SISTEME MECANICE - INSTALATII MECANICE TRANSFORMATOR DE ENERGIE

1. Notiuni introductive

Sistemul mecanic reprezinta un ansamblu de corpuri materiale conceput, proiectat si realizat pentru:

a efectuarea unui lucru mecanic util sau transformarea energiei mecanice intr-o forma de energie nemecanica, prin utilizarea unei instalatii mecanice;

b transformarea unei forme de energie nemecanica in alta forma de energie nemecanica, prin utilizarea unui transformator de energie;

c dirijarea unor procese nemecanice sau a fluxului de energie, prin utilizarea unui utilaj.

Instalatie mecanica. Transformator de energie. Utilaj

A. Instalatia mecanica este un sistem mecanic conceput pentru a furniza energia mecanica necesara efectuarii unui lucru mecanic util sau generarii unei forme de energie nemecanica.

In cazul general instalatia mecanica se compune din (fig.1.1 a. si b.):

masina motoare - M.M.;

transmisia mecanica - T.M.;

masina de lucru - M.L. sau generatorul de energie - G.E.;

sistemul de comanda, reglare si control - S.C.R.C..

In unele instalatii mecanice poate lipsi transmisia mecanica (fig.1.1 b.), de exemplu la centralele hidro la care masina motoare (turbina hidraulica) actioneaza direct generatorul de energie (generatorul electric).

Fig.1.1 Elementele componente ale unei instalatii mecanice

Tfluxul energiei mecanice; fluxul semnalului informational

Masina motoare (M.M.) este un sistem mecanic care transforma diferite forme de energie in energie mecanica.

In functie de tipul energiei utilizate masinile motoare pot fi de doua feluri:

a. motoare primare care utilizeaza forme de energie naturala (energia chimica a unui combustibil, energia apei s.a.), ca de exemplu motoarele cu ardere interna sau turbinele hidraulice;

b. motoare secundare care utilizeaza forme de energie produse de generatoare de energie (energia electrica, pneumatica s.a.), ca de exemplu motoarele electrice, motoarele pneumatic, etc.

Transmisia mecanica (T.M.) este de asemenea un sistem mecanic care transmite energia mecanica, cu modificarea parametrilor si/sau a tipului miscarii mecanice, de la masina motoare la masina de lucru (generatorul de energie).

Transmisia mecanica permite optimizarea regimului de functionare a masinii motoare - de exemplu la turatii (viteze) mari gabaritul masinii motoare scade - si totodata asigura adaptarea parametrilor cinematici ai masinii motoare la cerintele masinii de lucru (generatorului de energie) prin modificarea turatiei (de regula reducerea acesteia); asigurarea posibilitatii modificarii in timp a turatiei si modificarea tipului de miscare mecanica.

Masina de lucru (M.L.) este un sistem mecanic care utilizeaza energia mecanica produsa de masina motoare si transferata de transmisia mecanica pentru efectuarea unui lucru mecanic util. Acest lucru mecanic util poate servi la modificarea formei obiectelor (de exemplu in cazul unei masini unelte) sau la schimbarea pozitiei in spatiu a acestora (de exemplu in cazul unei masini de ridicat sau de transportat).

Generatorul de energie (G.E.) este de asemenea un sistem mecanic care transforma energia mecanica produsa de masina motoare si transferata de transmisia

mecanica intr-o forma de energie nemecanica (de exemplu un generator de curent electric sau un compresor).

Ca elemente componente ale unei instalatii mecanice, masina motoare, transmisia mecanica si masina de lucru (generatorul de energie) se caracterizeaza prin periodicitatea miscarii.

Sistemul de comanda, reglare si control (S.C.R.C.) permite modificarea de catre utilizator a regimului de functionare a instalatiei mecanice si asigura incadrarea parametrilor ce definesc functionarea acesteia intre anumite limite prestabilite. Spre deosebire de celelalte componente ale instalatiei mecanice, sistemul de comanda, reglare si control actioneaza discontinuu si anume numai atunci cand se modifica sau trebuie modificat un parametru functional.

B. Transformatorul de energie este un sistem mecanic care are rolul de a transforma o forma de energie nemecanica in alta forma de energie, tot nemecanica (de exemplu un generator de abur sau un reactor nuclear). Un transformator de energie furnizeaza energia nemecanica necesara functionarii unui motor secundar. De regula un transformator de energie este un sistem mecanic static, fara elemente in miscare.

C. Utilajul este un sistem mecanic care, spre deosebire de instalatia mecanica,

serveste la dirijarea unor procese nemecanice (de exemplu un vas de reactie din industria chimica) sau la dirijarea fluxului de energie (de exemplu un schimbator de caldura). Si utilajul este de regula tot un sistem mecanic static.

2. Elemente (organe) de masini

Conceperea, proiectarea si realizarea practica a oricarui sistem mecanic impune descompunerea acestuia intr-o serie de ansambluri, subansambluri si in final in elemente (organe) de masini.

Elementele (organele) de masini sunt parti constructive ale unui sistem mecanic, care au un rol functional bine definit si pot fi studiate, proiectate si realizate in mod independent de celelalte componente ale sistemului respectiv.

