Mechatronika Modul 1-4

Mechatronika Modul 1- 4

Jegyzet (Elképzelés)

Alapismeretek Interkulturális kompetencia Projektmenedzsment Folyadékok Elektromos meghatók És vezérlések

EU-Projekt: 2005-146319 „MINOS“, 2005-2007

Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvevő szakemberek mechatronika témakörben történő továbbképzéséről Az Európai Bizottság támogatást nyújtott ennek a projektnek a költségeihez. Ez a kiadvány (közlemény) a szerző nézeteit tükrözi, és az Európai Bizottság nem tehető felelőssé az abban foglaltak bárminemű felhasználásért.

www.minos-mechatronic.eu

A szakmai anyag elkészítésében és magáncégek és intézmények vettek részt

• • • • • • • • • • • •

kipróbálásában

az

alábbi

Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország – Projektvezetés Corvinus Egyetem, Információtechnológiai Intézet, Magyarország Stockholm-i Egyetem, Szociológiai Intézet, Svédország Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország Henschke Consulting Drezda, Németország Christian Stöhr Unternehmensberatung, Németország Neugebauer und Partner OHG Drezda, Németország Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Lengyelország Euroregionális Ipari és Kereskedelmi Kamara Jelenia Gora, Lengyelország Dunaferr Dunaújváros, Magyarország Knorr-Bremse Kft. Kecskemét, Magyarország Nemzeti Szakképzési Intézet Budapest, Magyarország

Tartalom: Jegyzet, munkafüzet és oktatói segédlet az alábbi témakörökhöz

• • • • • • • •

Modul 1: Alapismeretek Modul 2: Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment Modul 3: Folyadékok Modul 4: Elektromos meghajtók és vezérlések Modul 5: Mechatronikus komponensek Modul 6: Mechatronikus rendszerek és funkciók Modul 7: Üzembehelyezés, biztonság, teleservice Modul 8: Távkarbantartás és távdiagnosztika

További információ: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete) Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz, Deutschland Tel.: +49(0)0371 531-23500 Fax: +49(0)0371 531-23509 Email: [email protected] Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch

Mechatronika Modul 1: Alapismeretek

Jegyzet (Elképzelés) Készítették: Matthias Römer Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország

Cser Adrienn Corvinus Egyetem, Információtechnológiai Intézet, Magyarország

EU-Projekt: 2005-146319 „MINOS“, 2005-2007 Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvevő szakemberek mechatronika témakörben történő továbbképzéséről Az Európai Bizottság támogatást nyújtott ennek a projektnek a költségeihez. Ez a kiadvány (közlemény) a szerző nézeteit tükrözi, és az Európai Bizottság nem tehető felelőssé az abban foglaltak bárminemű felhasználásért.


Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos

Tartalom 1

Műszaki matematika............................................................................................. 7 1.1

Alapműveletek .................................................................................................. 7

1.2

Törtek ............................................................................................................. 10

1.3

További matematikai műveletek...................................................................... 13

1.4

A kettes számrendszer.................................................................................... 17

1.4.1

Kettes számrendszer a számítógépben....................................................... 19

1.5

Számolás változókkal...................................................................................... 20

1.6

Százalékszámítás ........................................................................................... 22

1.6.1 1.7

Kamatszámítás............................................................................................ 22 Geometria ....................................................................................................... 24

1.7.1

Szögek ........................................................................................................ 24

1.7.2

Négyszögek................................................................................................. 26

1.7.3

Háromszögek .............................................................................................. 27

1.7.4

Szögfüggvények.......................................................................................... 31

1.7.5

A kör............................................................................................................ 32

1.7.6

Testek ......................................................................................................... 33

2

Műszaki fizika ..................................................................................................... 37 2.1

A fizika alapjai................................................................................................. 37

2.1.1

Fizikai mennyiségek és mértékegységeik.................................................... 37

2.1.2

Fizikai képletek............................................................................................ 38

2.2

Erő .................................................................................................................. 39

2.2.1

Erők összegzése ......................................................................................... 40

2.2.2

Erők komponensekre bontása ..................................................................... 43

2.3

Forgatónyomaték ............................................................................................ 44

2.4

Erő- és nyomatékegyensúly ............................................................................ 45

2.5

Emelő ............................................................................................................. 46

2.6

Nyomás .......................................................................................................... 47

2.6.1

Erőáttétel..................................................................................................... 49

2.6.2

Nyomásáttétel ............................................................................................. 51

2.6.3

Gáztörvény.................................................................................................. 52

2.6.4

Áramló közegek........................................................................................... 53

2.7

Feszültség ...................................................................................................... 54

2.8

Súrlódás ......................................................................................................... 55

2.9

Út, sebesség és gyorsulás .............................................................................. 57 3

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ 2.9.1

Egyenletes mozgás......................................................................................57

2.9.2

Gyorsuló mozgás .........................................................................................58

2.9.3

Mozgó testre ható erő ..................................................................................60

2.10

Forgó mozgás..............................................................................................62

2.10.1

Szögsebesség .............................................................................................64

2.10.2

Szöggyorsulás .............................................................................................64

2.11

Munka, energia és teljesítmény....................................................................65

2.11.1

Munka..........................................................................................................65

2.11.2

Energia ........................................................................................................68

2.11.3

Energiamegmaradás....................................................................................70

2.11.4

Teljesítmény ................................................................................................70

2.11.5

Hatásfok ......................................................................................................71

2.12

Hőtan ...........................................................................................................72

2.12.1

Hőmérséklet.................................................................................................72

2.12.2

Testek tágulása ...........................................................................................73

2.12.3

Gázok tágulása............................................................................................74

2.12.4

Hőenergia és hőkapacitás............................................................................75

3

Műszaki rajz........................................................................................................77 3.1 3.1.1

A műszaki rajz, mint a technika kommunikációs eszköze.............................77

3.1.2

Rajzok..........................................................................................................78

3.1.3

Papírméretek ...............................................................................................80

3.1.4

Feliratok és darabjegyzék ............................................................................82

3.1.5

Méretarány...................................................................................................83

3.2

Műszaki ábrázolás...........................................................................................85

3.2.1

Ábrázolás nézetekkel...................................................................................85

3.2.2

Vonalfajták és vonalvastagságok .................................................................86

3.2.3

Ábrázolás metszetekkel ...............................................................................87

3.3

Méretmegadás ................................................................................................89

3.3.1

Méretvonalak, méretsegédvonalak, és méretszámok...................................89

3.3.2

A méretszám kiegészítő jelölései .................................................................90

3.4 3.4.1 3.5 3.5.1 4

A műszaki rajz alapjai......................................................................................77

Felületi minőség ..............................................................................................91 A felületminőség feltüntetése a műszaki rajzon............................................93 Alak- és helyzet tűrések ..................................................................................95 Mérettűrés....................................................................................................98

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos 3.5.2 3.6

Illesztés ..................................................................................................... 101 A műszaki rajz és a számítógép.................................................................... 102

3.6.1

CAD .......................................................................................................... 102

3.6.2

Numerikusan vezérelt berendezések......................................................... 104

5

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________

6


1 Műszaki matematika 1.1 Alapműveletek A matematikai alapműveletek az összeadás, a kivonás, a szorzás és az osztás. Fontos

Az összeadás és a kivonás egyenrangú művelet. Ugyanígy, az osztás és a szorzás is egyenrangú, ám ez a két művelet magasabb rendű az első kettőnél, ezért az osztást és a szorzást az összeadás és a kivonás előtt kell elvégezni. A szorzás tekinthető azonos számok sorozatos összeadásának is: így tehát 3+3+3+3 eredménye megegyezik 4·3 eredményével. A szorzást néha „·”, néha azonban „*” jelöli. Ez a két jel egyenértékű, és ugyanazt a műveletet jelzi. Ugyanazon szám többszöri összeszorzása megfelel a hatványozásnak: tehát 3·3·3·3 eredménye megegyezik 34 eredményével.

Fontos

A hatványozás magasabb rendű, mint a szorzás és az osztás, így azok előtt kell elvégezni.

Fontos

Ennél is magasabb rendű műveletet jelöl a zárójel. Mindig a zárójelben álló műveleteket kell először elvégezni!

Példa

3+5=8 12 – 5 = 7 3·5 = 15 20:4 = 5 4 + 2·3 = 4 + 6 = 10 (4 + 2)·3 = 6·3 = 18

Megjegyzés

Egyszerűbb műveleteket fejben is elvégezhetünk, azonban gyakran használunk számológépet is. Itt érdemes figyelembe venni, hogy a legtöbb egyszerűbb számológép a műveleteket egymás után végzi el, figyelmen kívül hagyva a műveletek rendjét, mely megváltoztathatja a műveleti sorrendet. Vannak azonban olyan számológépek is, melyek képletek feldolgozására is képesek. Ennek ellenére azonban a műveleti szabályok betartásáért végeredményben mégis az ember felel. Ismeretlen számológépek esetén ezért érdemes számítás előtt kipróbálni, vajon a készülék betartja-e a műveleti szabályokat, vagy egyszerűen egymás után kivitelezi a megadott utasításokat.

Feladat Oldja meg a munkafüzet 1. feladatát! 7


Kivonáskor előfordulhat, hogy a kivonandó (második tag) értéke nagyobb, mint az első érték. Ebben az esetben az eredmény negatív, ezt a szám előtti mínuszjel jelöli. A pozitív számokat jelölő pluszjelet ezzel szemben elhagyhatjuk. A kavarodás elkerülésére, ha egy műveleti jelet negatív szám, azaz mínuszjel követ, a negatív számot zárójelbe tesszük. Ugyanez érvényes a pluszjelre is, ha úgy döntünk, hogy kiírjuk a szám elé. Az összeadás és a kivonás esetén a két azonos előjelet egyetlen pluszjellé foglalhatjuk össze. Ha azonban a műveleti jel és az előjel különbözik, ezek mínusszá vonhatók össze. Ez minden zárójel esetén egyenként elvégzendő. Példa 8 – 14 = -6 4 + (+5) = 4 + 5 = 9 4 - (-5) = 4 + 5 = 9 5 - (+4) = 5 – 4 = 1 5 + (-4) = 5 – 4 = 1 Feladat Oldja meg a munkafüzet 2. feladatát! Ha egy zárójelen belül több összeadandó tag is található, a zárójel eltávolításakor minden előjelet egyenként kell meghatároznunk. Példa -(5 + 6) = -5 + (-6) = -5 – 6 = -11 -(5 – 6) = -5 + (+6) = -5 + 6 = 1 -(a+ b+ c) = -a + (-b) + (-c) = -a –b –c -(-a +b –c) = +a + (-b) + (+c) = a –b +c Feladat Oldja meg a munkafüzet 3. feladatát! A szorzás és osztás esetén két megegyező előjel szintén plusszá, két ellentétes előjel szintén mínusszá alakul. Példa (+5)·(+6) = +30 (-5)·(-6) = +30 (+5)·(-6) = -30 (-18):(-6) = +3 (-18):(+6) = -3 Feladat Oldja meg a munkafüzet 4. feladatát! Az összeadás és a szorzás esetén a két tag sorrendje felcserélhető. Ezt nevezik kommutativitásnak. Általánosan kifejezve:

8


a+b=b+a a·b = b·a Ezen kívül erre a két műveletre szintén érvényes, hogy több azonos művelet esetén ezek sorrendje tetszőleges. Ez az asszociativitás. Ebben az esetben a zárójelet el is hagyhatjuk. a + (b + c) = (a + b) + c a·(b·c) = (a·b)·c Ha a zárójelben egy összeadás áll, és a zárójelet valamely értékkel megszorozzuk, a disztributivitás lép életbe. A zárójel minden értékét külön be kell szoroznunk. a·(b + c) = a·b + a·c Ha két összeszorzandó zárójelben több összeadandó tag is áll, minden tagot minden másik taggal össze kell szoroznunk. Ha változókkal dolgozunk, gyakran el is hagyjuk a szorzás „·” jelét. (a + b)·(c + d) = a·(c + d) + b·(c + d) = ac + ad + bc + bd Ezt a számítást grafikusan is ábrázolhatjuk (1. ábra). Két szakasz (a + b) és (c + d) összeszorzása egy téglalap területét adja. Ez akkor is érvényes, ha a két szakasz egyenként két (vagy több) résszakaszból áll. A négy részterület együtt kiadja a nagy téglalap teljes területét.

1. ábra: A szorzás grafikus ábrázolása Ha a disztributivitás törvényét jobbról balra alkalmazzuk, ezt kiemelésnek nevezzük. Ha több összeg is tartalmaz azonos tagot, ezt kiemelhetjük egy zárójel elé, mely a maradék tagokat tartalmazza.

9


Példa ab + ac = a (b + c) 15x – 5y = 5 (3x – y) Feladat Oldja meg a munkafüzet 5. feladatát!

1.2 Törtek Egy adott mennyiség azonos méretű csoportokra osztása nem mindig eredményez egész számokat. Például 6 almát oszthatunk 3 csoportba, itt minden csoport 2 almából áll majd, de egy alma három részre osztása már nem eredményez egész számot. Ezt felírhatjuk tört formájában is: 1: 3 =

1 3

Ekkor a törtvonal felett található szám a számláló, alatta pedig a nevező helyezkedik el. A nevező adja meg, hány részre osztunk, a számláló pedig azt, hogy hányat osztunk. Az almás példára visszatérve lehetséges az is, hogy az almát 6 részre osztjuk, és minden csoportba két szeletet helyezünk. Matematikailag ekkor a számlálót és a nevezőt is megszoroztuk kettővel. Általánosan, ha a számlálót és a nevezőt azonos értékkel szorozzuk, azt törtbővítésnek nevezzük. A törtbővítés törtek összeadásánál és kivonásánál játszik fontos szerepet. Példa

1 2 3 10 = = = 3 6 9 30

A törtek egyszerűsítése ennek ellentéte, ekkor a számlálót és a nevezőt is ugyanazzal az értékkel osztjuk el. A bővítéshez hasonlóan ekkor sem változik a tört értéke, a változtatás csak formai, és a számítások megkönnyítésére irányul. Fontos

A törteket nullával se nem bővíthetjük, se nem egyszerűsíthetjük!

Feladat Oldja meg a munkafüzet 6. feladatát! Törteket csak akkor tudunk összeadni, illetve egymásból kivonni, ha nevezőjük megegyezik. Ha különböző nevezőjű törteket akarunk összeadni, bővítenünk kell az egyik, vagy mindkét törtet, hogy ne10

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos vezőik megegyezzenek. Az így létrejövő nevező a közös nevező. Ekkor az egész számokat is tört formájában adjuk meg, ebben az esetben az egész szám a számláló, a nevező pedig 1. A közös nevezőre hozás után a törteket már összeadhatjuk, illetve kivonhatjuk egymásból. Ekkor a számlálókat adjuk össze, illetve vonjuk ki egymásból, a nevező pedig változatlan marad. Ha a közös nevező első ránézésre nem felismerhető, képezhető a két nevező összeszorzásával. Azonban az így létrejövő közös nevező nem feltétlenül a legkisebb közös nevező. Azonban az eredmény így is helyes. Példa

1 1 1⋅ 2 1 2 1 2 + 1 3 + = + = + = = 2 4 2⋅2 4 4 4 4 4 1 1 1⋅ 4 1⋅ 2 4 2 6 3 + = + = + = = 2 4 2⋅4 4⋅2 8 8 8 4

Az első esetben az első törtet 2-vel bővítettük, a közös nevező így 4 lett. Ezzel szemben a második példában a közös nevező 8, melyet a két nevező, 2 és 4 összeszorzásából kaptunk, majd a két törtet ennek megfelelően bővítettük. Végül az eredményt egyszerűsítettük. Mindkét példa eredménye, hogy egy fél és egy negyed alma összege egy teljes alma háromnegyede. Feladat Oldja meg a munkafüzet 7. feladatát! A törtek osztása és szorzása egyszerűbb, mint összeadásuk és kivonásuk, mert ekkor nem kell közös nevezőt meghatároznunk. A szorzáskor egyszerűen összeszorozzuk a két számlálót, és a két nevezőt, tehát egyszerűen összeköthetjük a két tört törtvonalát. Az összeszorzás előtt érdemes megvizsgálni, van-e lehetőség egyszerűsítésre, mivel kisebb számokkal egyszerűbb számolni. Példa

1 3 1⋅ 3 1 ⋅ = = 3 4 3⋅4 4

Feladat Oldja meg a munkafüzet 8. feladatát! Az osztás a kivitelezés során szorzássá módosul: az osztó törtet invertálnunk kell, azaz egyszerűen megcseréljük a számlálót és a nevezőt. Az invertált törtet gyakran a tört reciprokának is nevezzük. Az osztáskor tehát az osztó reciprokával szorzunk.

11

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Példa 1 : 3 = 1 ⋅ 4 = 1⋅ 4 = 4 3 4 3 3 3⋅3 9 Feladat Oldja meg a munkafüzet 9. feladatát! Törtek számológéppel való számolásakor ügyeljünk arra, hogy az egyszerűbb gépek nem teszik lehetővé a tört formában való számítást, ezért a műveleteket egymás után kell elvégeznünk (az eredmény pedig gyakran kerekített érték). Példa

3 = 0,3 2⋅5

Ha az alábbi sorrendben adjuk gépeljük be a számokat, hibás eredményt kapunk: 3 : 2 · 5 = 7,5 Ez a számítás törtként így nézne ki: 3 ⋅ 5 = 7,5 2

Ez pedig eltér az eredeti törtünktől. Helyes eredmény elérése érdekében a számológépbe az alábbiakat kell begépelnünk: 3 : 2 : 5 = 0,3 Az 5-el való osztás eredete, hogy az 5 a nevezőben (alul) szerepel. Természetesen kiszámíthatjuk az értéket másképpen is: kiszámolhatjuk először a teljes nevezőt, majd a számlálót elosztjuk az így kapott értékkel. Ez a számítási mód követendő akkor is, ha a nevezőben összeadás szerepel: Példa

3 = 0,428571... 2+5

Itt a nevezőbeli összeadást, mint zárójelet kell figyelembe vennünk, azaz az osztás előtt el kell végeznünk az összeadást: 3 : (2 + 5) = 0,428571... A tört kiszámított értékét tizedestörtnek nevezzük. A tizedestört értékét az egyes számjegyek elhelyezkedése (helyiértéke) határozza

12

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos meg. A vessző előtt balra állnak az 1-es, 10-es, 100-as, stb. helyiértékű számok, a vesszőtől jobbra pedig a tizedek, századok, ezredek, stb. Vannak olyan törtek, mint azt a fenti példa mutatja, ahol a tizedesjegyek számát csak a kijelző mérete korlátozza. További tizedesjegyeket meghatározva észre vehetjük, hogy a tizedesveszsző utáni első hat számjegy végtelenül ismétlődik. Ennek jelölésére a periodikusan visszatérő számok fölé vonalat húzunk: 3 = 0, 428571 7

A megkívánt pontosságtól függően a tört értékét kerekíthetjük is. Ekkor az utolsó megtartandó számjegy változatlan marad, ha az őt követő számjegy értéke 0, 1, 2, 3, vagy 4. Ha azonban az őt követő számjegy 5, 6, 7, 8, vagy 9, az utolsó megtartandó számjegy értékét 1-el növeljük. A példában használt tört két és három tizedesjegyre történő kerekített értéke tehát: 3 ≈ 0,43 7 3 ≈ 0,429 7

A kerekítés természetesen bizonyos hibát visz a számításba. Általánosságban ezért a kerekített értékeket egy vagy kettővel több tizedesre adjuk meg, mint a számításban szereplő más számokat.

1.3 További matematikai műveletek Amint azt az alapműveletek esetében láttuk, a megegyező értékek ismételt összeadása a szorzásnak felel meg. Egy adott érték ismételt, önmagával történő összeszorzása a hatványozás. A hatvány alapja az a szám, melyet ismételten összeszorzunk önmagával. A kitevő adja meg, hogy a szorzást hányszor végezzük el. A geometriában egy négyzet A területét a két egyenlő oldal hosszának (a) összeszorzásával számítjuk ki. Egy kocka esetén a négyzetes alapterületet megszorozzuk a harmadik ugyanolyan hosszúságú oldallal, a magassággal. Így kapjuk meg a kocka térfogatát (V). A = a · a = a2

13

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ V = a · a· a = a3 Ennek megfelelően a mértékegységeket is össze kell szoroznunk, így a területet és a felületet m2-ben, a térfogatot pedig m3-ben adjuk meg. Példa Egy kocka oldalhossza 3m. Mekkora a kocka térfogata? V=3m · 3m · 3m = 27m3 A kitevő azonban lehet tizedestört is. Erre majd a gyökök számításánál térünk ki részletesebben. Ha a kitevő negatív, pozitívvá változtathatjuk, ha az egész hatványt egy tört nevezőjébe helyezzük. 3-2 = 1/32 = 1/9 Fontos

Tetszőleges alapú, 0 kitevőjű hatvány értéke 1.

