KURZUS: Gépek üzemtana

MODUL: I. modul: A gépek általános jellemzése

1. lecke: A gép fogalma és a gépek csoportosítása

Tanulási cél

A lecke áttanulmányozása után Ön képes lesz saját szavaival elmondani, hogy

  • mit tekintünk a gyakorlatban gépnek,
  • energetikai szempontból milyen csoportokba sorolhatók be a gépek.
  • mit értünk erőgép és munkagép alatt,
  • mely energiaformák alapvető fontosságúak a gépek üzeme szempontjából.
Tananyag

A hétköznapi gyakorlatban gépnek tekintenek minden olyan ember alkotta szerkezetet ill. eszköz, mely valamilyen hasznos munkát végez vagy alkalmas arra, hogy vele valaki hasznos munkát végezzen. Ez a meghatározás valójában azt rejti magában, hogy a gép energiát fogyaszt (vesz fel) és ennek köszönhetően végez hasznos munkát ill. végezhető vele hasznos munka. Ha emlékezetünkbe idézzük az energia-megmaradás törvényét, akkor nyilvánvaló, hogy a gép által felvett energia a hasznos munkavégzés során "felhasználódik", ami azt jelenti, hogy hővé alakul és a környezetnek átadódik.

Ha a hasznos munkavégzésre példaként egy fahasáb kettéhasítását vesszük egy kézi fejszével (eszköz), ami az ék elnevezésű egyszerű gépnek felel meg, akkor a gép által felvett energiának kell tekinteni az izomerőnk által a kézi fejsze meglendítéséhez kifejtett mechanikai energiát. A fahasábba vágódó fejsze feszítő hatása következtében két darabra történő hasadás során a befektetett összes energia hővé alakul. Az a kijelentés, hogy a hasznos munkavégzés során a gép által felvett energia elhasználódik, azt jelenti, hogy a hővé alakult energiát a továbbiakban már semmiféle módon sem lehet hasznosítani.

Az előbbieket általánosítva leszögezhetjük, hogy a hasznos munkát végző, röviden munkagép:

  • a munkagép mechanikai energiát vesz fel a működéséhez,
  • a munkagép működése során hő keletkezik, mely hő a környezetnek adódik át és általában tovább már nem hasznosítható.

A munkagép egyszerűsített energetikai modelljét az alábbi ábra mutatja.

1. ábra

Meg kell jegyeznünk, hogy a hasznos munkavégzés során keletkező hő kisebbik része veszteségnek tekintendő, nagyobbik hányad azonban azzal az energiával egyenlő, amit ideális, súrlódás mentes esetben is fel kell használni az adott feladat elvégzéséhez.

A hétköznapi értelemben vett munkagépek rendkívül sok félék, aszerint, hogy milyen feladat ellátásáról készültek. Ha azonban ezeket alaposan szemügyre vesszük, akkor szinte mindegyikben felleljük az ún. egyszerű gépek (ék, emelő stb.) valamelyikét, sőt azt is megfigyelhetjük, hogy a hasznos munkavégzés közvetlenül mindig ezek által valósul meg.

Ezen tantárgy keretei között közelebbről csak néhány, az általános mérnöki gyakorlat szempontjából fontos energetikai munkagéptípus üzemtani jellemzőivel ismerkedünk meg közelebbről (8-12. lecke).

Érdekes megemlíteni az 1. ábra szerinti egyszerű energetikai modell érvényessége alóli kivételként az olyan munkavégzést, mely a kisebb-nagyobb tárgyak elmozdításával függ össze. Ilyen esetben előfordulhat, hogy a felvett energia egy része helyzeti és/vagy mozgási energia formájában tárolódik. Ez az energiamennyiség természetesen visszanyerhető és hasznosítható.

A további vizsgálódásunkhoz egy villamos hajtású kézi fúrót véve példaként, nyilvánvaló, hogy az két, egymástól jól elkülönülő részből áll. Az egyik rész a villamos motor, mely a meghajtást biztosítja, azaz a mechanikai energiát szolgáltatja, a másik rész pedig az a hajtómű-tengely-csigafúró együttes, mely ezt a mechanikai energiát felhasználja, például egy lyuk kifúrásához. Az előbbit nevezzük erőgépnek, az utóbbi pedig tekinthető az imént tárgyalt munkagépnek.

