowadzone do powtórnego obiegu [30, 35, 51, 55–56, 58]. W procesie produkcyjnym oraz w recyrkulacji tworzyw niezbędnym etapem jest rozdrabnianie zarówno w początkowej, jak i końcowej fazie pełnego cyklu. Rozdrabniacze znajdują zastosowanie w procesach przetwórstwa chemicznego, spożywczego i ekologicznego. Do rozdrabniania stosowane są rozdrabniacze, których konstrukcja zależy m.in. od postaci tworzywa oraz od wymagań stawianych materiałom rozdrabnianym. Innymi cechami konstrukcyjnymi charakteryzuje się rozdrabniacz do małogabarytowych odpadów z tworzyw, takich jak opakowania, kształtki, elementy poużytkowe (rys. 1.12), a innymi do wielkogabarytowych elementów konstrukcyjnych, opakowań, skrzyń, palet itp. (rys. 1.13).

Rys. 1.12. Rozdrabnianie tworzyw małogabarytowych jako proces wstępny przygotowania tworzywa poużytkowego do powtórnego obiegu
Źródło: opracowanie własne.

Sposób rozdrobnienia zależy od wielu czynników. Inaczej będą rozdrabniane np. tworzywa termoplastyczne, które w procesie zbliżonym do cięcia osiągną odpowiedni stan dezintegracji, a  inaczej materiały kruche, dla których najbardziej efektywnym sposobem rozdrobnienia będzie uderzanie rozdrabnianych elementów z dużą prędkością elementu roboczego. Stąd w projektowaniu rozdrabniaczy dąży się do tego, aby wybrać najbardziej odpowiedni sposób zadawania obciążeń występujących w prezentowanych układach roboczych o różnorodnej postaci konstrukcyjnej rozdrabniaczy (rys. 1.13).

Rys. 1.13. Rozdrabnianie wstępne (zgrubne) jako proces zagospodarowania tworzyw poużytkowych i poprodukcyjnych
Źródło: opracowanie własne.

Według Dietrycha system jest przedmiotem projektowania, konstrukcja – przedmiotem konstruowania [18, 19]. System traktowany jest jako podstawa logiczna konstrukcji i działania środków technicznych. Podczas identyfikacji lub tworzenia systemu brane są pod uwagę konstrukcje istniejących środków technicznych lub nowe konstrukcje związane ze zmianami w ich układzie. Takie podejście nakłada na projektanta obowiązek dobrego przygotowania zaplecza koncepcyjnego, tym bardziej, że nauka o projektowaniu może i powinna być rozpatrywana w świetle aktualnych możliwości i potrzeb człowieka [11, 18, 19].

Rys. 1.14. Schematyczne przedstawienie wybranych rozwiązań konstrukcyjnych rozdrabniaczy (młynów): a) młyn kulowy, b) młyn trójwalcowy, c) łamacz walcowy, d) młyn wahadłowy, e) dezintegrator prętowy, f) rozdrabniacz bijakowy, g) młyn nożowy, h) rozdrabniacz wielotarczowy z pionowym ustawieniem tarcz, i) rozdrabniacz wielotarczowy z ukośnym ustawieniem tarcz
Źródło: [56].

Zakres projektowania jest bardzo obszerny i dotyczy w zasadzie wszystkich sfer działalności człowieka. Jeżeli rozpatrywane zagadnienia sprowadzimy do poziomu środka technicznego, to z tak uporządkowanego systemu wynika, że na początku występuje potrzeba, a możliwość jej zaspokojenia jest uwarunkowana konstrukcją. Wejściem I (input) i wyjściem O (output) środka technicznego może być energia, masa i informacja (rys. 1.14) [18, 19].

Rys. 1.15. Właściwości środka technicznego
Źródło: [18, 19].

1.3. Konstrukcja, cechy konstrukcyjne, zapis w procesie projektowo-konstrukcyjnym

Technika pojmowana jest jako wiedza o sposobach operowania materią. Działanie techniczne opiera się na podstawach tej wiedzy, a przedmiotem tego działania jest własność materialnych wyników osiągniętych dzięki sposobom działania. Teoria systemów technicznych i teoria konstrukcji umożliwiają racjonalne ujęcie istotnych własności środków technicznych i własności wytworów, które mają stać się tymi środkami. System jest układem relacji przekształceń i relacji sprzężeń między energią, masą i informacją, będących własnościami wejść i wyjść środków technicznych, konstrukcja zaś jest układem struktur i stanów wytworu [18, 19].