Fontos

Tetszőleges, 1 kitevőjű hatvány értéke megegyezik a hatvány alapjával, azaz az összeszorzandó számmal.

Példa 26 = 2 · 2 · 2 · 2 · 2 · 2 62 = 6 · 6 60 = 1 61 = 6 6-2 = 1/62 = 1/36 Feladat Oldja meg a munkafüzet 10. feladatát! Kiemelten fontos szerepet játszanak a tudományokban a 10 különböző hatványai, melyek segítségével különösen nagy, vagy kicsi számokat fejezünk ki. A tíz hatványainak kiszámítása nagyon egyszerű. A kitevő azt adja meg, az 1-es után hány 0-t kell írnunk. Másképpen, az 1-estől elindulva a kitevő értékének megfelelően kell jobbra eltolnunk a tizedesvesszőt. Negatív kitevő esetén a tizedesvesszőt az 1-eshez viszonyítva balra toljuk el. 106 = 1000000 102 = 100 100 = 1 10-2 = 0,01 10-3 = 0,001 14


A nagyon kicsi és nagyon nagy számok jobb kezelhetősége érdekében gyakran a tíz hatványaival kombinálva fejezzük ki őket. Ekkor maga a szám egyszámjegyű, természetesen a szükséges tizedesjegyekkel, a tízes hatvány pedig azt adja meg, mennyivel kell eltolnunk a tizedesvesszőt. Lehetőség van arra is, hogy olyan tízes hatványokat használjunk, melyek kitevője osztható 3-al, azaz 3, 6 vagy 9, ill. –3, -6 és –9. Ezeket helyettesíthetjük a görögből származó előtagokkal. Ilyenek a kilo, mega, giga illetve a milli, mikro és a nano (megfelelő sorrendben). Példa 125000 = 1,25 · 105 = 125 · 103 0,000125 = 1,25 · 10-4 = 125 · 10-6 1km = 103 m = 1000m 1nm = 10-9m = 0,000000001m Feladat Oldja meg a munkafüzet 11. és 12. feladatát! Nem minden számológép tud hatványozni. Az olyan számológépeket, amelyek ilyen és hasonló műveleteket is el tudnak végezni, tudományos számológépnek nevezzük. A gyakran használt x2 és x3 hatványok kiszámításához gyakran külön billentyűk állnak rendelkezésre. Más kitevőket az xy gomb segítségével adhatunk meg. A tízes hatványok számításához az EXP gombot használjuk. A számológép típusától függően a tízes hatványok kijelzésére külön rész áll rendelkezésre. Feladat Ismerkedjen meg számológépe bonyolultabb matematikai műveleteivel, és vigye be az előző gyakorlat számait. A hatványok összeadása csak akkor lehetséges, ha a két összeadandó hatvány alapja és kitevője is megegyezik. Ezt gyakran használjuk, ha változókkal számolunk. 2x2 + 5x2 = 7x2 1,5a7 + 3,6a7 = 5,1a7 Hatványok szorzása csak akkor lehetséges, ha a két szorzandó hatvány alapja vagy kitevője megegyezik. Azonos alap esetén a kitevőket adjuk össze, azonos kitevő esetén pedig összeszorozzuk az alapokat. 15


an · am = a(n+m) an · bn = (a · b)n Ennek megfelelően az osztáskor az azonos alapú hatványok kitevőit kivonjuk egymásból, illetve az azonos kitevőjű hatványok alapjait elosztjuk egymással. am = a ( m −n ) an an  a  =  bn  b 

n

A hatványok hatványozásakor a két kitevőt szorozzuk össze. Ily módon nagyon nagy, vagy nagyon kis számokat is írhatunk nagyon kompakt alakban. (am)n = amn Példa x2 · x3 = (x · x) · (x · x · x) = x(2+3) = x5 X5 · x-2 = x(5-2) = x3 X5 · y5 = (x · y)5 a12 = a(12−( −8 )) = a 20 −8 a (1010)10 = 1010 · 10 = 10100, azaz egy 1-es 100db nullával.

Feladat Oldja meg a munkafüzet 13. feladatát! Ha egy ismert területű négyzet oldalának hosszát szeretnénk kiszámítani, gyököt kell vonnunk. Ha a négyzet területe például 4m2, oldalainak hossza 2m. Ebben az esetben a négyzetgyököt határoztuk meg. Ezt a számítást a következőképpen jelöljük: 4 =2

A négyzetgyök meghatározásához tehát azt kell kiderítenünk, mely számot kell önmagával megszoroznunk ahhoz, hogy az adott értéket kapjuk. Mivel ez a művelet kézzel nehezen végezhető el, minden számológépen találunk gombot kiszámítására. A gyököt hatvány alakban is kifejezhetjük. A gyökjel helyett a kitevőt, mint a hatvány törtjét fejezzük ki. A kitevő tehát bármilyen tört lehet. Kitüntetett szerepe van a köbgyöknek, mivel ennek segítségével határozzuk meg egy ismert térfogatú kocka oldalhosszát. 3

27 = 271 3 = 3



1.4 A kettes számrendszer Az általunk használt tízes számrendszerben a 0–tól 9-ig terjedő 10 számjegyet használjuk. A 9-nél nagyobb számokat több számjegyből konstruáljuk, amikoris fontos ügyelnünk arra, mely számjegy hol helyezkedik el. Jobbról balra haladva nő a helyiérték: egyes, tízes, százas, stb. A százas helyiértéken álló szám értékét megszorozzuk 100-al, és ehhez hozzáadjuk a tízes helyiértéken álló szám tízzel megszorzott értékét, majd az egyes helyiértéken álló számot. Ez adja ki a szám végső értékét. Tehát: 325 = 3 · 100 + 2 · 10 + 5 = 3 · 102 + 2 · 101 + 5 · 100 Ez a számrendszer számunkra magától értetődő, hiszen 10 ujjunk van, melyek segítségével számolni tudunk. A tízes számrendszer mellett azonban más számrendszerek is lehetségesek. Például egy tucat 12 darabból áll. A nap kétszer 12 órából, egy óra 60 percből, egy perc pedig 60 másodpercből. A számítógépek belső számításai során a kettes számrendszert alkalmazzuk. Ekkor csak két számjegy, azaz állapot létezik, a 0 és az 1. A tévedések elkerülése érdekében az 1-et néha L-nek is írják. A kettes számrendszer nagy előnye, hogy a két állapotot nagyon könnyű fizikailag előidézni: folyik elektromos áram, vagy nem. Aktíve egy adott tárolóelem, vagy nem. Más lehetőség nem létezik. Mivel a kettes – másképpen bináris – számrendszer számai csak kétféle számjegyből állnak, hosszuk gyorsabban nő, mint a tízes számrendszer számai esetén, mint azt az alábbi példa mutatja: Tízes számrendszer 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Kettes számrendszer 0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 17

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ 11 12 13 14 15

1011 1100 1101 1110 1111

A kettős számrendszer számai esetén is a számjegy helyzete adja annak helyiértékét, azonban itt a helyiérték a kettő hatványainak felel meg. A tízes számrendszerbeli 6-os kettes számrendszerbeli megjelenítése tehát: 110 = 1 · 22 + 1 · 21 + 0 · 20 = 1 · 4 + 1 · 2 + 0 · 1 Tehát a helyiértékek az 1, 2, 4, 8, 16, stb. Ha egy tízes számrendszerbeli számot kettes számrendszerre szeretnénk átszámítani, az eredeti számot elosztjuk 2-vel, és felírjuk a maradékot. Ezt addig folytatjuk, amíg az osztás eredménye 0 nem lesz. A feljegyzett számok a bináris szám fordított sorrendbeli megjelenítése. A 29 tehát: 29 osztva 2-vel 14 osztva 2-vel 7 osztva 2-vel 3 osztva 2-vel 1 osztva 2-vel

14 7 3 1 0

maradék: 1 maradék: 0 maradék: 1 maradék: 1 maradék: 1

A 29 kettes számrendszerbeli megjelenítése tehát 11101. Látható, hogy a páratlan tízes számrendszerbeli számok utolsó számjegye mindig 1. Ez abból adódik, hogy a páratlan számok 2-vel való osztása után a maradék mindig 1. Feladat Oldja meg a munkafüzet 15. feladatát! Fordítva, egy kettes számrendszerbeli szám tízes számrendszerbe való átírásakor meg kell határoznunk minden foglalt helyiérték értékét. Ezután a nem nulla értékeket összeszorozzuk helyiértékükkel, majd összeadjuk őket. A 11001 tízes számrendszerbe történő átszámítása tehát: 1 1 0 0 1

24 = 16 23 = 8 22 = 4 21 = 2 20 = 1

Az összeg:

16 8 0 0 1 25



1.4.1 Kettes számrendszer a számítógépben A számítógépek mindennapos használata során nemigen kerülünk kapcsolatba a kettes számrendszerrel. Más a helyzet azonban, ha magunk írunk programot, vagy programozható vezérlést (SPS) használunk. Ezért néhány alapismeret nem haszontalan. Egy egyetlen számjegyből álló kettes számrendszerbeli számot bitnek nevezünk. Egy bit értéke 0 vagy 1 lehet. Nyolc bit alkot egy bájtot (vagy angolosan írva byte-ot). Ez a nyolc számjegy tízes számrendszerből nézve 0–255 közötti értékeket írhat le. Kettes számrendszerben ez nyolc darab nullától nyolc darab egyesig terjed. A számítógépen belül minden szám és betű bájtként jelenik meg. Azt, hogy az egyes betűket mely bináris szám jelzi, az ASCII-kód (American Standard Code for Information Interchange, azaz az amerikai szabvány az információk kódolására) határozza meg. Például a nagy A kódja 01000001, tízes számrendszerben kifejezve tehát a 65. Mivel azonban a bináris számok nagyon hosszúak lehetnek, a számítástechnika egy másik számrendszert is használ. Ehhez egy bájtot két négytagú bitté osztunk fel, ezeket a négyes csoportokat hívjuk „nibble”-knek. Egy nibble, azaz négy bit, összesen 16-féle értéket írhat le. A nibblek egyetlen jellel való ábrázolása érdekében a hexadecimális (tizenhatos) számrendszert használjuk. Itt a számrendszer alapja – ellentétben a tízes számrendszerbeli 10-el - a 16. Mivel azonban a hexadecimális számrendszer esetén 16 jelre van szükség, a 0–9 mellett az A–F betűket is bevonjuk. A más számrendszerekkel való keverés elkerülése érdekében a szám után gyakran egy kis „h” betűt írunk. Az egy bájttal leírható számok tehát a különböző számrendszerek esetén: Bináris Hexadecimális Tízes

0000 0000-től 00 –tól 0-tól

1111 1111-ig FF-ig 255-ig

A kettes számrendszer használatából adódóan a számítástechnika területén gyakran használatosak a kettő különböző hatványai: 26 27

64 128 19

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ 28 29 210

256 512 1024

Ezek a számok különösen gyakran fordulnak elő tárhelymegjelölések esetén, ezért kaphatók a különböző adathordozók is ilyen méretekben, pl. 512MB-os méretben, és nem 500MBként. További különlegesség a nagy számok előtagja. A tízes számrendszerben az 1000 esetén a kilo előtagot használjuk. Így tehát 1000 méter 1 kilométer. Az adatfeldolgozás esetén azonban egy kilobyte 1024 bájt. A tévedések kizárásának érdekében a bináris számrendszerbeli kilo és mega jelölésére használhatjuk a kibi és mebi megjelöléseket, azonban a gyakorlatban ezzel ritkán találkozunk. Kétség esetén tehát érdemes pontosan ellenőrizni, hogy példának okáért a kilo előtag az adott esetben 1000-t vagy 1024-et jelent. Általában kiindulhatunk abból, hogy bitek esetén a kilo 1000-t, bájtok esetén azonban 1024-et jelent. Példa

Egy ISDN telefoncsatorna átviteli sebessége 64 kbit/s. Ez pontosan 64000 bit/s, nem pedig 65536 bit/s, mely az 1024-el való szorzásból adódna. Egy 400 gigabájtos merevlemez kapacitása 400 milliárd bájt. Mivel azonban a számítógépen belül kettes számrendszerben számolunk, csak 372,5 GiB-et mutat. A merevlemezek gyártói azonban inkább a 400-at, mint a 372,5-öt használják.

1.5 Számolás változókkal Változók segítségével általános érvényű törvényszerűségek önthetők képletalakba. A változókat betűk jelölik. Az eredményt így a konkrét számolandó esetre érvényes értékek a változók (betűk) helyére történő behelyettesítésével kapjuk. Például egy négyszög területének kiszámításához szükséges képlet: T=a·b Itt T a terület, a és b pedig az oldalak hosszát jelöli. A téglalap területét az a és b értékek behelyettesítésével kapjuk.

20

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos Az a és b (vagy bármely más) változóval ugyanúgy számolunk, mint a számokkal. Ekkor is érvényes a műveleti sorrend, a zárójelek elé történő kiemelés, stb. Az eredményt természetesen azonban csak akkor kapjuk meg, ha a változók helyére konkrét értékeket helyettesítünk. Ha egy egyenletet akarunk megoldani, az egyértelmű eredményhez csak egyetlen ismeretlen érték szerepelhet. A fenti példában például az oldalak hossza ismert, a terület pedig ismeretlen, ezt akarjuk kiszámítani. Azonban előfordulhat az is, hogy a terület, és az egyik oldal hossza ismert, és a másik oldal hosszát akarjuk kiszámolni. Ebben az esetben a képletet úgy kell átrendezni, hogy a kiszámítandó (ismeretlen) változó az egyik oldalon egyedül álljon. A számok vagy változók és a műveleti jelek egy oldali egymásutánját tagnak nevezzük. Az ismeretlent általában x jelöli. Az egyenlőség vagy képlet átrendezését x-re való rendezésnek nevezik. Ezt megtehetjük, ha az egyenlőségjel mindkét oldalán, azaz mindkét tag esetén elvégezzük ugyanazokat a matematikai műveleteket. Ezt a műveletet az egyenlőség mellé jobb oldalra, egy függőleges vonal után feljegyezzük. A kiszámítandó x érték a rendezés után egyedül áll az egyenlet bal oldalán. Példa

a a–b x

=b+x =x =a–b

|-b

a a+x x

=b–x =b =b–a

|+x | -a

x:a x

=b =b·a

| ·a

a:x a a:b x

=b =b·x =x =a:b

| ·x | :b

Feladat Oldja meg a munkafüzet 17. feladatát!

21


1.6 Százalékszámítás A mindennapi életben gyakran találkozunk százalékosan megadott értékekkel. Megadják, hogy egy ár hány százalékkal nőtt vagy csökkent, vagy a népesség hány százaléka adott korú. Ekkor azt az értéket, melyre a százalékos érték vonatkozik, 100-nak tekintjük, és a százalék ennek a 100-nak a részaránya. Az abszolút érték nincs megadva. Példa

Egy 1 liter űrtartalmú üveg 60%-ig van tele. Egy másik, 2 liter űrtartalmú üveg csak 40%-ig van tele. Azonban ennek ellenére a második üvegben abszolút értékben több folyadék található, mint az elsőben. Az első, 1 literes üveg esetén annak teljes tartalmát tekintsük 100%nak. Ennek 60%-a 0,6 liter. 1 liter : 100% = 0,6 liter : 60% A második, 2 literes üveg ugyan csak 40%-ig van tele, azonban mivel itt a teljes, 2 literes tartalmat tekintjük 100%-nak, ennek 40%-nyi része 0,8 liter. 2 liter : 100% = 0,8 liter : 40% A százalékszámításkor csak a 100% érték van minden esetben rögzítve. A feladattól függően a másik 3 érték valamelyike ismeretlen, és az egyenlet átrendezése után kiszámítható.


1.6.1 Kamatszámítás Ha az ember pénzt kér kölcsön (hitelt vesz fel), általában ezért a kölcsönért kamatot kell fizetnie. A kamatot százalékosan adják meg. Ez a százalékos arány adja meg, 100 forintra egy évre mennyi kamatot kell fizetni. Példa

Hány százalék a kamat, ha 100 000 Ft hitel után 12 000 Ft kamatot kell fizetnünk? A kölcsön teljes összege, azaz 100%-a 100 000 Ft. 12 000 Ft százalékos arányát kell kiszámítanunk. 100% : 100 000 Ft

= x% : 12 000 Ft

Az egyenlet átrendezése után a kamat 12%. 22


Az egyszerűség kedvéért a 100% el is hagyható, ekkor a kamat aránya maga a kamat értéke osztva a hitel összegével: x = 12 000 Ft : 100 000 Ft = 0,12 Az eredményt a végén még meg kell szoroznunk az elhagyott 100%-al, így kapjuk meg az előbb megállapított 12%-ot. Ha számológéppel dolgozunk, a 100%-al való szorzást úgy végezhetjük el, hogy az osztás után az egyenlőségjel helyett a százalék gombot nyomjuk meg. Ismeretlen számológépek esetén azonban a biztonság kedvéért egy egyszerű példán érdemes ellenőrizni ezt a funkciót. A kamatoskamat számítása a több éven keresztül fizetendő kamatot veszi figyelembe. Példa

Ha egy takarékkönyvben 1000 Ft félretett pénzünk van, melyet 5 éven keresztül évi 3% kamatra tartunk a bankban, az egy évre kiszámított, és 5-el megszorzott kamat alaptőkéhez adása után 1150 Ft-unk lenne. Azonban az első év után 1030 Ft-unk lesz, a 3% kamatot pedig már erre az összegre kell kiszámítanunk, nem az eredeti 1000 Ft-ra. A számítás tehát általában az alábbi képlet alapján történik, ahol T0 a kiinduló tőke, Tn pedig az n év után rendelkezésre álló tőke. A kamat mértékét k, n pedig az évek számát jelöli. k   Tn = T0  1 +  100  

n

5 éves futamidő és 3% kamat mellett tehát: T5 = 1000 Ft · (1+3/100)5 T5 = 1000 Ft · (1+0,03)5 T5 = 1000 Ft · (1,03)5 T5 = 1159,27 Ft Az első, hibás – ámde gyakran kézenfekvőnek tűnő – számítástól való eltérés ebben az esetben nem túl nagy, azonban hosszabb futamidő és magasabb kamat mellett már nagy különbségek léphetnek fel.

23

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ 3% kamat mellett kb. 24 év alatt kétszereződik meg a befizetett öszszeg. Ha azonban a számítások során nem vennénk figyelembe az előző évek kamatait, a megkétszereződés 33 évig tartana. Ha egy hitelt mindig azonos összeggel törlesztünk, eleinte a befizetések nagy része a kamatok kiegyenlítésére megy el, és csak egy kis rész csökkenti az alaptőkét. Csak a visszafizetés későbbi szakaszában csökken jelentősen a kamat, és csak ekkor fizetünk vissza nagyobb és nagyobb részeket az alaptőkéből. Feladat Oldja meg a munkafüzet 19. feladatát!

1.7 Geometria Bevezetésképpen néhány definícióval kell kezdenünk. Egy testnek három kiterjedése van: hossza, szélessége és magassága, tehát háromdimenziós. Egy felület csak kétdimenziós. Egy kocka felülete 6 négyzetlapból áll, melyek felületi elemek. A kocka éle egy egydimenziós vonal. Egy pont nem rendelkezik kiterjedéssel, mert végtelenül kicsi. Másképpen: egy pontot értelmezhetünk két vonal metszéspontjaként is. A pont mellett a geometria egy másik alapeleme az egyenes, mely két ponton halad keresztül, és nincs kezdete és vége. Két egyenes egy síkon legfeljebb egyetlen pontban metszheti egymást. Az egyetlen kivétel, amikor a két egyenes minden pontja megegyezik, ekkor pontosan fedik egymást. Ha két egyenes egy síkban nem metszi egymást, akkor párhuzamosnak nevezzük őket. A félegyenes szintén egy végtelen egyenes vonal. Ellentétben azonban az egyenessel, a félegyenesnek létezik kezdőpontja. A másik oldala a végtelenbe tart. Egy szakasz az egyeneshez hasonlóan két ponton halad át, azonban ez a két pont behatárolja a szakasz hosszát. Így két pont között a legrövidebb út a szakasz.

1.7.1 Szögek Egy adott pontból kiinduló két félegyenes szöget alkot. Ha az egyik félegyenest a közös pont körül elforgatjuk úgy, hogy fedje a másik félegyenest, a bezárt szöget ezen forgatás mértéke adja meg. A közös pont a szög csúcsa, a félegyenesek a szög szárai.

24

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos Egy kört 360 részre osztunk, melyeket fokoknak nevezünk. A 360° a teljes szög. 0° és 90° között hegyesszögről, 90° és 180° között tompaszögről beszélünk. Ha a szög két szára merőleges egymásra, ezt derékszögnek nevezzük, melynek értéke 90°. Ha a két félegyenes pontosan ellentétes irányba fut, egyenesszögről beszélünk. Ebben az esetben az általuk bezárt szög 180°. A 180° és 360° közötti szögeket homorúszögnek nevezzük.