Az erőgép tehát mechanikai energiát szolgáltat a munkagép működéséhez. Természetesen az erőgép is kapja valahonnan az energiát, hiszen rá is érvényes az energia-megmaradás törvénye. Az erőgép egyszerűsített energetikai modellje az alábbi ábrán látható.

2. ábra

Az erőgép nem használja el az energiát, hanem azt átalakítja, a példaként vett esetben villamos energiából mechanikai energiává. Az átalakítás csak ideális körülmények között lenne veszteségmentes, ekkor a 2. ábrán jelölt hő zérus lenne. Minden más esetben ez a hő az erőgép veszteségeinek összegével egyenlő.

Az erőgépek, tehát a mechanikai energiát szolgáltató gépek típusukat tekintve távolról sem olyan sokfélék, mint a munkagépek. Az imént vizsgált villamos motorok talán a legnépesebb csoportot alkotják.

Természetesen a gyakorlatban nem csak villamos erőgépek léteznek. Ha egy pillantást vetünk a lecke elején említett kézi fejszés példára akkor beláthatjuk, hogy ott "erőgépként" a kézi fejszét meglendítő személy szerepel. A legrégibb "erőgép" az emberi vagy állati izomerő formájában nyilvánul meg. Ha erre is akarjuk érvényesíteni az energia-megmaradás törvényét, akkor azt mondhatjuk, anélkül, hogy a tárgyunk szempontjából felesleges részletekben túlságosan elmerülnénk, hogy az az élő szervezetben tárolt, ott felszabadítható energia

Ismét más erőgépet találunk egy személygépkocsiban. Az ennek mozgásához szükséges mechanikai energiát egy hőerőgép (kalorikus gép) biztosítja. Ez is energiaátalakítást végez: az üzemanyagban kémiailag kötött formában meglévő energiát hő formájában felszabadítja és működése során annak egy részét mechanikai energiává alakítja át. Fontos megemlítenünk a hőerőgépekkel kapcsolatosan, hogy a 2. ábrán bemutatott energetikai modell azzal a kiegészítéssel érvényes, hogy a gép működése során keletkező hő jelentős része nem a veszteségekből származik, hanem azzal a természeti törvénnyel van összefüggésben, mely szerint a hőenergia ideális körülmények között sem alakítható át maradéktalanul mechanikai energiává. Ez a termodinamika második főtétele.

E helyütt kell megemlíteni, hogy mechanikai energia, hasznos munkavégzésre kész formában, a természetben is található, nevezetesen ezek az áramló víz és levegő energiája, melyeket az emberiség már ősidők óta használ munkagépei hajtására.

Ha visszatérünk a villamos kézi fúró példájához, akkor láthatjuk, hogy az ott munkagépnek tekintett hajtómű-tengely-csigafúró együttesből a csigafúróban ismerhetjük fel az ék nevű egyszerű gépet, mely ezúttal egy henger palástjára van felcsavarva és amely által a közvetlen munkavégzés megvalósul. A hajtómű-tengely együttes a közlőmű, mely a villanymotorból érkező mechanikai energiát, formájának megváltoztatása nélkül, de paramétereit módosítva továbbítja a csigafúróhoz.

A munkagép a legtöbb esetben az itt idézett példa szerint bontható két részre: közlőmű és egyszerű gép. A villamos kézi fúró esetében ezek gyakorlatilag összeolvadnak, de például egy villamos hajtású emelőszerkezetben egymástól jól elkülöníthető egység a hajtómű és az emelő nevű egyszerű gép gyakorlati megvalósításaként megjelenő kötéldob. Ilyenkor a közlőmű önálló gépként is tekinthető.

A közlőmű sajátossága tehát az energiatovábbítás. A 2. ábrán bemutatott energetikai modellt a közlőműre értelmezve, a távozó hő természetesen a veszteségek összegével egyenlő. A legtöbb esetben a közlőmű mechanikus szerkezet, mely mechanikai energiát vesz fel és formáját változatlanul hagyva, módosítja annak meghatározó paramétereit. A közlőmű különleges példája a villamos generátor, mely a mechanikai energia villamos energiává történő átalakítását végzi.