Konstrukcja Ks jest wyznaczona wówczas, gdy zostaną określone cechy konstrukcyjne

Ck = {Cg, Cm, Cd}

gdzie:

Cg – geometryczne cechy konstrukcyjne (informacja o strukturze zewnętrznej wytworu),

Cm – materiałowe (tworzywowe) cechy konstrukcyjne (informacje o strukturze wewnętrznej wytworu), chociaż mówi się, że tworzywem jest: szkło, stal, drewno, materiałem: szyba, stalowe pręty, rury, deski,

Cd – dynamiczne cechy konstrukcyjne (informacje o stanach wytworu wywoływanych podczas składania elementów zgodnie z konstrukcją).

Konstrukcja jest własnością środka technicznego, działanie natomiast – właściwością. Pojęcia: własności i właściwości niejednokrotnie używane są zamiennie, jednak faktycznie znaczenie pojęć jest zróżnicowane. Własność jest cechą, którą można przypisać przedmiotowi wyłącznie z relacji do tego przedmiotu, natomiast właściwość jest pojmowana jako cecha identyfikująca możliwości danego przedmiotu ze względu na relację do innego przedmiotu [18, 19].

Rozważając aspekty projektowo-konstrukcyjne na przykładzie grupy maszyn rozdrabniających, można założyć, że wejściem jest tworzywo przewidziane do rozdrobnienia, wyjściem zaś jest tworzywo po rozdrobnieniu (rys. 1.16).

Stopień uszczegółowienia danej koncepcji powinien być taki, aby umożliwił jej ocenę według przyjętego układu kryteriów, a przez to wybór koncepcji, która będzie podstawą szczegółowego doboru cech konstrukcyjnych, czyli opracowania konstrukcji [18, 19, 72, 73]. Właśnie na tym etapie umiejętność przekładu/zapisu myśli na trwały, uniwersalny nośnik, jest bardzo ważna, ponieważ:

• środek wizualny przydatny przede wszystkim samemu twórcy konstrukcji umożliwia rozumowe sprzężenie zwrotne jako warunek krytycznego stosunku do zapisywanego utworu;

• zapis konstrukcji jest środkiem komunikacji między konstruktorem jako twórcą a konstruktorem jako krytykiem utworu, co przede wszystkim sprowadza się do komunikacji z samym sobą;

• stanowi środek komunikacji między dowolnymi nadawcami i dowolnymi odbiorcami [6, 11, 62, 65, 72, 76, 79].

Konstruowanie to dobór cech konstrukcyjnych, najczęściej w kilkunastu czy nawet kilkudziesię-ciu krokach (od ogółu do szczegółu). Mówimy wówczas o stopniowym uszczegółowieniu konstrukcji (rys. 1.17).

W stosunku do metod zapisu obowiązują wymagania merytoryczne – zasady:

• jednoznaczności (jako warunek przekazu niewymagający interpretacji),

• niesprzeczności (jako warunek skutecznego porozumienia),

• zupełności (jako gwarancja tego, że wszystko co podaje zapis jest koniecznym i wystarczającym przekazem informacyjnym).

Uniwersalność koncepcji Janusza Dietrycha charakteryzuje się tym, że bez względu na to czy badamy całą maszynę, czy też jej wydzielony podzespół lub łańcuch kinematyczny, podejście musi być systemowe, a celem badań jest ocena konstrukcji jako całości, a nie jakaś szczególna właściwość układu

Rys. 1.16. Właściwości środka technicznego na przykładzie rozdrabniacza do tworzyw polimerowych

Rys. 1.17. Graficzne przedstawienie doboru cech konstrukcyjnych: Co – cechy konstrukcyjne ogólne, C_11, C_12, C_21, C_22 … – cechy konstrukcyjne szczegółowe
Źródło: [18, 19].

w świetle jednej jego części czy wyróżnionego elementu [18, 19, 65]. Takie ujęcie możemy znaleźć również w pracach Janusza Dietrycha, Józefa Flizikowskiego [18, 19, 29, 30]. Systemowe podejście jest reprezentowane w wielu programach graficznych, które w zapisie konstrukcji odgrywają coraz większą rolę. Mogą one bazować na modelach graficznych 2D i 3D. Przykład zapisu konstrukcji 2D w programie graficznym AutoCAD przedstawiono na rysunku 1.18, a przykład zapisu konstrukcji 3D w programie SolidWorks – na rysunku 1.19.

Rys. 1.18. Przykład zapisu konstrukcji 2D w programie graficznym AutoCAD

Rys. 1.19. Przykład zapisu konstrukcji 3D rozdrabniacza uniwersalnego w programie SolidWorks
Źródło: [115].