2. ábra: Szögek fajtái

3. ábra: Szögpárok Ha két egyenes metszi egymást, négy szög keletkezik. A két egymással szemben elhelyezkedő szög mindig egyforma méretű, a két egymás mellett található szög összege pedig mindig 180°. Ha egy egyenes két párhuzamost metsz, 8 szög keletkezik. Az ekkor kialakuló egyállású szögek mindig egyformák. Ugyanez érvényes a váltószögekre is. A mellékszögek összege mindig 180°.

25


1.7.2 Négyszögek Egy négyszöget négy pont határoz meg, ezek közül mindig csak kettő lehet egy egyenesen. Az oldalak elhelyezkedése és mérete alapján megkülönböztetünk néhány speciális négyszöget. Négyzetnek nevezzük a szabályos (azaz egyenlő oldalú és egyenlő szögű) négyszöget. A páronként egymással szemben elhelyezkedő oldalak párhuzamosak. A négyzet mind a négy szöge derékszög, azaz 90°. A területet az oldalhossz négyzete adja, ahol T a terület, a pedig az oldalak hossza: T = a2 A négyzet kerülete a négy egyenlő hosszúságú oldal hosszának összege: K=4·a A téglalap annyiban különbözik a négyzettől, hogy itt csak az egymással szemben elhelyezkedő oldalak hossza egyezik meg. A területet a két különböző hosszúságú oldal összeszorzásából kapjuk: T=a·b A kerület a négy oldal hosszának összege: K = 2a + 2b Példa

Egy szobában padlószőnyeget akarunk lefektetni. A szoba 6m hosszú és 4m széles. Hány négyzetméternyi padlószőnyegre lesz szükségünk? Hány m szegélyre lesz szükségünk, ha az ajtókat is beleszámítjuk? T=a·b T=6m·4m T = 24 m2 K = 2a + 2b K=2·6m+2·4m K = 12 m + 8 m K = 20 m

26

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos Tehát 24 m2 padlószőnyegre, és 20 m szegélyre lesz szükség.

4. ábra: Speciális négyszögek A négyzet és a téglalap mellett léteznek további speciális négyszögek is. Paralelogrammának nevezünk egy négyszöget, ha két-két oldala párhuzamos. Így a négyzet és a téglalap is paralelogramma, csak annak speciális esetei. Rombusznak nevezzük a négyzethez hasonlóan egyenlő oldalakkal rendelkező négyszöget, melynek szögei azonban nem derékszögek. A rombusz speciális trapéz, speciális paralelogramma, és speciális deltoid. Trapéznak nevezünk egy négyszöget, ha vannak párhuzamos oldalai. A két párhuzamos oldalt (a, c) a trapéz alapjainak, a másik két oldalt a trapéz szárainak nevezzük. Mind a négy oldal hossza különbözhet. Deltoidnak nevezzük a négyszöget, ha van szimmetriaátlója (papírsárkány). A deltoid két-két szomszédos oldala egyenlő hosszú, átlói merőlegesek egymásra. Párhuzamos oldalai nincsenek. Ezen kívül lehetséges, hogy egy négyszög konkáv, azaz az egyik sarka „belül” helyezkedik el. A négyszögek esetén a legegyszerűbb, ha a területet háromszögekre osztjuk, és azok területeit számoljuk ki, A kerület minden esetben a négy oldal hosszúságának összege. Feladat Oldja meg a munkafüzet 20. feladatát!

1.7.3 Háromszögek Egy háromszöget három pont határoz meg, melyek nem fekhetnek egy egyenesen. A három csúcsot A, B és C-vel jelöljük, a csúcsokkal szemben elhelyezkedő oldalakat pedig a, b, és c-vel. A háromszög szögeit görög betűk jelölik: α (alfa), β (béta) és γ (gamma).

27


Fontos

A háromszög belső szögeinek összege mindig 180°. A háromszögeket formájuk alapján különböztetjük meg. A hegyesszögű háromszög minden szöge 90°-nál kisebb. A tompaszögű háromszög esetén az egyik szög 90°-nál nagyobb. A derékszögű háromszög egyik szöge derékszög. Az ilyen háromszögek esetén speciális törvényszerűségek érvényesek. Egy háromszöget egyenlő szárúnak mondunk, ha van két egyenlő oldala. Ha mindhárom oldala egyenlő, a háromszög egyenlő oldalú. Ekkor a belső szögek is egyenlők, azaz mindhárom szög 60°-os. A háromszög magassága a háromszög csúcsából a szemközti oldalra bocsátott merőleges egyenes. Mivel mindhárom csúcsból képezhető magasság, ezeket az adott oldal betűjelével indexeljük: ma, mb, mc.

5. ábra: Háromszögek Az egyenlőszárú háromszög a másik két oldaltól eltérő hosszúságú oldalára állított magassága ezt az oldalt két egyenlő részre osztja. A háromszög területe általánosan kifejezve az egyik oldal és az ahhoz tartozó magasság szorzatának fele: T=

Példa

Egy háromszög c oldalának hossza 5 cm. A c oldalhoz tartozó hc magasság 4 cm. Mekkora a háromszög területe? T=

28

1 1 1 ⋅ ha ⋅ a = ⋅ hb ⋅ b = ⋅ hc ⋅ c 2 2 2

1 ⋅ hc ⋅ c 2

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos T=

1 ⋅ 4 cm ⋅ 5 cm 2

T = 20 cm 2

Mivel a magasság mindig merőleges a hozzá tartozó oldalra, a háromszöget két derékszögű háromszögre osztja. Mivel a derékszögű háromszögekre speciális törvényszerűségek érvényesek, általában előnyös, ha egy területet derékszögű háromszögekre tudunk felosztani. Fontos

Egy derékszögű háromszög két befogójának nevezzük a háromszög azon két oldalát, amely a derékszöget határolja. A harmadikat, a derékszöggel szemközti oldalt pedig átfogónak nevezzük. Derékszögű háromszögek esetén érvényes a Pitagorasz-tétel: A derékszögű háromszög befogóira emelt négyzetek területének összege egyenlő az átfogóra emelt négyzet területével. Képletként felírva: c2 = a2 + b2

Példa

Egy derékszögű háromszög két befogója 3 cm és 4 cm. Mekkora a háromszög átfogója? c2 = a2 + b2 c2 = 32 cm2 + 42 cm2 c2 = 9 cm2 + 16 cm2 c2 = 25 cm2 c = 5 cm A háromszög átfogója 5cm hosszú.


29


6. ábra: Pitagorasz-tétel Példa

Egy egyenlőszárú háromszög két egyenlő oldala a és b 13 cm hoszszú. A c oldal 10 cm. Mekkora a háromszög területe? Elsőként ki kell számítanunk a magasságot. Ehhez az egyenlőszárú háromszöget felosztjuk két derékszögű háromszögre. Ekkor az egyik derékszögű háromszög átfogója 13 cm, az egyik befogó hoszsza pedig a c oldal hosszának fele, azaz 5 cm. Ezt a szakaszt d-vel jelöljük. Ezután a Pitagorasz-tétel segítségével már ki tudjuk számítani a magasságot: a2 = hc2 + d2 hc2 = a2 - d2 hc2 = 132 cm2 - 52 cm2 hc2 = 169 cm2 - 25 cm2 hc2 = 144 cm2 hc = 12 cm Most már a magasság és a c oldal hosszának segítségével ki tudjuk számítani a területet: 1 ⋅ hc ⋅ c 2 1 T = ⋅ 12 cm ⋅ 10 cm 2 T=

T = 60 cm 2

30


1.7.4 Szögfüggvények A derékszögű háromszögekkel való számolások során használhatjuk a szinuszt, koszinuszt és a tangenst. Ezeket szögfüggvényeknek nevezzük. Nem derékszögű háromszögek esetén ezeket derékszögű háromszögekre kell osztanunk, hogy a fenti függvényeket használhassuk. Az átfogó mellett a két befogó is rendelkezik saját elnevezéssel, mégpedig megkülönböztetjük a szög melletti, és a vele szembeni befogót. Egy szög szinusza a szöggel szembeni befogó hossza osztva az átfogó hosszával: sin α =

szöggel szembeni befogó átfogó

Régebben egy adott szög szinuszából magára a szögre csak táblázatok alapján tudtunk következtetni. Ma ez a feladat a zsebszámológépek segítségével sokkal gyorsabban elvégezhető. A trigonometrikus függvények azonban csak a tudományos számológépeken szerepelnek. 30° szinuszának kiszámításához adjuk meg a 30-as értéket, majd nyomjuk meg a SIN gombot. A számolás helyes, ha az eredmény 0,5. Az inverz művelet elvégzéséhhez, azaz a szinusz értékének szöggé való konvertálásához más, és számológépenként eltérő gombokat használunk. Általában a kiegészítő funkciók elvégzésére használatos gomb segítségével hajthatjuk végre ezt a műveletet, a gombon pedig az ARCSIN vagy a SIN-1 felirat szerepel. A 0,5 érték begépelése és a megfelelő gomb(kombináció) megnyomása után 30°-ot kapunk eredményként.

7. ábra: Szögfüggvények

31

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Példa

Egy derékszögű háromszög átfogója 5 cm. A vizsgált szöggel szemben elhelyezkedő befogó hossza 3 cm. Mekkora a szög? sin α =


sin α =

3 cm 5 cm

sin α = 0,6 α ≈ 36,9

Egy derékszögű háromszög egyik szöge 50°-os. A vizsgált szöggel szemben elhelyezkedő befogó hossza 8 cm. Mekkora az átfogó? sin α =


8 cm c 8 cm c= sin 50 c ≈ 10,44 cm sin α =

A másik szögfüggvény a koszinusz, mely a vizsgált szög melletti befogó és az átfogó arányaként van definiálva. cos α =

szög melletti befogó átfogó

A harmadik fontos szögfüggvény a tangens. Egy szög tangense a vizsgált szöggel szembeni befogó és a szög melletti befogó hoszszának hányadosa. tan α =

szöggel szembeni befogó szög melletti befogó


1.7.5 A kör A kört sugara definiálja. A sugár a kör középpontjától a kör széléig mért távolság. A kör átmérője pontosan a sugár kétszerese. Egy kör kerületének és átmérőjének aránya a π szám. Ezt a görög betűt pí-nek ejtjük. A szám irracionális, azaz a tizedesvessző után végtelen sok tizedesjeggyel rendelkezik, mégpedig ismétlődő cso-

32

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos portok nélkül. Az első néhány tizedesjegy: 3,1415926535. A gyakorlatban gyakran 2 vagy 4 tizedest használunk. A kör kerületét a következőképpen számítjuk: K = π ⋅ d = 2 ⋅ π ⋅r

A kör területének kiszámításához is szükségünk van a π-re: T=

Példa

1 ⋅ π ⋅ d2 = π ⋅ r 2 4

Egy kör kerülete 20 cm. Mekkora az átmérője? Mekkora a területe? Az eredményt két tizedesjegyre pontosan adja meg! K = π⋅d K d= π 20 cm d= 3,1415 d ≈ 6,37 cm 1 ⋅ π ⋅ d2 4 1 T = ⋅ 3,1415 ⋅ 6,372 cm2 4 T=

T ≈ 31,87 cm2


1.7.6 Testek Egy test háromdimenziós, és felületek határolják. Tartalmát térfogatnak nevezzük. Egy kockát hat egyenlő méretű négyzet határol. Ebből következően a kocka felülete: A = 6 ⋅ a2

Mivel a kocka minden oldala azonos hosszúságú, térfogata: V = a3

33

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A kocka a téglatest speciális formája. A téglatest esetén a páronként egymással szemben elhelyezkedő lapok egyenlő nagyságú téglalapok. A téglatest felülete tehát a hat lap területének összege: A = 2(a ⋅ b + a ⋅ c + b ⋅ c )

A térfogat kiszámításához a három különböző hosszúságú él értékét kell összeszoroznunk: V = a ⋅b ⋅c

A henger esetén két egymással szembeni oldal körlap, a körlapokat pedig a henger palástja köti össze. A henger felülete a két körlap és a palást területének összege. A palást területe a kör kerületéből és a henger magasságából számítható. A henger térfogata a körlap területének és a henger magasságának szorzata. Példa

A henger átmérője 5 cm, magassága 20 cm. Mekkora a henger felülete és térfogata? Először a kör kerületét és területét határozzuk meg: 1 ⋅ π ⋅ d2 4 1 T = ⋅ 3,1415 ⋅ 52 cm2 4 T=

T = 19,635 cm 2

K = π⋅d K = 3,1416 ⋅ 5 cm K = 15,708 cm

A kör kerületéből és a henger magasságából kiszámítjuk a hengerpalást felületét: Ap = K ⋅ m A p = 15,708 cm ⋅ 20 cm

A p = 314,16 cm 2

A teljes felület értékének kiszámításához a fenti értékhez hozzá kell adni a két körlap területét is: Ahenger = 2 ⋅ Tkör + Apalást A henger = 2 ⋅ 19,635 cm 2 + 314,16 cm 2

34

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos A henger = 353,43 cm 2

A térfogatot a körlap területének és a henger magasságának szorzatából kapjuk: Vhenger = Tkör ⋅ m Vhenger = 19,635 cm 2 ⋅ 20 cm Vhenger = 1392,7 cm 3

A hengerrel ellentétben a hasáb nem kör-, hanem három, négy vagy még több szögű felületekkel rendelkezik. A téglalap tehát a hasáb speciális esete. A gömb olyan test, mely felületének minden pontja egyenlő távolságra helyezkedik el középpontjától. Ezt a távolságot nevezzük sugárnak. A gömb felületét a következőképpen számítjuk: A = 4 ⋅ π ⋅r2

Térfogata: V=

4 ⋅ π ⋅ r3 3

Feladat Oldja meg a munkafüzet 24. feladatát! Természetesen ezeken a testeken kívül még számtalan más forma létezik, ezekre azonban itt nem térünk ki.

35


36


2 Műszaki fizika 2.1 A fizika alapjai 2.1.1 Fizikai mennyiségek és mértékegységeik Egy fizikai tárgy mérhető tulajdonságait fizikai mennyiségekkel írjuk le. Ezeket különböző fizikai számítások kapcsolják össze. A fizikai mennyiségek két részből, egy mérőszámból és egy mértékegységből állnak. A nemzetközi egységrendszer a fizikára hét bázismennyiséget definiál. Az alábbi táblázat ezeket az SI-egységeket (a franciából: Systèm International d’Unités) tartalmazza: 1. táblázat: SI-egységek Mennyiség Hossz Tömeg Idő Áramerősség Hőmérséklet Anyagmennyiség Fényerősség

Egység Méter Kilogramm Másodperc Ampére Kelvin Mol Candela

Jel m kg s A K mol cd

Ezekből a bázismennyiségekből természetesen további mennyiségek származtathatók. Példa

A sebesség összetett mennyiség, a hosszból és az időből tevődik össze. Egy adott idő alatt egy adott távolságot teszünk meg. Ezért egysége m/s. A gyorsulás a sebesség adott idő alatt bekövetkező változása, mértékegysége ezért m/s2. Mivel a számértékek néha nagyon nagyok, ill. nagyon kicsik is lehetnek, gyakran előtagot (prefixumot) használunk. Ezeket az előtagokat a mértékegység elé írjuk. Elsősorban ezres léptéket használunk (ám lehet más is, pl. 1 m = 100 cm). A legfontosabb előtagokat az alábbi táblázat tartalmazza:

37

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ 2. táblázat: Az SI-egységek gyakori előtagjai Előtag Nano Mikro Milli Kilo Mega Giga Példa

Jele n µ m k M G

Faktor 0,000 000 001 0,000 001 0,001 1000 1 000 000 1 000 000 000

Egy utca hossza 5,8 km. Egy kilométer 1000 m-nek felel meg. Az utca hossza tehát 5800 m. A fizikai mennyiségeket használatakor ügyelni szokás arra, hogy a tizedesvessző előtt lehetőleg kevés számjegy álljon.

Feladat Oldja meg a munkafüzet 25. feladatát! A bázisegységekből matematikai képletek segítségével további egységek képezhetők. A képletek általános érvényességének érdekében a mennyiségeket meghatározott betűkkel jelöljük. Így például az erőt a nagy F, a tömeget a kis m jelöli. Ügyelnünk kell arra, hogy a tömeg jelét ne keverjük össze a méter (m) jelölésével! A dimenzió a mérőszámmal való kapcsolatot állítja elő. A szélesség és a sugár dimenziója a hossz, és a méter mértékegység tartozik hozzá. Dimenzió nélkülinek nevezzük azokat a fizikai mennyiségeket, melyek esetén az egységet el lehet egyszerűsíteni, azaz azok az egyszerűsítés után 1-et eredményeznek. Ilyen dimenzió nélküli mennyiség például a légellenállás értéke.

2.1.2 Fizikai képletek Az olyan matematikai egyenleteket, melyekben fizikai mennyiségek szerepelnek fizikai képleteknek nevezzük. Az erőt például az Erő = Tömeg · Gyorsulás képlet alapján számítjuk. A megfelelő jelölések használatával: F=m·a Ezután a betűk helyére a megfelelő értékeket behelyettesítve különböző erőket számolhatunk. Ügyelnünk kell arra, hogy minden 38

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos mennyiséget mértékegységével együtt adjunk meg, melyet a számítás során figyelembe is kell vennünk. Ez segít a képlet eredményének ellenőrzésében, hiszen a várt eredmény mértékegysége ismert, így ennek kell kijönni a képlet végigszámolásakor is. Példa

F=m·a F = 1kg · 10m/s2 F = 10 kg · m/s2 F = 10N A fizikában nem fordul elő egység nélküli számítás, hiszen ebben az esetben az eredmény mindössze egyetlen szám, amiről ebben a formában nem eldönthető, minek az értéke. Például egy 10 értékű erőről nem eldönthető, ez vajon 10N vagy 10kN.

2.2 Erő Az erő jele a nagy F. Egysége Newton, melynek jele N. Az erő egy adott tömeg gyorsításához szükséges. Képletként tehát: F=m·a 1kg tömeg 1m/s2 –ra gyorsításához 1N erő szükséges. F=m·a F=m·a F = 1 kg · 1m/s2 F = 1N Példa

Mekkora tömegre hat az 1 N függőleges erő. A gravitációs gyorsulás 9,81 m/s2. m=F/a m = 1N / 9,81m/s2 m = 0,1019 kg

Fontos

Az erő teljes leírásához nagysága, helyzete és iránya is szükséges.

8. ábra: Az erő grafikus ábrázolása

39


Az erőt grafikusan gyakran nyílként ábrázolják. Ekkor a nyíl hossza az erő nagyságát jelöli. A nyíl térbeli elhelyezkedése és iránya a nyíl helyzetének és irányának felel meg. Az erő vektoriális mivoltának (azaz azon tulajdonságának, hogy nagysága mellett iránya is van) jelzésére gyakran az F fölé kis nyilat rajzolunk. Az angol nyelvterületen ugyanezt az F betű aláhúzásával jelölik. Az erővektort hatóvonala, azaz a nyíl iránya mentén eltolhatjuk. Párhuzamos eltolás azonban nem történhet, mivel ez megváltoztatná a támadáspontot, azaz azt a helyet, ahol az erő hat. Az ábrán bemutatott F1 erő hatása tehát megfelel az F2 erő hatásának. F3 azonban másként hat mint F1, mivel támadáspontja máshol helyezkedik el.

2.2.1 Erők összegzése Több, ugyanarra a testre ható erő összefoglalható egyetlen eredő erőként. Az összegzés akkor a legegyszerűbb, ha az erők hatásvonala megegyezik, ekkor egyszerűen nagyságukat adjuk csak össze. Ekkor az eredő nyíl hossza a két összeadandó nyíl hosszának összege. Ha az erők éppen ellentétes irányokba hatnak, a kisebb abszolút értékű erőt levonjuk a nagyobb abszolút értékű erőből. Az eredő nyíl így kisebb, mint a két eredeti nyíl nagyobbika.

9. ábra: Erők összegzése A vektoriális írásmód használatával a vektorok között mindig egyszerű összeadásjel szerepel, még ha a különböző erők ellentétes irányba mutatnak is. Ennek oka, hogy a vektoroknak nem csak nagyságuk, hanem irányuk is van, tehát ez már magában a vektorban szerepel.