Pentru asigurarea unui studiu sistematic se impune realizarea unei clasificari a elementelor (organelor) de masini. Aceasta se poate face pe baza mai multor criterii de clasificare si anume:

1. Dupa rolul functional:

a. elemente (organe) de asamblare. Acestea au rolul functional de a asigura legatura mecanica intre diverse elemente ale unui sistem mecanic. Ele pot fi:

- nedemontabile (nituri, imbinari sudate etc.);

- demontabile (suruburi etc.);

- elastice (arcuri);

b. elemente (organe) ale miscarii de rotatie, categorie din care fac parte:

- elemente (organe) de masini de sustinere (arbori si osii);

- elemente (organe) de masini de rezemare (lagare);

- elemente (organe) de masini de legatura (cuplaje);

c. elemente (organe) ale transmisiilor mecanice (roti dintate, roti de frictiune, curele, lanturi etc.);

d. elemente (organe) pentru dirijarea, reglarea si inchiderea circulatiei fluidelor (conducte si armaturi).

2. Dupa domeniul de utilizare:

a. elemente (organe) de masini generale

b. elemente (organe) de masini speciale

Dupa complexitatea constructiva:

a. elemente (organe) de masini simple, formate dintr-o singura piesa (surub, pana, etc.);

b. elemente (organe) de masini complexe, formate din mai multe piese (rulmenti, cuplaje).

TRANSMISII MECANICE

1. Definire. Clasificare

Fiind un element component al unei instalatii mecanice (fig.5.1), transmisia mecanica poate fi definita drept un sistem mecanic de corpuri materiale avand rolul de a transmite energia mecanica de la mssina motoare la masina de lucru (sau la generatorul de energie), cu modificarea parametrilor miscarii mecanice si/sau a tipului de miscare.

Fig.5.1 Schema unei instalatii mecanice cu transmisie mecanica

In mod evident ca din punct de vedere constructiv este mult mai simpla schema in care masina motoare este legata direct de masina de lucru (generatorul de energie), dar:

a. gabaritul masinii motoare este cu atat mai mic cu cat turatia (viteza) ei este mai mare, in timp ce masinile de lucru functioneaza, de cele mai multe ori, la turatii (viteze) relativ scazute;

b. tipul de miscare de la masina de lucru, de multe ori este diferit de cel de la masina motoare (la majoritatea instalatiilor mecanice drept masini motoare se utilizeaza motoare electrice, deci miscarea este o miscare de rotatie, in timp ce la masina de lucru de multe ori miscarea este de translatie).

2. Clasificarea transmisiilor mecanice

Transmisiile mecanice se clasifica dupa mai multe criterii de clasificare si anume:

1. Dupa legea de transmitere:

Simbolizand cu R - miscarea de rotatie iar cu T - miscarea de translatie, putem intalni variantele din tabelul 5.1, varianta mai des intalnita in practica fiind varianta R - R.

Tabelul 5.1

Tipuri de transmisii mecanice in functie de legea de transmitere.

2. Dupa modul de transmitere a puterii mecanice

transmisii cu transmitere prin forma (angrenaje, transmisia cu lanturi articulate, etc.);

transmisii cu transmitere prin frecare (transmisia cu roti de frictiune, etc.).

Dupa prezenta unor elemente intermediare

transmisii fara element intermediar (angrenajele, s.a.);

transmisii cu element intermediar (transmisia cu curea lata, s.a.);

4. Dupa gradul de mobilitate M

transmisii cu M = 1;

transmisii cu M >2 (transmisii diferentiale).

Elemente de transmitere a miscarii

Amplasarea motoarelor de actionare; transmisii mecanice (reductoare, transmisii prin curele, lanturi, parghii articulate, surub-piulita); frane, etc.

Parametrii de baza si parametrii derivati

Pentru a defini o transmisie mecanica (deci pentru a o putea studia sau proiecta) este necesar si suficient sa se cunoasca urmatorii parametrii de baza (vom discuta de cazul cel mai frecvent al transmisiilor avand legea de miscare R-R si grad de mobilitate M = 1)

puterea la intrarea in transmisia mecanica P1 [kW], egala cu puterea furnizata de masina motoare PMM;

puterea la iesirea din transmisia mecanica P2 [kW], egala cu puterea consumata de masina de lucru (generatorul de energie) PML;

turatia la intrarea in transmisia mecanica n1 [rot/min], egala cu turatia masinii motoare nMM;

turatia la iesirea din transmisia mecanica n2 [rot/min], egala cu turatia masinii de lucru (a generatorului de energie) nML.

Observatii:

1.     In locul puterilor pot fi date momentele de rasucire:

2.     In locul turatiilor pot fi date vitezele unghiulare:

3.    

Pe baza acestor parametrii de baza se definesc doi parametrii derivati, foarte des utilizati pentru caracterizarea unei transmisii mecanice si anume:

Raportul de transmitere i, definit ca:

Raportul de transmitere caracterizeaza gradul de modificare a parametrilor miscarii mecanice (a turatiei).

In functie de marimea raportului de transmitere transmisiile mecanice pot fi:

transmisii reducatoare de turatie (varianta cel mai des intalnita), caz in care raportul de transmitere este supraunitar (i >1), rezultand: n1 = nMM > n2 = nML;

transmisii amplificatoare de turatie, deci raportul de transmitere este subunitar (i< 1), rezultand astfel: n1 = nMM < n2 = nML.

Totodata raportul de transmitere poate fi constant sau variabil in timp, in acest caz variatia poate fi:

variatie in trepte (la cutiile de viteza);

variatie continua (la variatoarele de turatie).

Randamentul transmisiei η, definit ca:

unde: Ppf - puterea totala pierduta prin frecare in transmisia mecanica, ψ= Ppf/P1 - coeficientul puterii pierdute prin frecare.

Randamentul caracterizeaza transmisia mecanica din punct de vedere energetic, o transmisie fiind cu atat mai performanta cu cat randamentul ei este mai mare.