Az eddig elmondottak felhívják a figyelmet arra, hogy mindig a konkrét feladat szerint kell meghatározni, hogy mit tekintünk az adott esetben gépnek. Bizonyos esetben a gép lehet maga a villamos kézi fúró, de lehet csak a hajtó villamos motor, vagy a villamosmotor és a csigafúró közé illesztett hajtómű is.

Mint a vizsgált példákon keresztül láthattuk a gépek működése szempontjából három energiaformának van döntő jelentősége.

A mechanikai energia a hasznos munkavégzés energiaformája, hiszen a hasznos munkavégzés anyag-átalakítást vagy elmozdítást jelent.

A villamos energia az energiaszállítás és elosztás energiaformája. A hasznos munkavégzéshez szükséges mechanikai energia nagyobb távolágra történő szállítása csak közvetítő közeg (folyadék vagy gáz) csővezetéken történő áramoltatásával oldható meg, ami a villamos energia szállításához képest nehézkes és sok veszteséggel jár.

A hőenergia a mechanikai energia termelésének energiaformája.

A természetben rendelkezésre álló mechanikai energia túlságosan kevés, szeszélyes térbeli és időbeli eloszlású, így mai világunk energiaigényeit azokból kielégíteni nem lehet. Nem véletlen, hogy technikai civilizációnk fejlődése akkor indult meg ugrásszerűen, amikor a XVIII-XIX. század fordulóján sikerült megvalósítani a hőenergia mechanikai energiává történő átalakítását (James Watt gőzgépe), majd a fejlődés akkor kapott új lendületet, amikor a XIX. század végére megvalósult a villamos generátor, a villamos motor és a váltóáramú elektromos hálózat.

Összefoglalva tehát: a gép közvetlenül vagy közvetve emberi szükségletek kielégítésére készített szerkezet, mely működése során energiaátalakítást végez. Az energiaátalakítás szempontjából a gépek három fő csoportba sorolhatók:

  • munkagépek
  • erőgépek
  • közlőművek.

A munkagép a kapott mechanikai energiát felhasználja valamilyen hasznos munka elvégzéséhez vagy szolgáltatás nyújtásához, miközben a felvett energia maradéktalanul hővé alakul.

Az erőgép a felvett energia formáját megváltoztatva mechanikai energiát állít elő, melyet továbbít egy munkagépnek vagy közlőműnek.

A közlőmű többnyire az energia formájának megváltoztatása nélkül a felvett mechanikai energia jellemző paramétereit módosítja, hogy azok a hasznos munkavégzéshez a lehető legmegfelelőbbek legyenek.

Érdekes megemlíteni, hogy egyes esetekben elektromos ill. elektronikus és más berendezések is vizsgálhatók a fentiek analógiájára. Például egy televízió- vagy rádiókészülék is tekinthető gépnek, hiszen energiát vesz fel és használ el egy szolgáltatás nyújtásához, jóllehet mozgó alkatrészt gyakorlatilag nem tartalmaz. Ugyanígy egy villamos transzformátor is tekinthető közlőműnek, mely a villamos energia formájának megváltoztatása nélkül annak paramétereit módosítja. További példákat is lehetne idézni, de az ilyen berendezések üzemének tárgyalása, néhány kivételtől eltekintve, túlmutat tantárgyunk keretein.

Önellenőrző kérdések
1. Mit nevezünk munkagépnek?
2. Mit nevezünk erőgépnek?
3. Mit nevezünk közlőműnek?
4. Mit kell érteni azon, hogy a munkagép a bevezetett mechanikai energiát elhasználja?
5. Milyen energiaformák a legfontosabbak a gépek üzeme szempontjából?
6. Mi a jelentősége a villamos energiának?
7. Mi a jelentősége a hőenergiának a gépek üzeme szempontjából?
8. Miért fontos a mechanikai energia a gépek üzeme szempontjából?