40

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos Az azonos támadáspontú erők összeadására két grafikus módszer létezik. Az egyik lehetőség, hogy a két összeadandó vektort egymás után rajzoljuk, azaz a második kiindulópontja az első vektor csúcsa lesz. Az eredő erő az első vektor kezdőpontjából a második vektor csúcsába húzott nyíl. A vektor hossza megfelel az erő nagyságának. A második lehetőség, hogy az erővektorokkal párhuzamosan egy paralelogrammát rajzolunk. Ekkor a két új oldal párhuzamos az eredeti erőkkel. Az eredő erő támadáspontja ekkor a közös kiindulópont, a végpont pedig a parallelogramma két új oldalának metszéspontja. Éppúgy, mint fent, az eredő vektor hossza itt is megfelel az erő nagyságának. Ha egy testre több, különböző pontban ható erő hat, ezeket az öszszegzés előtt hatásvonaluk mentén egy közös metszéspontig el kell tolni. Ezután a már ismertetett módon összegezhetjük őket.

10. ábra: Erők grafikus összeadása Két, egymással nem párhuzamos erő esetén mindig létezik metszéspont. Három vagy még több erő esetén azonban ez már nem mindig van így. Az összes erő összegzésekor ezért előbb két erőt adunk össze, majd az eredőhöz adjuk hozzá egymás után egyesével a többi erőt. Tehát az első két erőt hatásvonaluk mentén eltoljuk, amíg nem metszik egymást, majd összeadjuk őket. Ezután a harmadik erőt eltoljuk az ő hatásvonala mentén, amíg nem metszi az első eredőt, és ezeket is összeadjuk. Szükség esetén az így kapott eredőhöz adjuk hozzá a negyedik erőt, és így tovább.

41


11. ábra: Több erő grafikus összegzése Ügyeljünk azonban arra, hogy a két erő, mely a parallelogrammát alkotja, már benne van az eredőben, így ezeket nem szabad ismét bevonni az összegzésbe! Párhuzamos erők összegzése az eddig bemutatott módszerek egyikével sem lehetséges, mivel párhuzamosok esetén nem képezhető metszéspont. A párhuzamos erők összeadásakor tehát két segéderőt kell bevezetni, melyek nagysága azonos, irányuk azonban ellentétes, támadáspontjuk pedig a párhuzamos erők támadáspontja. Mivel a két segéderő nagysága egyenlő, irányuk pedig ellentétes, eredőjük (összegük) nulla, azaz nem okoznak zavart. Ezt követően összeadjuk az egyik erőt a hozzá tartozó segéderővel, majd a másikat, az ő hozzá tartozó segéderővel. A két eredő erő már nem párhuzamos, tehát képezhető metszéspont. Ezután az összeadás a megszokott módon elvégezhető. Ha kettőnél több párhuzamos erőt kell összeadnunk, itt is, mint az fentebb bemutattuk, előbb két erőt adunk össze, majd ennek eredőjéhez adjuk hozzá a harmadikat, mely összeadáshoz ismét segéderőket használunk, majd ennek eredőjéhez adjuk hozzá a negyediket, stb.

42


12. ábra: Párhuzamos erők grafikus összeadása

2.2.2 Erők komponensekre bontása Az erők összeadásának ellentéte az erők komponensekre bontása. Erre akkor van szükség, ha tudni akarjuk, az adott erő mekkora hányada hat egy adott irányba. Az összeadással ellentétben az erők felbontása esetén a részerők hatásiránya adott. Tetszőleges irányba ható erőt felrajzolunk egy x- és egy y-tengellyel rendelkező koordinátarendszerben. Határozzuk meg, mekkora az xés az y-irányú erőkomponens. Az erőkomponensek kiszámításához az x- és az y-tengelyt toljuk el úgy, hogy azok áthaladjanak az eredeti erővektor kiindulópontján, majd úgy, hogy annak végpontján is. Ekkor egy olyan négyszög keletkezik, melyben az erővektor két egymással átellenes sarkot érint. A négyszög két oldala, mely az erővektor kezdőpontjából indul, az x- és az y-irányú erőkomponens. A két nyíl hossza a részerők (erőkomponensek) adott irányú nagyságának felel meg. Feladat Oldja meg a munkafüzet 26. és 27. feladatát!

13. ábra: Az erők grafikus felbontása

43


2.3 Forgatónyomaték Ha egy szabadon mozgó testre egy adott erő pontosan annak súlypontjában hat, a test gyorsul. Ha azonban az erő nem pontosan a súlypontban hat, forgató hatást fejt ki. Ezt a forgató hatást az erő hatása nyomán fellépő forgatónyomaték váltja ki. A forgatónyomaték egy erő és ennek hatásvonalának a test forgóvagy súlypontjától mért távolságának szorzata. Az erő hatásvonala a forgópontra merőlegesen áll. A forgatónyomaték mértékegysége szintén az erő és a távolság szorzatából képezhető, egysége tehát Newtonméter (Nm). A forgatónyomaték kiszámításának képlete: Forgatónyomaték = Erő ⋅ Erőkar M=F⋅l

14. ábra: Forgatónyomaték Példa

Egy csavart 40 Nm-es forgatónyomatékkal kell meghúzni. A csavarkulcs hossza 200 mm. Mekkora erőt kell kifejtenünk, hogy elérjük ezt a forgatónyomatékot? M=F⋅l F=M/l F = 40 Nm / 0,2 m F = 200 N A csavarkulcsra 200 N erőt kell kifejteni.

44

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos Ha egy másik, 400 mm hosszú csavarkulcsot használunk, csak 100 N erőre van szükség. Ha azonban csak 100 mm hosszú a csavarkulcsunk, 400 N erőre van szükségünk. A forgatónyomatékot nem csak egyetlen erővel, hanem több erő összegeként is előállíthatjuk. Ehhez azonban ezeknek az erőknek egy síkban kell elhelyezkedniük. Az előző példánknál maradva tehát nem csak csavarkulcsot használhatunk, hanem a másik oldalról egy az anyát meghúzó / kioldó csőkulcsot is. Tehát több forgatónyomaték esetén az eredő forgatónyomaték az egyes nyomatékok összege. Feladat Oldja meg a munkafüzet 28. - 30. feladatát!

15. ábra: Forgatónyomatékok összeadása

2.4 Erő- és nyomatékegyensúly Egy testre egy adott időpillanatban több erő és nyomaték is hathat. A test csak akkor marad nyugalmi állapotban, ha ezek hatása kiegyenlíti egymást. Az egyensúlyi kritériumot a következőképpen fogalmazhatjuk meg: Minden, a testre ható erő eredője legyen nulla: F1 + F2 + .. = 0 Minden, a testre ható forgatónyomaték eredője legyen nulla: M1 + M2 + .. = 0

45

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Egy léggömb se nem süllyed, se nem emelkedik, ha a felhajtóerő és a súlyerő kiegyenlíti egymást. Ha nem fúj oldalirányú szél, oldalra sem mozdul el. Ennek megfelelően forogni sem kezd, ha nem hat rá forgatónyomaték.

16. ábra: Erőegyensúly

2.5 Emelő Az emelő egy olyan merev tárgy, mely egy tengely körül elfordítható. Az emelő segítségével megváltoztathatjuk az erő nagyságát vagy irányát. Ahhoz, hogy az emelő egyensúlyban legyen, legalább két erőnek kell hatnia rá. Minden erő forgatónyomatékot ébreszt a forgópontban. Az emelő akkor van egyensúlyban, ha az összes, az erők hatására kialakuló, forgatónyomaték összege nulla.

46

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos Példa

Egy kétkarú mérleg egyik karján, a középponttól 20 cm távolságban egy súly lóg. A mérleg másik karján egy 5 N súlyú nehezék lóg, ennek távolsága a forgási ponttól 50 cm. Mekkora az első súly, ha a mérleg egyensúlyban van? FL ⋅ lL = FG ⋅ lG FL = FG ⋅ lG / lL FL = 5N ⋅ 0,5m / 0,2m FL = 12,5N A súly 12,5 N.


17. ábra: Forgatónyomatékok egy kétkarú mérleg esetén

2.6 Nyomás A tartályban található gázok és folyadékok a tartály falára nyomást gyakorolnak. Ezt a nyomást az az erő határozza meg, mely az adott felületre hat. Ezt a törvényszerűséget a Pascal-törvénynek nevezzük. P=F/A Nyomás = Erő / Felület Az erő és a felület mértékegységéből adódik, hogy a nyomás mértékegysége SI-egységben N/m2. Az egyszerűség kedvérért ez az egység az önálló, Pascal (Pa) nevet kapta. 1 Pa = 1N/m2 Az egy Pascalnyi nyomás nagyon kis érték. A Föld felületén a légnyomás kb. 100 000 Pa. Ezért a nyomást gyakran Kilopascalban, vagy Megapascalban adjuk meg.

47

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ 1 000 Pa = 1 kPa 1000 000 Pa = 1 000 kPa = 1 MPa = 1 N/mm2

18. ábra: A Pascal-törvény Az SI-egységektől eltérő módon, a műszaki területen gyakran a bart használják mértékegységként. 1 bar nagyjából megegyezik a Föld felületén észlelhető légnyomással. 1 bar = 100 000 Pa = 10 N/cm2 Az atmoszféra légnyomása abszolút nyomás, mivel nyomásmentes térből mérjük. A légnyomást gyakran pamb –ként jelölik. Az amb ambienst, azaz környezőt jelent. A légnyomás értéke az időjárástól függően 960 és 1040 mbar között ingadozik. A műszaki életben a nyomást gyakran túlnyomásként adják meg. A pe jelölés esetén az e excedens-t, azaz túllépő-t jelent. A különböző tartályok manométerei (nyomásmérői) általában a túlnyomást mutatják. A negatív túlnyomást alulnyomásnak nevezzük. A Föld felszínén maximum 1 bar alulnyomás lehetséges. Számításokhoz az abszolút nyomás értékére (pabs) van szükségünk. Az abszolút nyomás értéke soha nem lehet kisebb nullánál.

48


19. ábra: Abszolút és túlnyomás Az elavult ata és atü egységeken kívül csak a bar esetén nem felismerhető, vajon abszolút vagy túlnyomást jelöl. Ha ez nem lenne egyértelmű, mindenképpen explicit meg kell adni, melyik eset áll fenn. Példa

Egy henger átmérője 32 mm, 6 bar nyomás hat rá. A veszteségeket elhanyagolva, mekkora erőt fejt ki a henger? Egy kerek, 32 mm átmérőjű henger felülete 8 cm2. p=F/A F=p⋅A F = 6 bar ⋅ 8 cm2 F = 60 N/cm2 ⋅ 8 cm2 F = 480 N A henger 6 bar nyomás mellett 480 N erőt fejt ki.

Feladat Oldja meg a munkafüzet 32. és 33. feladatát!

2.6.1 Erőáttétel A Pascal-törvény egyik gyakorlati alkalmazása az erőáttétel. Egy zárt tartályban gáz vagy folyadék található, a tartályhoz pedig két, különböző átmérőjű henger csatlakozik. A hengerekre ható erő a tartály belsejében nyomást hoz létre. Mivel a hengerek különböző méretűek, az egyensúlyi állapot eléréséhez a nagyobb felületű hengerre nagyobb erőnek kell hatnia, mint a kisebb felületű hengerre.

49


Az erőáttétel azáltal valósul meg, hogy a kis felületű hengerre ható kisebb erő a nagyobb felületű hengeren nagyobb erőt generál. Így működnek például a hidraulikus prések. Az emelőhöz hasonló módon azonban a kisebb hengernek nagyobb utat kell megtennie, mint a nagyobb hengernek. Ahhoz, hogy a nagyobb henger is megtehesse ugyanazt a távolságot, a kisebb hengernek többször is ide-oda kell mozognia, miközben a visszalökéskor a kisebb henger folyadékot szív be. Az erőáttételre az alábbi képlet érvényes: p = F1 / A1 = F2 / A2 A tartályban elhelyezkedhet egy további henger is. Ezen szabadon mozgó henger mindkét oldala azonos felületű, ezáltal a közegben úgy mozog, hogy mindkét oldalán azonos legyen a nyomás. Ez a henger tehát a nyomást létrehozó anyagok szétválasztására szolgál, és megakadályozza, hogy ezek összekeveredjenek. Példa

A kisebb henger felülete 5 cm2, a nagyobbé 50 cm2. A kisebb hengerre 100 N erő hat. Elhanyagolva a veszteségeket, mekkora erő hat a nagyobb hengerre? F1 / A1 = F2 / A2 100N / 5cm2 = F2 / 50 cm2 F2 = (100 N / 5 cm2 ) ⋅ 50 cm2 F2 = 1000 N A tízszeres felülettel a nagyobb hengeren tízszeres erőt érünk el.

20. ábra: Erőáttétel

50


2.6.2 Nyomásáttétel A nyomásáttétel szintén a Pascal-törvény egy alkalmazása. Itt egy szabadon mozgó hengert alkalmazunk, mely két eltérő nagyságú felülettel rendelkezik. Az ábrán látható felépítés mellett a köztes térnek légtelenítő nyílással is kell rendelkeznie, hogy ne keletkezhessen felesleges légpárna. Ahhoz, hogy a henger erőegyensúlyban legyen, a kisebb felületre nagyobb nyomásnak kell hatnia, mint a nagyobb felületre. Ebben az esetben már a nagy felületre ható kis nyomás is a felületek arányával arányosan nagyobb nyomást okoz. A nyomásáttételre az alábbi képlet érvényes: F = p1 ⋅ A1 = p2 ⋅ A2 A nyomásáttétel alkalmazása például, ha a nagyobb felületre sűrített levegőt kapcsolunk, mely egy hidraulikus folyadék kisebb felületén lényegesen nagyobb nyomásként áll rendelkezésre.

21. ábra: Nyomásáttétel Példa

A nagyobb henger felülete 50 cm2, a kisebbé 5 cm2. A nagyobb hengerre 5 bar nyomás hat. Elhanyagolva a veszteségeket, mekkora nyomás hat a kisebb hengerre? p1 ⋅ A1 = p2 ⋅ A2 5 bar ⋅ 50 cm2 = p2 ⋅ 5 cm2 p2 = 5 bar ⋅ 50 cm2 / 5 cm2 p2 = 50 bar A tízszeres felülettel a kisebb hengeren tízszeres nyomást érünk el.


51


2.6.3 Gáztörvény A folyadékok meghatározott térfogattal rendelkeznek. Ezzel szemben a gázok kitöltik a rendelkezésre álló teret. Ideális gázok esetén a nyomás, hőmérséklet és a térfogat összefüggését egy egyszerű képlet adja meg. A levegő csak közelítőleg tekinthető ideális gáznak. p1 ⋅ V1 p 2 ⋅ V2 = T1 T2

A képlet használatkor ügyeljünk arra, hogy az itt használandó nyomás abszolút nyomás! Ugyanez érvényes a hőmérsékletre is, itt az értékeket Kelvinben adjuk meg. Ha valamely a gázban végbemenő változás során a nyomás, a hőmérséklet vagy a térfogat változatlan marad, a számítás egyszerűsíthető. Ha a hőmérséklet marad állandó: p1 ⋅ V1 = p 2 ⋅ V2

Ha a térfogat marad változatlan: p1 p 2 = T1 T2

Ha pedig a nyomás nem változik: V1 V2 = T1 T2

Példa

8m3 levegőt 1m3-re sűrítünk. A beszívott levegő hőmérséklete 20°C. A sűrítés során a hőmérséklet 50°C-ra nő. Mekkora a sűrített levegő nyomása? p1 ⋅ V1 p 2 ⋅ V2 = T1 T2 p 2 ⋅ 1m 3 1bar ⋅ 8m 3 = (273 + 20)K (273 + 50)K p2 =

52

1bar ⋅ 8m 3 ⋅ (273 + 50 )K (273 + 20 )K ⋅ 1m 3

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos 8m 3 ⋅ 323K bar 1m 3 ⋅ 293K p 2 = 8,82 bar p2 =

Az így kiszámított nyomás abszolút nyomás. Ha a sűrített levegő tartályban található, a túlnyomás mindössze 7,8 bar. Ha a sűrített levegő a sűrítés után lehűl a környezet hőmérsékletére (20°C), csökken a nyomása. Mekkora lesz a nyomás a hőmérséklet csökkenése után? A térfogat nem változik. p1 p 2 = T1 T2 p2 8,82bar = 293K 323K 8,82bar ⋅ 293K p2 = 323K p 2 = 8bar

A lehűlés következtében a sűrített levegő nyomása 8bar abszolút nyomásra csökken. Ez 7bar túlnyomásnak felel meg.

2.6.4 Áramló közegek Ha egy folyadék vagy gáz egy csőben áramlik, egy adott térfogat áramlásának sebessége a cső átmérőjétől függ. Minél kisebb a keresztmetszet, annál gyorsabban kell áramolnia a közegnek. Az áramlási sebesség és a keresztmetszet közötti összefüggést kontinuitási egyenletnek nevezzük, és az alábbi képlet alapján számítjuk: v1 ⋅ A1 = v 2 ⋅ A 2

Miután a szűk keresztmetszet helyén felgyorsul az áramlás, a nagyobb keresztmetszetű helyeken ismét lelassul. Ha az áramló közeggel kívülről nem közlünk, vagy nem veszünk el tőle energiát, az energia mennyisége változatlan marad. Mivel a nagyobb áramlási sebesség miatt a közeg mozgási energiája nő, a nyomás energiája ennek megfelelően csökken. A nyomás annyira lecsökkenhet, hogy a szűk keresztmetszetű helyeken kis nyíláson nem lép ki folyadék. Ezt a hatás a gőzsugár-

53

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ fecskendők esetén ki is használják, itt a szívótappancsokban hoznak létre így alulnyomást.

22. ábra: Kontinuitási egyenlet

2.7 Feszültség A feszültség fogalmát itt, ebben a környezetben szilárd testek esetén alkalmazzuk. Nem keverendő össze az elektromos feszültséggel. Eddig, az erők és momentumok (nyomatékok) vizsgálatakor abból indulunk ki, hogy a testek merevek, azaz a terhelések hatására alakjuk nem változik. Ez azonban csak akkor igaz, ha szilárdságuk megfelelően nagy. A testekre erő és momentum formájában ható terhelések hatását a feszültség fogalma írja le. A terhelést adott felületegységre vonatkoztatjuk. A terhelést kiváltó erő, és az általa létrejövő feszültség egy irányba mutatnak. Általánosan tehát: Feszültség = Erő / Felület Ahol a feszültség egysége N/mm2. A mechanikai feszültségek két alapvető kategóriáját különböztetjük meg. A normális irányú feszültség σ a normális irányába, azaz a felületre merőlegesen hat. A felület keresztmetszete S. A normális irányú feszültség elsősorban nyomás, húzás vagy hajlítás esetén lép fel. Számítása: σ=F/S Ezzel ellentétben a nyírófeszültség τ a szemlélt keresztmetszettel megegyező síkban hat. Nyírófeszültség lép fel nyírás vagy csavarás esetén. Számítása:

54


τ=F/S Szilárd testek mellett azonban gázokban és folyadékokban is léphet fel feszültség. Példa

Egy 600 kg-os súlyt akarunk felakasztani egy kampóval ellátott csavarra. Egy M8-as csavar legmagasabb megengedett feszültsége – az anyagok minőségét tartalmazó táblázatok szerint – 400N/mm2. A legkisebb keresztmetszet 30mm2. Elbírja a kampó a terhet? σ=F/S F=σ⋅S F = 400 N/mm2 ⋅ 30 mm2 F = 12000 N A csavar 12000 N terhelést bír el. Következő lépésben a súly súlyerejét kell kiszámolnunk. Ehhez a nehézségi gyorsulás értékét kerekítve 10m/s2-el vesszük figyelembe. F=m⋅g F = 600 kg ⋅ 10 m/s2 F = 6000 N A súly a csavarra 6000 N erőt fejt ki. Ez az erő mindössze fele akkora, mint a maximálisan megengedett erő. A csavar tehát elbírja a súlyt. Mivel a csavar ennek kétszeresét bírná el, a biztonsági faktor ebben az esetben 2.

2.8 Súrlódás Ha két, egymással érintkező tárgyat egymástól eltérő irányba kell elmozdítanunk, köztük súrlódási erő lép fel. Ez az erő a mozgás irányával ellentétes irányba hat, tehát akadályozza a tárgyak egymáson való elmozdulását. A súrlódási erőt Fs-el jelöljük. Nagysága egyrészt függ attól, hogy az egymással érintkező tárgyak milyen erővel nyomódnak egymásnak: ez az erő merőleges az érintkező felületre, tehát normális irányú: FN. A súrlódási erő és a normális irányú erő, mint minden más erő mértékegysége, N. Másrészt a súrlódási erő a felület anyagi minőségétől is függ. Ezt a µ súrlódási együttható adja meg. A súrlódási együttható mindig két 55

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ felületre érvényes. Egy egyetlen felület esetére nincs értelme a súrlódási együttható megadásának. A súrlódási együttható tehát azt adja meg, hogy két tárgy mennyire jól, vagy rosszul csúszik el egymáson. A nagyobb súrlódási együttható nagyobb súrlódást jelent, azaz nehezebb a csúszás. A súrlódási együttható mértékegység nélküli szám. A súrlódási erőt következőképpen számítjuk: Fs = µ ⋅ FN A súrlódás mértékének tekintetében az egymáson súrlódó felületek mérete nem bír jelentőséggel. Azonban a súrlódódás mellett hathatnak más erők is, például a tárgyakat összetarthatja az adhéziós erő is.

23. ábra: Súrlódási erő A súrlódás egy speciális esete a tapadási súrlódás. Két olyan tárgy között lép fel, melyeket egymással ellentétes irányba akarunk elmozdítani. A tapadási súrlódás ezt a mozgást akadályozza meg. A tapadási súrlódás súrlódási együtthatóját µ0 jelöli. A tapadási súrlódás, mint fogalom azonban némileg félrevezető, hiszen ekkor még nincs mozgás. Se energia nem alakul át, se hő nem keletkezik. Ezért a tapadási súrlódás helyett gyakran a tapadás kifejezést használják. A súrlódás másik formája a csúszási súrlódás. Akkor lép fel, ha két egymással érintkező tárgy egymáson elcsúszik. Mint a súrlódásnál általában, a súrlódási együtthatót itt is µ jelöli. A csúszási súrlódás mindig kisebb, mint a tapadási súrlódás. Ezért van az, hogy egy ferde felületen csúszásnak indult tárgy, amint elkezdett csúszni, már nem tud megállni.

56

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos A súrlódás további formája a gördülési súrlódás, ezek kerekek vagy fúrás esetén lépnek fel, azaz olyankor, amikor egy golyó forog valamely felületen. Súrlódás folyadékok és gázok esetén is fellép. Ez a súrlódás azonban általában sokkal kisebb, mint a szilárd testek között létrejövő súrlódás. A műszaki életben ezért használnak a szilárd testek közötti súrlódás csökkentésére kenőanyagokat. Példa

Egy vasúti kocsi fékei blokkolnak, azaz nem forognak a kerekek. A 80 kN súlyú kocsit húzni kell a sínpálya egy részén. Táblázatokból megállapítható, hogy az acél-acél tapadási súrlódás együtthatója 0,15, a csúszási súrlódásé pedig 0,1. Mekkora erőt kell kifejtenünk ahhoz, hogy a kocsi megmozduljon, és mekkorát ahhoz, hogy húzni tudjuk? Fs = µ0 ⋅ FN Fs = 0,15 ⋅ 80 kN Fs = 12 kN

Fs = µ ⋅ FN Fs = 0,1 ⋅ 80 kN Fs = 8 kN

A kocsi mozgásba hozásához 12 kN erőt kell kifejtenünk, a mozgásban tartáshoz pedig 8 kN-t. Feladat Oldja meg a munkafüzet 35. feladatát!

2.9 Út, sebesség és gyorsulás Mozgás esetén a test egy adott idő alatt megváltoztatja a helyzetét. Ekkor a sebesség határozza meg, a test milyen gyorsan halad egyik helyről a másikra. A gyorsulás a sebesség változását adja meg.

2.9.1 Egyenletes mozgás Az egyenletes mozgást egyenesvonalú egyenletes mozgásnak is nevezzük. Ekkor a test állandó sebességgel mozog, azaz azonos idő alatt mindig azonos távolságot tesz meg. A tehetetlenség törvényének értelmében egy test egyenesvonalú egyenletes mozgást végez, ha a rá ható erők összege nulla. Tiszta egyenletes mozgás esetén tengely körüli elfordulás sem történik. A sebességet az alábbi képlet alapján számítjuk: Sebesség = Megtett út / Idő v=s/t

57

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A fizikában az időt másodpercben (s), az utat pedig méterben (m) adjuk meg, a sebesség mértékegysége tehát m/s. A mindennapi életben a sebességet gyakran km/h-ban adjuk meg, de lehetséges a m/min is. A fizikában azonban ajánlatos ezeket elkerülni. A m/s-ban megadott sebesség km/h-ra való átszámításakor a 3,6-os faktort használjuk: 1 m/s = 60 m/min = 3600 m/h = 3,6 km/h Tehát ha m/s-ról km/h-ra akarjuk átszámítani valamely értéket, ezt 3,6-al kell megszorzunk. Fordított esetben a km/h értéket 3,6-al kell elosztanunk, hogy m/s értéket kapjunk. Példa

Egy autó 4 óra alatt 360 km-t tesz meg. Mekkora az autó egyenletes sebessége? Az eredményt km/h-ban és m/s-ban is adjuk meg! v=s/t v = 360 km / 4 h v = 90 km/h v = 90 km/h /3,6 = 25 m/s Az autó 90 km/h-val mozog. Ez 25 m/s-nak felel meg.


2.9.2 Gyorsuló mozgás Egy testre ható erő megváltoztathatja annak sebességét. A sebességnek ez a változása a gyorsulás. A sebesség változása eredményezhet magasabb vagy alacsonyabb sebességet, tehát a „lassulás” negatív gyorsulás. A legegyszerűbb eset, amikor a gyorsulás egy adott időtartam alatt egyáltalán nem változik. Ez az úgy nevezett egyenletes gyorsulás. Ezt az alábbi módon számítjuk ki: Gyorsulás = Sebességváltozás / Időtartam a = ∆v / ∆t Mivel itt a sebességet idővel osztjuk, a gyorsulás mértékegysége m/s2.

58

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos A gyorsulás egyik speciális formája a gravitációs gyorsulás, mely az egymást vonzó testek által egymásra gyakorolt nehézségi erejéből adódik. A Földön a gravitációs gyorsulás átlagértéke 9,81 m/s2. A körmozgás is gyorsuló mozgás. Itt azonban nem a sebesség nagysága, hanem annak iránya változik. Példa

Egy ejtőernyős kiugrik egy repülőből. Ha elhanyagoljuk a levegő ellenállását, 3 másodperc elteltével mekkora sebességre tenne szert? A számításhoz használjuk a gravitációs gyorsulás 10 m/s2-re kerekített értékét! A sebességét adjuk meg m/s-ban és km/h-ban is! a = ∆v / ∆t ∆v = a ⋅ ∆t ∆v = 10 m/s2 ⋅ 3 s ∆v = 30 m/s = 108 km/h 3 másodperc elteltével az ejtőernyős sebessége 30 m/s, azaz 108 km/h lenne. Azonban a légellenállás miatt ez az érték a valóságban nem érhető el. A feladat megoldásakor abból indultunk ki, hogy a gyorsulás kezdetekor a kiindulási sebesség nulla volt, azonban ez nem mindig igaz.

Példa

Egy ICE 144 km/h, azaz 40 m/s sebességgel robog. 20 másodpercen keresztül 0,5 m/s2–el gyorsul. Mekkora az elért végsebesség? a = ∆v / ∆t ∆v = a ⋅ ∆t ∆v = 0,5 m/s2 ⋅ 20 s ∆v = 10 m/s = 36 km/h A vonat sebessége 10 m/s-al, 50 m/s-ra, azaz 180 km/h-ra.

azaz

36 km/h-val

növekszik

Feladat Oldja meg a munkafüzet 37. feladatát! Nulla kiindulási sebesség és egyenletes gyorsulás esetén a sebességváltozás és az időtartam helyett a végsebességet és a teljes időt is megadhatjuk. Ebben az esetben a képlet az alábbi módon módosul: a=v/t vagy

59


v=a⋅t Egyenletes mozgás esetén, mint láttuk, érvényes a v=s/t Ezt átrendezve: s=v⋅t Mivel egyenletes mozgás esetén a sebesség a nulláról a végsebességig egyenletes mértékben emelkedik, a sebesség átlag értékeként a végsebesség felét használhatjuk. Így az egyenletes gyorsulás során megtett út: s=½ ⋅v⋅t Ha a sebességet a gyorsulás és az idő szorzataként írjuk fel, a megtett út: s = ½ ⋅ a ⋅ t2 Példa

Egy autó 0-ról 100 km/h-ra 10 másodperc alatt gyorsul fel. Ez alatt az idő alatt mekkora utat tesz meg? s=½ ⋅v⋅t s = ½ ⋅ 100 km/h ⋅ 10 s s = ½ ⋅27,8 m/s ⋅ 10 s s = 139 m

A gyorsulás alatt az autó 139 m-t tesz meg. Feladat Oldja meg a munkafüzet 38. feladatát!

2.9.3 Mozgó testre ható erő A mozgás alaptörvényeit elsőként Isaac Newton írta le, ezért Newton-törvények néven ismertek. Newton I. törvénye a tehetetlenség törvénye: Minden test megtartja nyugalmi állapotát vagy egyenesvonalú egyenletes mozgását mindaddig, amíg a rá ható erők összege nulla.

60

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos Ez azt jelenti, hogy egy test adott sebességgel egyenes vonalon mozog, ha kívülről nem hat rá erő. Sebességének nagysága és iránya tehát nem változik. Ezt megfordítva: A mozgásállapot minden megváltozásának oka valamely erőhatás. Egyszerűen kifejezve ez azt jelenti, hogy a gyorsulás oka valamilyen erő. A testre ható erő lehet a gravitáció vagy a súrlódás is. A mozgásállapot, tehát a gyorsulás és az erő közötti összefüggést Newton II. törvénye adja meg: Egy test mozgásának változása arányos a rá ható erővel. A gyorsulás abba az irányba történik, amely irányba az erő hat. Ebből a törvényből következik, hogy kétszer akkora erő kétszer akkora gyorsulást eredményez. Az erő és a gyorsulás közötti arányosság arányossági tényezője adott test esetén állandó, mégpedig a test tömege. Tehát képlet alakban: m=F/a vagy F=m⋅a Mértékegységekben kifejezve: 1 N = 1kg ⋅ 1 m/s2 Tehát 1 N erőre van szükségünk ahhoz, hogy egy 1 kg tömegű testet 1 m/s2-el gyorsítani tudjunk. A Föld gravitációs hatása miatt minden testre a Föld középpontja felé irányuló gyorsulás hat. Ezt a gyorsulást nevezzük gravitációs, vagy nehézségi gyorsulásnak. A gravitációs gyorsulást a gyorsulás általánosan érvényes a betűje helyett g jelöli, értéke pedig 9,81 m/s2. A számítások egyszerűsítése érdekében azonban általában 10 m/s2-el számolunk. A G-vel jelölt súlyerő tehát a testre ható nehézségi erő, és a test tömegének és a nehézségi gyorsulásnak a szorzata:

61


FG = m ⋅ g A mindennapi életben a „súly” szót gyakran a „tömeg” kifejezés helyett használjuk. Például a testek súlyát gyakran a tömeg egységében, azaz kg-ban adjuk meg. A fizikában ezért a tévedések elkerülése végett súlyerőről beszélünk. A nehézségi gyorsulás miatt a Föld felszínén az 1 kg tömegű test súlyereje 9,81 N. FG = m ⋅ g FG = 1 kg ⋅ 9,81 m/s2 FG = 9,81 N Egyszerűsítve, az 1 kg tömegű test súlyereje kb. 10 N. Példa

Mekkora súlyerőt fejt ki a Hold felületén egy 100 kg tömegű test, ha a Hold felszínén a nehézségi gyorsulás értéke 1,6 m/s2? FG = m ⋅ g FG = 100 kg ⋅ 1,6 m/s2 FG = 160 N A Holdon a test súlyereje mindössze 160 N.


2.10 Forgó mozgás Ha egy merev test adott pont körül forog, a test minden pontja ezen forgási középpont körül mozog. A kör sugara a test adott pontjának távolsága a forgási ponttól. A forgás során egy vonal egy adott idő alatt egy adott szögnyi utat tesz meg. Ez az ívmérték. A forgó mozgás leírásához szükséges ϕ szög a körív hossza (s) és a sugár (r) hányadosa. ϕ=s/r A szög egység nélküli, mivel az osztáskor két hosszmértéket osztunk el egymással, tehát kiesnek a mértékegységek. Ennek ellenére a szöget radiánban (rad) mérjük. Ha a körív s hossza megegyezik a sugár r értékével, a szög 1 rad. Ennek megfelelően a P pont 1 radi-

62

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos ánt fordul el a forgási középpont körül, ha a körív hossza megfelel a sugár értékének.

24. ábra: Ívmérték Egy teljes fordulatkor a pontnak a kör teljes kerületének megfelelő utat kell megtennie. A kerület a sugárra vetítve 2 ⋅ π ⋅ r. A teljes fordulat tehát 2 ⋅ π rad. Ha behelyettesítjük a π = 3,14 értéket, a teljes fordulat 6,28 rad. A teljes fordulat tehát: s=2⋅π⋅r Példa

Egy kerék átmérője 0,5 m. A kerék felületének egy pontja mekkora utat tesz meg a kerék háromnegyed fordulata során? d = 0,5 m r = 0,25 m s = 0,75 ⋅ 2 ⋅ π ⋅ r s = 0,75 ⋅ 2 ⋅ π ⋅ 0,25 m s = 1,18 m A kerék pontja 1,18 m-t tesz meg. A szögeket fokban (°) is megadhatjuk. Ekkor egy teljes kör 360 egyenlő részre oszlik. Egy negyed kör tehát 90°-nak felel meg. A radiántól eltérően a fok nem SI-egység. Ennek ellenére a fokokban való számolás mégis általánosan elfogadott. Az átszámítás tehát:

63

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ 1° = 2 ⋅ π / 360 ° ≈ 0,0175 rad 1 rad = 360° / (2 ⋅ π) ≈ 57,3° Feladat Oldja meg a munkafüzet 40. feladatát!

2.10.1

Szögsebesség A sebesség az a távolság, amit a test egyenesvonalú mozgása során egy időegység alatt megtesz. Ennek megfelelően forgás esetén a távolságot egy adott szögtávolság helyettesíti. A szögsebesség (ω) tehát egy egyenletesen forgó test esetén a forgási szög (ϕ) és az idő (t) hányadosa. Éppúgy, mint a sebesség vagy a gyorsulás esetén, az idő- és a távolságkülönbséget itt is ∆ jelöli. ω = ∆ϕ / ∆t A szögsebesség mértékegysége tehát rad/s. Mivel a szög tulajdonképpen dimenzió nélküli mennyiség, gyakran 1/s-ot használunk egységként. Példa

Egy elektromos motor percenként 750 fordulatot tesz meg. Mekkora a szögsebessége? ω = ∆ϕ / ∆t ω = 750 ⋅ 360° / 60 s ω = 4500° 1/s ω = 12,5 ½ A motor szögsebessége 12,5 1/s.

2.10.2

Szöggyorsulás A sebességhez hasonlóan a szögsebesség sem mindig állandó, csökkenhet vagy növekedhet is. A szögsebesség változását a szöggyorsulás jellemzi. A szögsebesség egyenletes gyorsulása esetén a gyorsulás tekinthető az egységnyi idő alatt bekövetkező szögsebességváltozásnak. Ebben az esetben a szöggyorsulást az alábbi módon számítjuk: α = ∆ω / ∆t

64

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos A szöggyorsulás mértékegysége tehát vagy rad/s2, vagy 1/s2. A szöggyorsulás pozitív, ha nő a forgási sebesség. Ezzel ellentétben az előjel negatív, ha a forgás sebessége csökken. Példa

Egy robotkar a nyugalmi állapotból kiindulva 0,3 másodperc alatt érje el a 3 rad/s szögsebességet. Mekkora szöggyorsulás szükséges ennek eléréséhez? α = ∆ω / ∆t α = 3 rad/s / 0,3 s α = 10 rad/s2 Az előírt időn belül a kívánt szögsebesség eléréséhez 10 rad/s2 szöggyorsulás szükséges.


2.11 Munka, energia és teljesítmény 2.11.1

Munka A fizikában a munka, energia és teljesítmény fogalmakat részben a mindennapi használattól eltérően értelmezzük. Ezért lehetséges, hogy a fenti fogalmak használatakor félreértések lépnek fel. Ha egy dobozt a padlón arrébb tolunk, fizikai értelemben munkát végzünk. Az elvégzett munka annál nagyobb, minél hosszabb az út, és minél nagyobb az arrébbtoláshoz szükséges erő. A munka tehát: Munka = Erő ⋅ Út W=F⋅s A munka mértékegysége így tehát Newtonmeter (Nm), mely az önálló Joule (J) névvel rendelkezik. Egy Joule munkát tehát akkor végzünk, ha a testet 1 N erővel 1 mrel elmozdítjuk. A műszaki életben az 1 J munka nagyon csekély, ezért gyakran kWh-t használunk. Ekkor az alábbi átszámítás érvényes: 1 kWh = 3,6 ⋅ 106 J = 3 600 000 J 1 J = 2,778 ⋅ 10-7 kWh

65


Példa

Egy megrakott raklap tömege 100 kg. A raklapot 20 m-el akarjuk elhúzni. A raklap és a föld közötti súrlódási együttható értéke 0,5. Mekkora húzóerő szükséges? Mekkora munkát végzünk? F = µ ⋅ FN = µ ⋅ m ⋅ g = 0,5 ⋅ 100 kg ⋅ 9,81 m/s2 F = 490,5 N 490,5 N húzóerő szükséges. W=F⋅s W = 490,5 N ⋅ 20 m W = 9810 J 9810 J, azaz 9,81 kJ munkát végzünk. Ha egy testet merőlegesen vagy felfelé tolunk el, tolómunkát végzünk. Ekkor az erő a súlyerőnek felel meg. A súlyerő a test tömegéből és a nehézségi gyorsulás értékéből számítható. A megtett út ekkor a magasság, ahova a testet fel kell emelnünk. W = FG ⋅ h W=m⋅g⋅h

Példa

Egy teherfelvonó össztömege 1000 kg, melyet 25 m-rel kell felfelé elmozdítani. Mekkora tolómunkára van ehhez szükség? W=m⋅g⋅h W = 1000 kg ⋅ 9,81 m/s2 ⋅ 2 5m W = 245,25 kJ Egy rugó feszítésekor a feszítéshez szükséges erő az úthosszal nő. Ideális rugó esetén a növekedés arányos az úthosszal. Ezért a rugó feszítéséhez szükséges átlagos erő pontosan fele akkora, mint a maximális erő, mely az úthossz végén szükséges. Képletbe foglalva tehát: W = 1/2 ⋅ Fmax ⋅ s

Példa

66

Egy sportszeren úgy edzhetünk, ha megfeszítjük a készülékhez tartozó rugót. A feszítés úthossza 0,6 m. Az ehhez az úthosszhoz tartozó szükséges erő 400 N. A gyakorlatot 50-szer kell megismételnünk. Mekkora munkát végzünk?

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos W = 1/2 ⋅ Fmax ⋅ s W = 1/2 ⋅ 400 N ⋅ 0,6 m W = 120 J A rugó egyszeri megfeszítéséhez 120 J munkára van szükség. Az 50-szeri megfeszítéskor W = 50 ⋅ 120 J W = 6000 J = 6 kJ munkát végzünk. Egy tömeg gyorsításához erő szükséges. Mint ismeretes, ennek képlete: F=m⋅a Az adott sebességre való gyorsítás eléréséhez szükséges úthossz: s = 1/2 ⋅ v2 / a Ha ezt a két képletet behelyettesítjük a munka képletébe, a gyorsítási munkára a következőt kapjuk: W=F⋅s W = 1/2 ⋅ m ⋅ v2 Egy adott sebességre való gyorsítás eléréséhez szükséges munka tehát csak a gyorsítandó test tömegétől és az elérendő sebességtől függ. Maga a gyorsulás nem szerepel a képletben. Ez azt jelenti, hogy nem fontos, hogy a testet milyen hirtelen gyorsítjuk fel a végsebességre. Egy hosszú, de kis gyorsítás ugyanakkora munkabefektetést igényel, mint egy rövid, de intenzív gyorsítás. A munka csak a végsebesség függvénye. Azonban más hatásokat, mint például a súrlódást persze ekkor még nem vettünk figyelembe. Egy 100 t tömegű mozdonyt 90 km/h sebességre kell felgyorsítani. Mekkora munkát kell ehhez végezni? W W W W

= 1/2 ⋅ m ⋅ v2 = 1/2 ⋅ 100t ⋅ 902 km2/h2 = 1/2 ⋅ 100000 kg ⋅ 252 m2/s2 = 31,25 MJ = 8,68 kWh 67


A gyorsításhoz 31,25 MJ, azaz 8,69 kWh munka szükséges. Feladat Oldja meg a munkafüzet 42. feladatát!

2.11.2

Energia A munkavégzéshez energia szükséges. A munkavégzés során az energia átadásra kerül, és a testben felhalmozódik. Az energia tehát a munkavégzésre való képesség. Az energia közvetlenül nem mérhető. Vagy számítjuk, vagy a végzett munka alapján következtetünk rá. A munka és az energia mértékegysége megegyezik, SI-egysége tehát a Joule. Az energiát azonban gyakran kWh-ban adjuk meg. Az energia számos formában jelentkezhet. A klasszikus mechanika területén elsősorban helyzeti (potenciális) és mozgási (kinetikus) energia formájában fordul elő. Ahhoz, hogy egy testet a Föld nehézségi ereje ellenében fel tudjunk emelni, munkát kell végeznünk. Ez a munka a testben helyzeti energiaként tárolódik. Ekkor a helyzeti energia pontosan akkora, mint az emeléskor elvégzett munka. Epot = m ⋅ g ⋅ h A testben tárolt helyzeti energia később munka elvégzésére használható. Ezt az energiaformát helyzeti energiának nevezzük, mivel a tárolt energia mennyisége a test megemelt helyzetéből adódik. Példa

Egy vízerőműben a vizet az alsó tárolóból a felső tárolóba pumpálják. A felső tároló 150 m-el magasabban helyezkedik el, mint az alsó tároló. Egy köbméter víz mennyi helyzeti energiát tárol? Egy köbméter víz 1000 kg tömegnek felel meg. Epot = m ⋅ g ⋅ h Epot = 1000 kg ⋅ 9,81m/s2 ⋅ 150 m Epot = 1,47 MJ Epot = 0,409 kWh Minden köbméter víz 1,47 MJ, azaz 0,409 kWh helyzeti energiát tárol.

68


Akkor is munkát kell végeznünk, ha egy testet fel akarunk gyorsítani. A gyorsítás után ez az energia mozgási energiaként van jelen a testben. A mozgási energia mennyisége megegyezik a gyorsításkor végzett munka mennyiségével. Ezt az energiaformát mozgási (kinetikus) energiának nevezzük, mivel a tárolt energia mennyisége a test mozgásából adódik. Ekin = ½ ⋅ m ⋅ v2 A mozgási energia esetén a sebesség négyzetesen szerepel a képletben. Ez azt jelenti, hogy a sebesség megkétszerezésekor négyszeres energiamennyiség tárolódik. A gyorsulás mértéke nem mérvadó. Példa

Egy 1500 kg tömegű autó 90 km/h-s sebességgel halad. Mekkora az autó mozgási energiája? Mekkora a mozgási enrgia 180 km/h esetén? Ekin = ½ ⋅ m ⋅ v2 Ekin = ½ ⋅ 1500 kg ⋅ 252 m2/s2 Ekin = 468,75 J A második sebsség esetén: Ekin = ½ ⋅ 1500 kg ⋅ 502 m2/s2 Ekin = 1875 J 90 km/h-s sebesség esetén a mozgási (kinetikus) energia 468,75 J, 180 km/h esetén azonban már 1875 J. A mozgási energia nem csak egyenesvonalú, hanem forgó mozgás esetén is létezik. A mechanikában fontos szerepet játszó helyzeti és mozgási energia mellett az energiának további formái is léteznek. A termikus (hő-) energia az egyes atomok és molekulák rendezetlen mozgásának mértéke. A kémiai energia az atomok és molekulák kötéseiben tárolt energia.Az elektromos és mágneses energia a megfelelő mezők esetén lép fel. Azonban ezeket az energiaformákat itt nem tárgyaljuk.


69


2.11.3

Energiamegmaradás Az előző szakaszban külön helyzeti, és külön mozgási energiákat számoltunk. Lehetséges azonban a két energiaforma egymásba való áttranszformálása. Ekkor a teljes energia se nem csökken, se nem nő. A klasszikus mechanika energia-megmaradási törvénye kimondja tehát, hogy a helyzeti és mozgási energia összege állandó. E = Epot + Ekin = állandó A fenti kijelentés első közelítésben elhanyagolja a súrlódást. Ha a súrlódást is figyelembe vesszük, ügyelnünk kell arra, hogy az energia egy része hővé alakul át. Az energiamegmaradás általánosan azt jelenti, hogy egy zárt rendszerben az energia összege állandó. Ez azt jelenti, hogy egy zárt rendszerben nem keletkezik, illetve nem vész el energia, csak egyik formájából a másikba alakulhat át. A zárt rendszer definíciója, hogy a környezettel nem jöhet létre energia-, anyag- vagy információcsere, azaz a rendszer nem léphet kölcsönhatásba a környezettel. Példa

Egy autó egy egyenes szakaszon 90 km/h-s sebességgel halad. Egy hegyoldalon milyen magasra tud lekapcsolt motorral felgurulni, ha a teljes mozgási energia helyzeti energiává alakul át? Epot = Ekin m ⋅ g ⋅ h = 1/2 ⋅ m ⋅ v2 g ⋅ h = 1/2 ⋅ v2 h = 1/2 ⋅ v2 / g h = 1/2 ⋅ 252 m2/s2 / 9,81 m/s2 h = 31,8 m Az autó 31,8 m-es magasságot tud elérni. Az autó tömege irreleváns.

2.11.4

Teljesítmény A munka esetén nem vettük figyelembe, mekkora sebességgel végezzük. Az idő bevonása a teljesítményt eredményezi. A teljesítmény definíció szerint az egységnyi idő alatt elvégzett munka.

70

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos Teljesítmény = Munka / Idő P = W / ∆t A teljesítmény mértékegységeként J/s-ot kapunk, azonban e helyett a W-ot használjuk. Egy Watt teljesítmény szükséges ahhoz, hogy 1 másodperc alatt 1 J munkát végezzünk. A műszaki életben a teljesítmények inkább a kW tartományban mozognak. Kis motorok teljesítménye lehet azonban csak néhány mW is. A lóerő nem SI-egység, ennek ellenére gyakran használjuk. Az átszámítás: 1 LE = 0,735 kW 1 kW = 1,36 LE Ha a teljesítmény képletében a munka helyére annak az erő és úthossz szorzatát tartalmazó képletét helyettesítjük be, az alábbi formulát kapjuk: P=F⋅v A teljesítmény tehát az erő szorozva a sebességgel. Példa

Egy utánfutó 90 km/h-s vontatásához 500 N erő szükséges. Mekkora a szükséges teljesítmény? P=F⋅v P = 500 N ⋅ 25 m/s P = 12,5 kW 12,5 kW teljesítmény szükséges.


2.11.5

Hatásfok A hatásfok a leadott és a felvett teljesítmény aránya, jele a görög eta: η = Ple / Pfel A hatásfok dimenzió nélküli mennyiség. Százalékos megadásakor 100-al meg kell szorozni.

71

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A hatások nem lehet 0-nál kisebb, de 1-nél nagyobb sem. A hiányzó rész ugyan elveszettnek tartott, a valóságban azonban csak más energiaformává konvertálódik. Leggyakrabban hővé változik át. Ha több, egymás után csatolt gépet szemlélünk, a hatásfokokat öszszeszorozzuk. Az összhatásfok mindig kisebb, mint a legkisebb egyedi hatásfok. Termikus berendezések, például hőerőművek esetén a tulajdonképpen elvesztett hő egy része más feladatokra, például távfűtésre még felhasználható. Ez növeli a hatásfokot, melyet ekkor itt mint berendezés-hatásfokot szemlélünk. Példa

Egy elektromos ütvefúró nominális teljesítményfelvétele 900 W. A leadott teljesítmény 540 W- Mekkora a gép hatásfoka? η = Ple / Pfel η = 540 W / 900 W η = 0,6 A gép hatásfoka 0,6, azaz 60%.

2.12 Hőtan 2.12.1

Hőmérséklet Egy szilárd test, folyadék, vagy gáz hőmérsékletét az egyes atomjai és molekulái átlagos mozgási energiával jellemezzük. A mindennapi életben a hőmérsékletet Celsius fokban (°C) adjuk meg. A hőmérsékleti skála nulla pontja (0°C) a víz fagypontja, 100°C pedig a víz forráspontja. A szilárd-folyékony, és a folyékony-gáz halmazállapotváltozást 1013,25 mbar nyomáson figyeljük meg. Ez a nyomás az úgy nevezett normál nyomás. A fagypont és a forráspont közötti tartomány 100 egyenlő egységre oszlik. Ha a hőmérsékletet °C-ban adjuk meg, jelölésére a kis t-t használjuk. Ezzel szemben az SI-egységek alapján nagy T-t használunk, ha a hőmérséklet értékét Kelvinben (K) adjuk meg. 0K a lehetséges legalacsonyabb hőmérséklet, ekkor szűnik meg teljesen az atomok és molekulák mozgása.

72

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos 0K –273,15°C-nak felel meg. Ennek megfelelően tehát ennél alacsonyabb hőmérsékletek a Celsius skálán sem lehetségesek. A hőmérsékletek különbsége a két skála esetén megegyezik, 1 fok mindkét skálán ugyanakkora különbséget jelöl. A víz fagypontja és forráspontja között Kelvinben is 100 fok a különbség. Ezen a skálán kifejezve tehát a víz fagypontja 273,15 K, forrpontja pedig 373,15 K. Az átszámítás: T = t + 273,15 Ahol T a Kelvinben, t pedig a Celsiusban megadott hőmérséklet. Ha csak kisebb pontosságra van szükség, gyakran a kerekített 273 értékkel számolunk. A fizikában a hőmérsékleteket és azok különbségeit K-ben adjuk meg, a köznyelvben azonban a fok szót használjuk. A Kelvinben megadott hőmérsékletek használata mindenek előtt bizonyos képletek esetén szükséges. A skála elvéből adódóan ugyanis csak pozitív értkeket vehet fel, sok képlet esetén pedig a negatív értékek hibás eredményhez vezetnének. Példa

A nitrogén forráspontja –195,8°C. Ez Kelvinben mekkora hőmérsékletnek felel meg? T = -195,8°C + 273,15 T = 77,35 K A nitrogén 77,35K hőmérsékleten válik gáz halmazállapotúvá.

2.12.2

Testek tágulása Szilárd testek melegítés hatására minden irányba egyenletesen tágulnak. Gyakran nagyon fontos, hogy tudjuk, hogyan változik egy test hossza a hőmérséklet hatására. A hosszváltozás kiszámítása az alábbi képlet alapján történik: ∆l = α ⋅ l0 ⋅ ∆T

Itt α az anyagi minőségtől függő hosszanti hőtágulási együttható, l0 az eredeti hossz, ∆T pedig a hőmérsékletkülönbség. A hosszanti hőtágulási együtthatót táblázatokból olvashatjuk ki, általában 1/K-ben adják meg. 73


Példa

Egy vasúti sín hossza 20 m. Hőmérséklete a napsütés hatására 30K-nel nőtt. Mekkora a hosszváltozás, ha a vas hosszanti hőtágulási együtthatója 0,0000123? ∆l = α ⋅ l0 ⋅ ∆T

∆l = 0,0000123 1/K ⋅ 20m ⋅ 30K ∆l = 0,0074 m = 7,4 mm A napsütés hatűására a sín 7,4 mm-rel lesz hosszabb.

2.12.3

Gázok tágulása Melegítés hatására a gázok is kitágulnak, ha térfogatuk változhat. Ha a térfogat változatlan marad, a gáz nyomása növekszik. Az állandó nyomás melletti térfogatváltozás a szilárd testek hosszváltozásához hasonló módon számítható, az alábbi formula alapján: ∆V = γ ⋅ V0 ⋅ ∆T

A térfogatváltozás tehát a térfogati hőtágulási együtthatóval, az eredeti térfogattal és a hőmérsékletkülönbséggel arányosan változik. A szilárd testekkel ellentétben szinte minden gáz nagyon hasonló mértékben tágul. A gyakorlatban ezért az alábbi értéket használjuk: γ = 1/237,15 1/K = 0,003661 1/K A fenti képlet azonban azt is jelentené, hogy 0K-en a gáz térfogata nulla. A fenti γ érték azonban csak ideális gázokra érvényes, melyek alacsony hőmérsékleten nem válnak folyékonnyá. A gyakorlatban használatos hőmérsékkettartományok esetén a gázok, így a levegő is, általában ideális gáznak tekinthetők. Példa

Egy helység 50 m3 levegőt tartalmaz. A levegő hőmérséklete 20K-nel nő. Mennyi levegőnek kell távoznia, hogy a nyomás ne nőjön? ∆V = γ ⋅ V0 ⋅ ∆T

∆V = 0,003661 1/K ⋅ 50 m3 ⋅ 20K ∆V = 3,661 m3 A melegedés hatására a levegő térfogata 3,661 m3-el nő.

74

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos Mint azt már említettük, ha melegedés hatására nem nőhet a gázok térfogata, nő a nyomásuk. Ekkor az alábbi képlet érvényes: ∆p = γ ⋅ p 0 ⋅ ∆T

Ez a képlet is elsősorban ideális gázok esetén érvényes.

2.12.4

Hőenergia és hőkapacitás Egy test melegítésekor hőt, azaz energiát közlünk vele. Ez az energia a testben tárolódik mindaddig, amíg állandó a hőmérséklet. Ez fordítva is érvényes, azaz egy test hőt, azaz energiát ad le, ha lehűl. Egy test által tartalmazott hőenergiát Q-val jelöljük, és a többi energiafajtához hasonlóan mértékegysége szintén J vagy kWh. Az az energia, melyre egy test melegítéséhez szükség van, elsősorban a test anyagától, tömegétől és a hőmérsékletváltozás mértékétől függ. A képlet: Q = c ⋅ m ⋅ ∆T Itt c a fajlagos hőkapacitás, mely a test anyagi minőségétől függ, mértékegysége J/(kg ⋅ K). A C hőkapacitás az az energiamennyiség, mely a test hőmérsékletének emeléséhez szükséges. Mértékegysége J/K. C = Q / ∆T = c ⋅ m Példa

Mennyi energiára van szükség, hogy 1 kg vizet 20°C-ról 70°C-ra melegítsünk? A víz fajlagos hőkapacitása 20°C-on 4180 J/kgK. Q = c ⋅ m ⋅ ∆T Q = 4,18 kJ/kgK ⋅ 1kg ⋅ 50K Q = 209 kJ A melegítéshez 209 kJ-ra van szükség.


75


76


3 Műszaki rajz 3.1 A műszaki rajz alapjai 3.1.1 A műszaki rajz, mint a technika kommunikációs eszköze Manapság a termékeket már nem csak egyetlen ember állítja elő, hanem nagymértékű munkamegosztás zajlik. Már a fejlesztés során több részleg dolgozik egyazon terméken. A gyártás, pedig akár több, a világ különböző tájain elhelyezkedő gyárban is történhet. Sok alkatrész szabványos, vagy beszállítóktól vásárolt alkatrész. A félreértések elkerülése végett a különböző személyek és osztályok között egyértelmű és megbízható kommunikációra van szükség. A modern számítástechnika térhódítása ellenére a műszaki rajz manapság is a kommunikáció fontos eszköze, ez tulajdonképpen egy nemzetközi „nyelv”, melyet a betű típusától mindenki tudja értelmezni (pl. ciril, arab) A műszaki rajz a háromdimenziós munkadarabot léptékhelyesen és már két dimenzióra redukálva ábrázolja, és tartalmazza a gyártáshoz szükséges összes információt. Ilyenek például a - méretek és tűrések - felület(ek) minősége - alapanyag(ok) - hőkezelés(ek) - korrózióvédelem (védelmek) - szerelési utasítások Meghatározás: A szabvány műszaki és gazdasági megoldásokat tartalmazó leírások (egyezmények). A szabvány az élet minden területére olyan egységes, gazdaságos megoldásokat normákat ír elő, melyek az információcserét egyértelmüvé és gazdaságossá teszi. Ahhoz, hogy ezen sokrétű információkat minden technikus és műszerész értse, a műszaki rajzot szigorú előírások alapján kell elkészíteni. Ezeket a szabályokat nevezzük rajz-normáknak, vagy rajzszabványoknak. A szabványosítás egységesíti a visszatérő feladatokat, mint például a -

műszaki rajzok elkészítését szabványos alkatrészek alakjait, fajtáit és méreteit 77

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Jellemzői:

csatlakozási méreteket ellenőrzési eljárásokat jelöléseket.

Állandóan módosulnak a műszaki fejlődéssel Betartásuk kötelező Gazdaságos információcserét biztosítanak A szabványoknak a műszaki területen is vannak szabályai. Betartásuk lehetővé teszi az információ és termékek cseréjét és kombinálását. MSZ Magyar szabvány, Magyarországon érvényes. DIN Német szabvány, melyet a Deutsche Institut für Normung e.V. ad ki. A szabványok tartalmát egyes szakbizottságok dolgozzák ki, melynek tagjai az iparág, a kutatás, hatóságok és az érdekvédelmi szervezetek képviselői. A DIN szabványokat a Beuth kiadótól lehet megvásárolni. ISO Az ISO szabványok nemzetközileg érvényesek, egy nemzetközi szabványügyi szervezet, az International Organization for Standardization, dolgozza ki őket. EN Az európai szabványokért az Európai Szabványügyi Bizottság felelős. A DIN-EN szabványok elsősorban Nyugat-Európában érvényesek. Az ISO szabványok tekintetbe vételével készülnek, és az elektronikán és a telekommunikáción kívül minden műszaki területre érvényesek. A kivételt képező területek szabványaival az Elektrotechnikai Szabványosítás Európai Bizottsága és az Európai Telekommunikációszabványi Intézet felelős.

3.1.2 Rajzok A rajzokkal szemben támasztott követelmények sokfélék lehetnek, ezért különböző rajzfajták léteznek, melyeket a MSZ ISO 10209-1. része ír le.

78

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos A rajzok megkülönböztetése különböző kritériumok alapján történhet. A leggyakrabban használt fajtákat a következőkben mutatjuk be. (MSZ ISO 10209-1 szabvány szerint) Az ábrázolás módja szerint Az ábrázolás módjától függően léteznek rajzok és vázlatok. A vázlatrajz nem (feltétlenül) léptékhelyes, és gyakran kézzel, ceruzával készül. A rajz egy vonalakból álló ábrázolás. Minden, egy tárgy ábrázolásához vagy előállításához szükséges információt tartalmaz.

A kivitelezés módja szerint Először is meg kell különböztetnünk az eredeti és a sokszorosított rajzot. Az eredeti rajz olyan dokumentumjellegű rajz, amely éppen jóváhagyott információkat vagy adatokat és a legutolsó módosítsokat tartalmazza. Az eredeti rajz elkészítése történhet klasszikus módon ceruzával és tussal is, de manapság a legtöbb rajz már számítógépes programok segítségével készül el. Itt is ügyelnünk kell arra, hogy konstrukciós változtatásokat az eredeti rajzon eszközöljük.

A rajz tartalma szerint A főcsoport-összeállítási rajz egy berendezést, gépet vagy készüléket tartalmaz, összeszerelt állapotban. A gyártmány összeállítási rajz ezzel szemben léptékhelyesen mutatja az adott alkatrészcsoporthoz tartozó alkatrészek térbeli elhelyezkedését és alakját. Egy egyetlen alkatrészt ábrázoló rajz, mely nem mutatja az alkatrész más alkatrészekhez való viszonyát, alkatrészrajznak nevezünk.

A rajz célja Az előtervrajz olyan rajz, amely a végleges megoldás kiválasztásának és/vagy az érdekelt felek közötti megállapodások alapja. Az alkatrész gyártására vagy szerelésére vonatkozó utasításokat a tervrajz tartalmazza.

79

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A tervrajznak két fajtája van: gyártási rajz, amely megadja a gyártáshoz szükséges információkat és a gyártmány-összeállítási rajz, amely valamely termék összes szerkezeti egységét és alkatrészét ábrázolja. A beépítési rajz az alkatrészt ugyan annak végállapotában mutatja, nem tartalmazza azonban a gyártásra vonatkozó információkat. Ezen kívül készülnek rajzok árajánlatokhoz és szabadalmakhoz is.

3.1.3 Papírméretek A papírformátumok felépítését és méreteit a MSZ ISO 5457 rögzíti. A kiinduló formátum az A0, mely egy 1m2 felületű négyszög. A két oldal aránya 1 : 2 , a hosszabb oldal tehát a rövidebb oldal 1,4142-szerese. Az A0 formátum megfelezésével kapjuk a kisebb A1 formátumot. További felezés útján jutunk el az A2, A3, A4, és kisebb formátumokhoz. Egy, a mindennapi életben használt papírlap formátuma A4. Az egyes oldalak formátumait milliméterre kerekítjük. A méretsorozat első választéka: A0: A1: A2: A3: A4:

841 × 1189 mm 594 × 841 mm 420 × 594 mm 297 × 420 mm 210 × 297 mm

25. ábra: Papírformátumok

80

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos A mindennapi életben ezen kívül gyakran használják a következő méreteteket: A5: 148 ×210 mm A6: 105 × 148 mm A7: 74 × 105 mm A papírformátum használható álló vagy fekvő formában. Az A4-es méret esetén azonban inkább az álló formátumot használjuk. Az első választékon kívül létezik még a második választék (a különleges megnövelt méretek) valamint a harmadik választék (a kivételes megnövelt méretek). Különleges megnövelt méretek (második választék) Elnevezés Méretek (mm) A3x3 420x891 A3x4 420x1188 A4x3 A4x4 A4x5

297x630 297x 840 297x1050

Megjegyzés: A rövidebb oldal többszöröse adja az új rajzlap hoszszúsági méretét Kivételes megnövelt méretek (harmadik választék) Elnevezés Méretek (mm) A0x2 1189x1682 A1x3

841x1783

A2x3 A2x4 A2x5

594x1260 594x1680 594x2100

A3x5 A3x6 A3x7

420x1485 420x1762 420x2079

A4x6 A4x7 A4x8 A4x9

297x1260 297x1470 297x1680 297x1890

81

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Megjegyzés: Az A9-es formátum hosszú tengelyek ábrázolására alkalmas

3.1.4 Feliratok és darabjegyzék A műszaki rajzok mindegyike rendelkezik feliratmezővel. Ezeket a MSZ ISO 7200 tartalmazza. Ez a mező mindig a jobb alsó sarokban található. A feliratmező 190 mm széles, és 45 mm magas. A magyar szabvány szerinti szövegmezőt az alábbi ábra szemlélteti.

26. ábra: Feliratmező A bal oldali mezőbe kerül a rajzoló neve, és a rajz elkészítésének dátuma, valamint az ellenőrzést végző személy neve. Középre írjuk az alkatrész gyártmányát, megnevezését, anyagát és tömegét. Innen jobbra kell feltüntetni a méretarányt és a vetület módját, azaz azt, hogy melyik vetítési módot használjuk éppen. Jobb szélre a megnevezés nélküli mezőbe kerül a cég neve, a rajz száma, és elektronikus rajzok esetén a fájl neve. Ha a feliratmező nem lenne elég, az kiegészíthető további mezőkkel. Az adott alkatrészcsoport, vagy a teljes termék egyes alkatrészeit darabjegyzékben soroljuk fel. Ez a lista vagy a feliratmező fölé kerül, vagy külön lapon csatoljuk (általában A4-esformátumon). Ekkor a darabjegyzék egy a rajzhoz hasonló feiratmezőt is tartalmaz, melyen minden változtatást vezetni kell. A darabjegyzékre vonatkozó előírásokat a MSZ ISO 7573 tartalmazza.

82


27. ábra: Darabjegyzék A táblázatnak a következő adatokat kell tartalmaznia: -

tételszám mennyiség egység megnevezés hivatkozási szám megjegyzés

3.1.5 Méretarány Alkatrészek rajzolásakor gyakran nem lehetséges ezeket valóságos méretükben lerajzolni. Egy teljes épületet nem tudunk egyetlen papírlapra lerajzolni, egy óra darabjai, pedig lehetnek annyira aprók, hogy alig látnánk őket. Vannak olyan esetek is, amikor egyszerűen nem ésszerű a valóságos méretben rajzolni. Nagy alkatrészek rajzolása esetén le kell őket kicsinyítenünk, kis alkatrészek esetén pedig nagyításra van szükség. A méretarány a rajzon mérhető teljes méret és a valóságos tárgy ugyanazon méretének aránya A műszaki rajzon alkalmazható méretarányokat a MSZ ISO 5455 szabvány rögzíti mely mindig az 1, a 2 és az 5 valamely decimális sokszorosa lehet. Az alkatrészek valóságos nagyságú rajzai 1:1 méretarányúak. Ez azt jelenti, hogy a rajz 1 millimétere a valóságban is 1 milliméternek felel meg. A kicsinyítés lehet például 1:2 méretarányú. Ekkor a rajz minden millimétere a valóságban 2 milliméternek felel meg. A rajz tehát csak fele akkora, mint a valóságos alkatrész.

83

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A nagyítás lehet 2:1 méretarányú. Azaz a valóságban 1mm a rajzon 2 milliméternek felel meg. A rajz tehát kétszer akkora, mint a valóságos alkatrész. Az alábbi méretarányok alkalmazhatók (példák): Valóságos nagyság:

1:1

Kicsinyítés:

1:2 1:5 1:10 1:20 1:50 1:100 1:200 1:500 1:1000

Nagyítás:

2:1 5:1 10:1 20:1 50:1 100:1 200:1 500:1 1000:1


84


3.2 Műszaki ábrázolás 3.2.1 Ábrázolás nézetekkel Egyetlen rajz önmagában nem érzékelteti a tárgy térbeli alakját, ezért általában nem elég az egyetlen oldalról történő megjelenítés, hiszen ez gyakran nem tartalmaz minden szükséges információt. A nézetek merőleges/párhuzamos vetítéssel készülő síkbeli kétdimenziós képek, melynek szabályait a MSZ ISO 128 és a MSZ ISO EN 456-2-2000 írják elő. Az alkatrészt tehát több különböző nézetből is meg kell rajzolni. A különböző nézeteket úgy rajzoljuk meg, mintha az alkatrészt (AMELYET EGY KÉPZELETBELI KOCKA KÖZÉPPONTJÁBAN HELYEZÜNK EL) minden oldalát megvilágítanánk, és minden egyes merőleges/ párhuzamos vetítést a kocka oldallapjaira ábrázolunk, majd a kockát kiterítjük. Elsőként az elölnézetet (főábrát) rajzoljuk meg. A két oldalnézet az alkatrész gondolatbeli jobbra, illetve balra döntésével történik, így a balnézet jobbra a jobbnézet pedig balra kerül. Az elölnézet alá rajzoljuk az felülnézetet. Ha ezek a nézetek még mindig nem elégségesek, a jobb oldalra kerülhet a hátulnézet, felülre,(a főábra fölé), pedig az alulnézet. Csak azokat a nézeteket kell megrajzolni, melyek az előzőekhez képest új információt tartalmaznak! Ha az „döntés”-től eltérő nézetet rajzolunk, ezt mindenképpen fel kell tüntetnünk.

28. ábra: Nézetek

85


3.2.2 Vonalfajták és vonalvastagságok A műszaki rajzokban különböző vonalvastagságokat, és különböző vonalfajtákat is használunk. Ezáltal maga a rajz áttekinthetőbbé, és jobban olvashatóvá (értelmezhetővé) válik. A rajz formátumától függően egy rajzon belül csak két különböző vonalvastagságot használunk. Ezen felül a feliratozáshoz lehetséges egy harmadik vastagság használata. A1-es formátumú rajz esetén az 1-es vonalcsoportot használjuk. A vastag vonalak vastagsága 1,0 mm, a vékony vonalaké 0,5 mm. A feliratok vonalvastagsága 0,7 mm. A4-es formátumú rajz esetén az 0,5-ös vonalcsoportot használjuk. A vastag vonalak vastagsága 0,5 mm, a vékony vonalaké 0,25 mm. A feliratok vonalvastagsága 0,35 mm. A vastag folytonos vonal a látható élek , körvonalak esetében alkalmazzuk. Így például a menet mélységét, és a menet hegyét is ilyen vonallal jelöljük. Vékony folytonos vonallal rajzoljuk a méret- és a segédvonalakat, valamint vonalkázás esetén is ilyen vonalakat használunk. Ezen kívül vékony folytonos vonallal ábrázoljuk a mutatóvonalakat, de a menet alját is. Általában ezeket a típusú vonalakat használjuk a jelképes ábrázolásnál. Szabadkézi vonalak esetén szintén vékony vonalakat használunk. Ezeket a vonalakat a részletek, megszakított metszetek határolójaként használjuk, ha a határoló nem vékony pontvonal. Vékony szaggatott vonal jelzi a takarásban lévő nem látható éleket. Pontvonal jelöli a középvonalat, de használják fogazatok körszeleteinek vagy lyukkörök ábrázolására is. Ezek is vékony vonalak. A vastag pontvonal ezzel szemben egy szükséges hőkezelést, vagy speciális megmunkálást jelöl, Ezen kívül alkalmazható a vékony kétpont-vonal is. Ezzel jelöljük a mozgó elemek szélső vagy váltakozó lehetséges helyzetét, a csatlakozó alkatrészek körvonalát, súlyvonalakat, az alakítás előtti körvonalakat.

86


3.2.3 Ábrázolás metszetekkel Egy üreges test nem minden részlete látható kívülről. Az üregek ábrázolásához és méretezéséhez az alkatrészt gondolatban „kettévágjuk” és a felénk eső rész ugyancsak gondolatban eltávolítjuk, így „láthatóvá” válik az üreg és méretezhető is Ez a metszet. Az elmetszett felületet vékony folytonos vonallal bevonalkázzuk (sraffozzuk). Mivel az ekkor látható metszési élek a test határoló vonalaivá válnak, vastag folytonos vonallal jelöljük őket. Vonalkázáskor a vonalak dőlésszöge mindig 45°. Ha több metszett felület is összeér, a felületek vonalkázását vagy ellentétes irányba, vagy más vonaltávolsággal végezzük. Az egy testhez tartozó minden metszett felületet azonos módon kell vonalkázni! Ha a metszés helye nem egyértelmű, akkor be kell rajzolni a metszésvonalat. Ezt a vonalat vastag pontvonalként ábrázoljuk. A metszősíknak azon a képsíkon jelentkező vetületét, amelyre merőleges, a metszősík nyomvonalának nevezzük. A nyomvonalat a végződéseknél és az irányváltásoknál vastag vonalszakasszal jelöljük. A vetítés irányát a vastag vonalszakaszra merőlegesen rajzolt nyíllal tüntetjük fel, ahol a nyíl szára vékony vonal és kétszerese a méretnyílnak. A nyilakat úgy kell elhelyezni, hogy a vastagított vonalszakasz kb. 2mm-rel túlnyúljon a nyíl hegyén. A nyíl elhagyható, ha a metszet a vetítési iránynak megfelelő helyre kerül. A nyomvonalszakasz végein a vetítés irányát jelölő nyilak szára mellé esetenként (a nyíl irányától függetlenül) mindig a rajz szabályok szerinti olvashatóan egy-egy azonos betűt írunk A betűket kötőjellel összekapcsolva helyezzük el feliratként. Ez a vetületazonosító jel elhagyható, ha csak egy metszet van, vagy ha a metszési helyek egyértelműek. Így tehát egy A-A metszet azt jelenti, hogy a metszet az A-val és Aval jelölt pontok között helyezkedik el.

87


29. ábra: Vonalkázás Nem minden alkatrészről készítünk metszeti ábrázolást. Nem metsszük a következő alkatrészeket, részeket -

csavarokat, anyákat és alátéteket bordákat, küllőkőket szegecseket, csapokat szegeket, csapszegeket, csavarorsókat golyóscsapágy golyóit fogaskerekek fogait

Lehetséges az is, hogy az alkatrész csak egy részét rajzoljuk meg metszetként. Az elmetszett részt vagy egy középvonal, vagy egy szabadkézi vonal határolja.

B helyett A kell szerepeljen az ábrán!!! 30. ábra: Metszetek

88


3.3 Méretmegadás Az alkatrész ábrázolása mellett a rajzon a különböző méreteknek is szerepelniük kell. A méretek megadásának módját a MSZ ISO 129 rögzíti. A fő méretek a hosszúság, a szélesség és a magasság. A gyártási méretek ezzel szemben azok a méretek, melyek ismerete a gyártás során szükségesek. A funkcionális méretek a tárgy rendeltetésszerű működéséhez szükségesek. A csatlakozási méretek azok a méretek, melyek alkatrészek összeszerelésekor szükségesek. Az ellenőrzendő méreteket ellenőrzési méreteknek nevezzük.

3.3.1 Méretvonalak, méretsegédvonalak, és méretszámok A méreteket a méretmegadás elemeinek segítségével adjuk meg, a mértékegység kiírása nélkül. Ha a mértékegység nem a mm, akkor ki kell írni. A méretvonalakat, méretsegédvonalakat és a mutatóvonalakat folytonos vékony vonallal rajzoljuk. Nem látható éltől (szaggatott vonaltól) méretvonal ne induljon! Az első méretvonalak a tárgytól 10 mm-re helyezkednek el. A további méretvonalakat 7 mm távolságra is rajzolhatjuk egymástól. A méretvonalak végére mérethatároló nyilakat rajzolunk, melyek keskeny, folytonos nyilak. A mérethatároló nyilak hossza egyenlő a vonalvastagság ötszörösével. A mérethatároló nyilakat semmilyen vonal nem keresztezheti, a nyilak mellett a vonalakat fel kell szabadítani. A mérethatároló nyilak kis távolságok méretezésekor helyettesíthetők ponttal, vagy ferde vonással. A méretvonalakat a méretezendő élig húzzuk. Amennyiben ez nem lehetséges, méretsegédvonalakat használunk. Ezek a méretvonalak párhuzamos elcsúsztatására szolgálnak. A méretsegédvonalak a méretvonalaknál 2 mm-el hosszabbak Ezek nem rajzolhatók át más nézetekbe! A méretszámok írásához a MSZ ISO 3098-1 szerinti szabványbetűket használjuk. A méretszámokat kb. 1 mm-re a méretvonal fölé kell írni középre. A számok legkisebb magassága 3 mm lehet. Kis méretek megadhatók a méretvonal alatt vagy mutatóvonalon is. A méretszámokat alulról vagy balról olvashatóan írjuk. A megváltoztatott, nem méretarányos méreteket aláhúzzuk. Az ellenőrzési méreteket oválisan bekarikázzuk. 89


A CAD-programok segítségével elkészített rajzok esetén a méretvonalat megszakíthatja a méretszám. Ebben az esetben a mérethatároló nyilak is állhatnak mindössze két vonalból. A méretsegédvonalaknak, pedig nem feltétlenül kell hosszabbnak lenniük, mint a méretvonalaknak.

3.3.2 A méretszám kiegészítő jelölései A méretvonalak és méretsegédvonalak segítségével egyenes élek egyszerűen méretezhetők. Azonban az ívek és gömbök esetén már kiegészítő szabályokra van szükség. Sugár megadásakor a méretszám elé R betűt írunk. A mérethatároló nyíl az ív felé mutat, másik vége, pedig áthalad a kör középpontján. A kör középpontját csak akkor kell berajzolnunk, ha a funkció vagy a gyártás során szükség van rá. Ha az ábrázolásban nem derül ki hogy forgástestről van szó, az átmérő megadásakor a méretszám elé a ∅ jelet rajzoljuk. Ha a kör középpontja az ívtől túlzottan nagy távolságra helyezkedik el, és ezért nem tudjuk berajzolni, egyszerűen lerövidítjük a méretvonalat, mégpedig egy derékszögű törés berajzolásával. Kis sugarak esetén a kör középpontja és az ív között túl kevés a hely. Ebben az esetben a nyilat kívülről rajzoljuk meg. Az élek sugara a rajzokon gyakran nem látható, ezért sokszor középpont nélkül rajzoljuk őket. Ekkor egy, a méretszámot tartalmazó nyíl mutat az adott él irányába.

31. ábra: Ívek méretezése Gömbök esetén az átmérő elé a S∅ jelet rajzoljuk. Ha azonban a középpont nincs berajzolva, az R betűt használjuk.

90

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos A négyzeteket és téglalapokat a keresztátlók berajzolásával jelöljük. Ez elsősorban akkor fontos, ha a felületnek négyzetként felismerhetőnek kell lennie, azonban a rajzon a vetületi ábrázolás miatt ez nem látszik egyértelműen. A keresztátlókat vékony folytonos vonallal rajzoljuk meg. Ha egy hengeres alkatrészen két egymással szemben elhelyezkedő négyzetfelület a csavarkulccsal való megfogás számára kialakított felület, megadhatjuk a használható kulcs méretét. Különböző alkatrészek esetén ferde felületek is előfordulhatnak. Egy kúp esetén ilyen például a körmetszetek folyamatos változása. Létezik olyan keresztmetszet-változás is, mely egy hasáb mentén egyenletes. Ilyen lehet például egy piramis (gúla) alakú test. A dőlés olyan keresztmetszet-változás, mely csak az egyik oldalon következik be. A MSZ ISO 3040 alapján az alábbi kúpokat használhatjuk: Nem önzáró: 1:3 9° 27´ 44´´ 1:5 5° 42´ 38´´ Önzáró: 1:10 1:20 1:30 1:50

2° 51´ 45´´ 1° 25´ 56´´ 0° 57´ 17´´ 0° 34´ 23´´

A méretezés történhet a szög vagy a meredekség megadásával. A meredekség megadásakor a méretszám elé egy háromszöget rajzolunk, mely a dőlés irányába mutat.

3.4 Felületi minőség A munkadarabok alakítása során, a felületen többé vagy kevésbé mély barázdák, rovátkák, bordák és hasonlók alakulnak ki. A felület minőségét az ilyen egyenetlenségek mennyisége és mélysége határozza meg. A felület minőségét az érdesség írja le. Egy sima felület sok kis barázdából és hullámból áll. Ezek minél mélyebbek és nagyobbak, annál durvább a felület minősége.

91

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Az egyenetlenségek mélységét Rmax adja meg. Ekkor az egyenetlenség tetővonaltól a fenékvonalig mért távolságot adjuk meg. Az érdességet µm-ben, azaz ezred milliméterben adjuk meg. Az érdesség ilyen megadása azonban csak egyetlen barázdát ír le. A felületeken azonban hemzsegnek az egyenetlenségek. Ezeket különböző érdességi értékek segítségével írjuk le. Az átlagos felületi érdesség Ra a mérendő szakasz mentén található egyenetlenségek számtani középértéke (a mérési hosszon belül az észlelt profil középvonalától mért eltérések abszolút értékének átlaga). Ennek kiszámításához tehát minden egyenetlenséget össze kell számolni, és azok számával elosztani. Ennél a számításnál a ritkán előforduló, de mély barázdák nem sokat nyomnak a latban. Az egyenetlenség magasság Rz számításakor a mérendő szakaszt öt egyenlő részre osztjuk. Az egyes szakaszok barázdáinak mélységét összeadjuk, és elosztjuk a mérések számával (ez tehát a mérési hosszon belül mért 5 legnagyobb érdesség átlaga). A két mérőszám összefüggése: Ra=Rz/4 Az átlagos felületi érdességet Ra-t N felületi érdesség fokozatszámként is megadhatjuk az ISO 1302 szerint. Az érdességi osztály jelölésére szolgáló magasabb szám nagyobb felületi érdességet is jelöl. Átlagos felületi érdesség Ra száma 50 25 12,5 6,3 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 0,025

Felületi

érdesség

fokozat-

N12 N11 N10 N9 N8 N7 N6 N5 N4 N3 N2 N1

Különböző gyártási eljárások különböző felületi minőséget eredményeznek. Az alábbiakban néhány példát sorolunk fel. A zárójelben álló adatok azt jelzik, hogy ezeket az értékeket csak vagy különösen

92

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos nagy gondossággal, vagy csak nagyon durva megmunkálás során érhetjük el. Megmunkálási eljárás

Átlagos felületi érdesség Ra

Homokformázásos öntés Nyomásos öntés Precíziós öntés

12,5 – 50 3,2 – 50 (0,8) 1,6 – 3,2 (6,3)

Sűllyesztékes kovácsolás Mélyhúzás Rúdfolyatás

(0,8) 3,2 – 12,5 (25) (0,2) 1,6 – 3,2 (6,3) (0,8) 3,2 – 12,5 (25)

Hossz-esztergálás Sík-esztergálás Reszelés Fúrás Csiszolás

(0,2) 0,8 – 12,5 (50) (0,4) 0,8 – 12,5 (50) (0,4) 1,6 – 12,5 (25) (1,6) 6,3 – 12,5 (25) (0,1) 0,4 – 3,2 (12,5)

3.4.1 A felületminőség feltüntetése a műszaki rajzon A felületeket minőségüknek megfelelően különböző jelekkel jelöljük. Ezen jelek alapján a rajzról megállapítható, hogy a felület milyen érdességgel rendelkezik, hogyan történt a megmunkálás, vagy például azt, hogy lakkozva, vagy festve van-e. Az alapjel, mely kiegészítés nélkül nem bír értelemmel egy 600-os kampó alakú jel. Ha a kampó fent zárt, anyagleválasztó megmunkálásra van szükség. A felületet tehát esztergálással, marással, gyalulással vagy más, hasonló eljárással kell megmunkálni. Forgácsmentes megmunkálás esetén a kampón belül egy kör található. A felületet tehát egy a hengerléshez, kovácsoláshoz vagy öntéshez hasonló eljárással állítjuk elő (vagy a jelölt felületet nem munkáljuk meg például a lemeztárgyak, rudak, csövek esetén). Az alapjeleket további jelek egészítenek ki: a b c d e f

Átlagos felületi érdesség Ra µm-ben, vagy az N érdességi fokozat Megmunkálási és ellenőrzési utasítások helye Az alaphossz mm-ben megadott számértékének helye A felületi egyenetlenségek irányának jelölésére fenntartott hely Megmunkálási ráhagyás mm-ben Az Ra-tól eltérő egyéb érdességi érték mm-ben

93


32. ábra: A felületi minőségre vonatkozó jelek Lehetséges az is, hogy csak az alapjelet használjuk, és egy rövidített jelet adunk hozzá, majd a szöveges mező fölött ezt a jelet a teljes jellel összehasonlítva megmagyarázzuk.

94


3.5 Alak- és helyzet tűrések A felületi minőség jelei csak az alkatrész külső felületének érdességére vonatkoznak. A megmunkálás során azonban az elméleti alaktól és elhelyezkedéstől is léphet fel eltérés. Az általános szabályokat és a rajzokon alkalmazható jeleket a MSZ ISO 1101 szabvány írja elő. Az alaktűrések tehát korlátozzák valamely egyedi elemnek a geometriailag ideális alakjától való eltérését. Az irány- a helyzet-és az ütéstűrések korlátozzák két vagy több elem egymáshoz viszonyított helyzeteltéréseit. Báziselemként egy vagy több elem jelölhető. Az alak- és helyzet tűrések értékeit azonban csak akkor tüntetjük fel a rajzon, ha feltétlen szükségesek a megmunkálásra vagy a működésre vonatkozóan. Ezek a tűréshatárok az alkatrészek cserélhetősége szempontjából is fontosak.

33. ábra: Az alak-és helyzettűrés jelei Az alaktűrés azt adja meg, hogy az előírt alaktól mekkora eltérés lehetséges. Ide tartozik az egyenesség, a síklapúság, a köralakúság, a hengeresség, az adott profil alakja, valamint az adott felület alakja. A tűréshatárokat egy téglalap alakú kis dobozban adjuk meg, melynek bal oldalán az adott tűrés jele látható. Mellette jobbra a megengedett eltérés számértéke áll a jobb oldalán pedig az a bázis szerepel, amihez viszonyítjuk az eltérést. A tűrésezett elemet közvetlenül nyíl mutatja. A köralakúság tűrése például azt adja meg, hogy mennyire térhet el az alkatrész valóságos köralakúsága két egymásra fektetett kon-

95

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ centrikus körtől. A tűréshatár a két elméleti koncentrikus körtől való eltérését adja meg. Hasonlóan ez érvényes a síklapúság esetén is. Itt a tűrés értéke két elméletileg párhuzamos sík távolságát adja meg. Az előírt felület mindkét felületének e két elméleti sík között kell elhelyezkednie. A hengeresség esetén a tűréshatárt két egymásban elhelyezkedő egytengelyű henger adja. A két henger távolsága a tűrés értéke. A henger mindkét felületének e két henger között kell elhelyezkednie. Hasonlóan értelmezzük egy tengely esetén az egyenességet, illetve egy vonal vagy felületi elem eltérését az előírt formától is.

34. ábra: Tűrés Az iránytűrés csoportjába tartozik a párhuzamosság, a merőlegesség és hajlásszög tűrése. Itt, amennyiben szükséges, a tűrésdobozba jobb oldalra a bázis felületet jelölő betűt írjuk. A párhuzamosság tűrése egy vonal (tengely) egy adott vonatkozási felülethez mért eltérő helyzetét adja meg. Az ábra jelöléseit leolvasva például a furat az előírt értéken belül párhuzamosnak kell lennie az A jelű felülettel (bázissal).

35. ábra: Párhuzamosság és merőlegesség tűrésezése Az iránytűrés itt azt adja meg, hogy a furat tengelye legfeljebb mennyivel térhet el az ideális tengelytől. A felirat mezőben a két párhuzamos vonal a párhuzamosság tűrésére utal, a mellette álló szám, pedig a tűrés értékét adja meg, milliméterben. A betű a vonatkozási felületet (bázist) jelöli, amelyhez képest írta elő a tervező a tűrést.

96

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos Ennek megfelelően a merőlegesség tűrése megadja, mely tartományban kell elhelyezkednie a merőleges felületnek, és az ennek megfelelően mennyire térhet el a derékszögtől. Ennek jele két egymásra merőleges vonal. A derékszögtől eltérő szögek esetén a hajlásszög tűrést használjuk. Ez megegyezik a merőlegesség tűrésével, de a derékszög helyett egy adott szögre érvényes. Jele az egymással hegyesszöget bezáró két vonal. A helyzettűrés csoportjába tartozik egy pont pozíciótűrése. Egy furat közepének például egy adott átmérőjű körön belül kell elhelyezkednie. A tűrési kör középpontja ekkor pontosan a furat középpontjának a rajz által előírt, ideális helyzete. A helyzettűrés csoportjába tartozik továbbá a központosság és az egytengelyűség tűrése. Ezek egy adott tartományban elhelyezkedő bázistengelyre (tengelyekre) vonatkoznak. A szimmetria tűrése is helyzeti tűrés, mely meghatározza hogy egy horony mekkora eltéréssel található az adott alkatrész középpontjában. A radiális (sugárirányú) ütés forgó alkatrészekre vonatkozik. Egy AB viszonyítási tengely körüli forgás esetén egy teljes fordulat alatt bármely mérési síkban nem térhet el az adott értéktől. A homlokütés annyiban tér el az egyszerű radiális ütéstől, hogy a forgó mozgás mellett egy axiális (frontális) elmozdulás történik.

36. ábra: Sugárirányú (radiális) és homlokütés tűrése

97


3.5.1 Mérettűrés Egy alkatrész soha sem készíthető el tökéletes pontossággal, hanem mindig eltér az elképzelt ideális kialakításától. A méreteltérések esetén a legegyszerűbb lehetőség a MSZ ISO 2768 szabványnak a megfelelő használata. A tűrések értékei ebben az esetben a rajz minden elemére érvényesek. A rajz által megadott méretet névleges méretnek nevezzük, és Nnel jelöljük. Az alábbi táblázat a különböző névleges értékek esetén érvényes alsó és felső határméreteket adja meg. Példa

Egy műszaki rajz szövegmezejében az adott alkatrész esetén a „közepes” általános tűrés van meghatározva. Az alkatrész mérete 150 mm. A mérete ekkor a szabvány előírásai szerint: 150 mm ±0,5 mm = 149,5.és 105,5mm között kell legyen. Ezeket az értékeket az alábbi módon számítjuk: Névleges méret + Felső határérték = Felső határméret 150 mm + 0,5 mm = 150,5 mm Névleges méret - Alsó határérték = Alsó határméret 150 mm - 0,5 mm = 149,5 mm

Pontosságiosztály

Felső határméret - Alsó határméret = Mérettűrés 150,5 mm – 149,5 mm = 1,0 mm Névleges 0,5 – 3– méretsorozat 6 3 mm-ben f (finom) ±0,05 ±0,05 m (közepes) ±0,1 ±0,1 c (durva) ±0,15 ±0,2 v (nagyon ±0,5 durva)

6– 30

30 – 120

120 – 400 – 400 1000

±0,1 ±0,2 ±0,5 ±1

±0,15 ±0,3 ±0,8 ±1,5

±0,2 ±0,5 ±1,2 ±2

±0,3 ±0,8 ±2 ±3

37. ábra: Megadott tűrés nélküli hosszértékek határtűrései (kivonat) Ha a rajz minden mérete helyett csak egyes méreteknél adunk meg tűréshatárt, ezeket az értékeket a névleges értéktől jobbra írjuk. A felső tűréshatár felső indexbe, az alsó, pedig alsó indexbe kerül.

98


Így nagyon sok különböző tűrést adhatunk meg. Pontosan ezért van a lehetséges megadott tűrések száma az ISO szabványnak megfelelően korlátozva. Ez a szabvány a névértéktől függően 20 tűrésfokozatot tartalmaz, melyeknek jelölése IT01, IT0, IT1, …,IT18. IT (International Toleranz) Az alábbi táblázat a legfontosabb ISO tűrésfokozatokat tartalmazza. A tűrések értékét µm-ben adtuk meg. Példa

Egy tengely átmérője 60 mm. A tűrést IT6-nak megfelelően akarjuk megadni. A táblázatból a 19-es értéket olvassuk le. Ennek megfelelően tehát a tűrés 19 µm = 0,019 mm

Névleges méret mm-ben

Tűrésfokozat 10 – 18 18 – 30 30 – 50 50 – 80 80–120 120–180

IT2 2 2,5 2,5 3 4 5

IT3 3 4 4 5 6 8

IT4 5 6 7 8 10 12

IT5 8 9 11 13 15 18

IT6 11 13 16 19 22 25

IT7 18 21 25 30 35 40

IT8 27 33 39 46 54 63

IT9 43 52 62 74 87 100

IT10 70 84 100 120 140 160

IT11 110 130 160 190 220 250

38. ábra: ISO alaptűrések (kivonat) A tűrésfokozatok által meghatározott tűrésértékeket tűrésmezőknek is nevezzük. Az érték meghatározza a tartomány nagyságát, azonban az elhelyezkedését nem. Ez azt jelenti, hogy az eltérések különböző irányba eltérő nagyságúak lehetnek. A tűrésmező elhelyezkedését is osztályokba soroljuk. Ezeket az osztályokat betűk jelölik. A belső méretek, pl. furatok tűrése esetén nagy betűket használunk. A külső méretek, pl. egy tengely méreteinek megadásakor ellenben kis betűket írunk. A belső méretek esetén a tűrésmezők elhelyezkedése: A–G H J – JS K – ZC

Belső méret > Névleges méret Belső méret ≥ Névleges méret Belső méret < vagy > Névleges méret Belső méret < Névleges méret

A külső méretek esetén a tűrésmezők elhelyezkedése: a–g

Külső méret < Névleges méret

99

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ h j – js k – zc

Külső méret ≤ Névleges méret Külső méret > vagy < Névleges méret Külső méret > Névleges méret

39. ábra: A tűrésmezők elhelyezkedése A teljes tűrés a névleges értékből, az alaptűrésből és a tűrésmező elhelyezkedéséből áll. A félreértések elkerülése végett a belső méretek tűrését a névérték után felső indexbe írt nagy betűkként jelöljük, a külső méretek tűrését, pedig alsó indexbe írt kis betűként. A megadott értékekhez tartozó tűrésértékeket és az így kialakuló gyártási méreteket táblázatok alapján határozzuk meg. Példa

Az alábbi tűrés érvényes például egy 45 mm átmérőjű furat és egy ugyanilyen átmérőjű tengely esetén: 45H7

45h6

A két 45-ös érték a névérték. A felső indexben szereplő nagy H és az alsó indexben szereplő kis h a tűrésmező helyzetét adják meg. A furat esetén az alaptűrés 7-es, a tengelynél 6-os osztályú. Egy 45 mm-es furat esetén ez azt jelenti, hogy a méretek 0 - +25 µm-rel térhetnek el a névleges értéktől. Ennek megfelelően tehát a furat mérete 45,000 és 45,025 mm között lehet. A 45 mm-es átmérőjű tengely esetén a tényleges méret a névlegestől 0 – -16 µm-rel térhet el, azaz 44,984 és 45,000 mm között lehet.

100


3.5.2 Illesztés A tűrésértékek első közelítésben csak egyetlen alkatrészre vonatkoznak. Ha azonban több alkatrészt kell összeépíteni, ügyelni kell az egyes tűrések illesztésére is. Így páronként két tűrésérték alkot egy illesztést. A tengely példáján láthatjuk például, hogy az összes megengedett tűrés kihasználásakor a tengely szinte mindig kisebb, mint a furat. A pontos átmérőt csak egyetlen esetben éri el. Az egyes tűrések kombinációjától függően az alkatrészek néha csak nehezen, vagy akár egyáltalán nem illeszthetők össze. Laza, átmeneti és szilárd illesztést különböztetünk meg.

40. ábra: Illesztések fajtái A laza illesztés esetén a furat mindig nagyobb, mint a tengely. Az átmeneti illesztés esetén egyes esetekben a tengely lehet kisebb, vagy nagyobb, mint a furat. Ha a tengely mindig nagyobb, mint a furat, ezt szilárd illesztésnek nevezzük. Mivel a tűrések sokféleségéből az illesztések áttekinthetetlen erdeje keletkezik, a gyakorlatban csak néhány használatos. Ezeket szintén táblázatokban találhatjuk meg. Példa

Laza illesztés: D10 / h9 F8 / h6

H7 / h6

nagy játéktér, alkalmazás pl. mezőgazdasági gépek esetén. észrevehető játéktér. Szükséges, ha az illesztett alkatrészek egymáson elmozdulnak (pl. siklócsapágyak, csuklók, vezetékek). az alkatrészek még éppen elmozdulnak egymáson, ha kézzel mozgatjuk őket

101

Alapismeretek - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Átmeneti illesztés: H7 / n6

Az alkatrészeket kis erőbefektetéssel el tudjuk mozdítani egymáson. Alkatrészek pontos vezetésére használják (gördülőcsapágyak, tengely/agy kötések, fedelek, csapágyházak, illesztőszegek stb.).

Szoros illesztés: H7 / r6

Az alkatrészek csak nagyobb erőbefektetéssel illeszthetők össze. H8 / u8 Az illesztés csak tágítás (melegítés) és/vagy zsugorítás (hűtés) segítségével lehetséges. Két rendszerben dolgozhatunk: az alaplyuk(nagybetűvel jelölt)valamint az alapcsaprendszerben kisbetüvel jelölt). A leggyakrabban az alaplyukrendszert alkalmazzuk, mivel a furatok készíthetőek el nehezebben így ezután a csapokat könnyebb a lyukhoz igazítan.i

3.6 A műszaki rajz és a számítógép 3.6.1 CAD A CAD a Computer Aided Design (számítógéppel támogatott tervezés) kifejezésből alkotott betűszó. A számítástechnika rohamos fejlődésének köszönhetően manapság már alig készül műszaki rajz ceruzával és tussal. Egy CAD-munkahely mindössze egy számítógépből és egy képernyőből áll. Annak érdekében, hogy a készülő rajz minél nagyobb részét lássuk, a képernyő legyen a lehető legnagyobb. A szokásos perifériaegységeken, tehát a billentyűzeten és az egéren kívül gyakran látunk grafikai táblákat is. Ezekre az egér, vagy egy speciális toll segítségével lehet rajzolni. Az adatok tárolása a merevlemezre történik. Sok számítógép egy lokális számítógép-hálózat része, így egy központi szerverre biztonsági másolat is készülhet. A rajzok kinyomtatásához nagyformátumú nyomtatóra vagy plotterre van szükség, ami lehet vízszintes vagy függőleges elrendezésű. Ez utóbbi igen helytakarékos, mert a kiterjedése függőleges irányú. . Változtatásokat a papírmásolaton nem alkalmazhatunk, hiszen az eredeti rajz a számítógépben van tárolva, minden változtatást ott kell elvégezni.

102

Alapismeretek - Jegyzet _______________________________________________________________Minos A rajzok létrehozását nagymértékben megkönnyítik a különböző CAD programok. Itt a pontok, vonalak és görbék könnyedén, mindössze egy kattintással hozhatók létre, de a különböző görbületek, melyeket korábban sablonokkal kellett rajzolnunk, is könnyedén beilleszthetőek. A kész rajz, vagy annak egy része egyszerűen nagyítható, kicsinyíthető, eltolható vagy másolható, forgatható vagy akár törölhető. A téves műveleteket gyorsan vissza lehet vonni, így lehetőség van több változat, vagy megoldás kidolgozására, kipróbálására is. A szabvány alkatrészek rajzolása a különböző előkészített könyvtárak segítségével már nagyon könnyű. A sraffozás (vonalkázás) is elvégezhető automatikusan, a méretezéskor, pedig a program adja meg a megfelelő méretszámokat. A könyvtárakban tárolhatók a cégen belüli szabványosított alkatrészek vagy alkatrészcsoportok is. A modern CAD előnye azonban nem csak a rajzolás leegyszerűsítése, hanem lehetséges a tervezés 3 dimenzióban történő kivitelezése is. Az ilyen 3D ábrákról a program 2D-s rajzokat is tud készíteni, másrészt, pedig így lehetséges a 3D modellek további számításokhoz történő felhasználása is. Lehetséges például egy alkatrész tömegének kiszámítása, vagy a terhelés alatti viselkedésének szimulálása a véges elemes módszerek segítségével. Az autóiparban például számítógépes modellekkel vizsgálják az autók ütközéskori viselkedését. Nagy segítség lehet egyszerűen csak az is, hogy az alkatrészt több oldalról is szemügyre vehetjük. Például kipróbálhatjuk a különböző megvilágítások hatását, vagy a különböző komponensek együttesének működését is. A 2D CAD programok vektor-orientáltan működnek, azaz egy vonal kezdetét és végét pontok jelölik, a vonalat pedig, a program a két pont között kalkulálja. Ezért látjuk a vonalakat még nagyon nagy nagyítás mellett is, vonalnak látjuk. Ezzel szemben a képfeldolgozó programok pixel-orientált működésűek, azaz nagyon nagy nagyítás esetén az egyes pixelek, melyek a vonalakat felépítik, láthatóvá válnak. A CAD-programok különböző szintek segítségével működnek, tehát bizonyos szintek ki- vagy bekapcsolásával a komplex rajzok is áttekinthetővé válnak. Így például a méretezést végezhetjük egy külön szinten, melyet igény szerint ki vagy be tudunk kapcsolni. 103


A 2½D-s CAD programok elsősorban az építészetben használatosak. Itt a felületeket izometrikus ábrázolással rajzoljuk meg. Az eredmény hasonló a 3D-ben rajzolt programok rajzaihoz, azonban sokkal kisebb a program számítási igénye. A 3D-s ábrázolású CAD modellek térbeli modelleket hoznak létre. Ezek legegyszerűbb példái a rács vagy hálómodellek, melyekre a további számítások kivitelezéséhez van szükség. A felületi modellek esetén a modellek felületét matematikai számítások segítségével tudjuk leírni, a térfogati modellek esetén, pedig a határolófelületeket adjuk meg. A számítógéppel támogatott megmunkálás (computer aided manufacturing, CAM) esetén a megmunkálás számára szükséges kiegészítő információt is meg kell adnunk. Az adatok így közvetlenül küldhetők a megmunkáló-berendezésekhez, melyek ezeket azonnal fel tudják használni.

3.6.2 Numerikusan vezérelt berendezések A numerikusan vezérelt berendezéseket gyakran NCberendezéseknek nevezzük. Az NC az angol numerically controlled, azaz numerikusan vezérelt rövidítése, és azt jelenti, hogy minden adat, tehát például a méretek, a forgási sebesség és a haladási sebesség számok formájában jut el a megmunkáló berendezéshez. A megmunkálás egyes mozzanatai tehát a program megadása után automatikusan kerülnek kivitelezésre. Az időközben már elöregedett, korábbi NC-vezérlések esetén a programokat még lyukkártyára írták. A modern CNC-vezérlések esetén már nincs lyukkártya. A CNC az angol Computerized Numerical Control, azaz a számítógéppel támogatott numerikus vezérlés kifejezés rövidítése. A szükséges adatokat a berendezés kijelzőjén közvetlenül adhatjuk meg, de lehetséges a program valamely adathordozóról történő átvitele és betöltése is. A DNC-vezérlésű gépek más gépekkel hálózatban működnek. A DNC a Distributed Numerical Control, azaz az elosztott numerikus vezérlés rövidítése, és arra utal, hogy a számítógépek fizikálisan különböző helyeken állnak (hálózatba vannak kötve). Mivel a programok műszaki rajzok alapján készülnek, ügyelnünk kell néhány sajátosságra. 104


Koordinátarendszerek A munkadarab egyes pontjainak megadása koordináták segítségével történik.

41. ábra: Koordinátarendszerek A koordinátarendszereknek van egy nullpontja (origó), melyhez a pont távolságát viszonyítjuk. A különböző koordinátarendszerek e távolságok megadásának módjában különböznek egymástól. A polárkoordináta-rendszer esetén a koordinátarendszer nullpontjától mért távolságot és ennek a szakasznak a tengellyel bezárt szögét adjuk meg. A derékszögű koordinátarendszer esetén ezzel szemben a különböző tengelyektől mért távolságot használjuk. A nullpont lehetőleg a munkadarab egy ésszerű pontja legyen, tehát lehetőség szerint valamely élen, vagy egy furat középpontjában helyezkedjen el! Abszolút méretezés esetén minden méret a nullponthoz viszonyítva van megadva. A méretszámok tehát a koordinátarendszer középpontjától mért távolságokat adják meg. Abban az esetben, ha egy nézetben csak egy koordináta-középpont létezik, a méretvonalakat nem kell teljesen a középpontig megrajzolnunk.

105


42. ábra: Abszolút méretezés Növekvő méretezésnek nevezzük azt az esetet, amikor minden méret az alkatrészen kívül tüntethető fel. Itt is minden méret a nullponthoz viszonyított méret, azonban az ilyen méretezés sok helyet takaríthat meg. A számokat ekkor 90°-al elforgatva írjuk.

43. ábra: Növekvő méretmegadás A relatív (inkrementális) méretmegadás esetén az előző megadott méret végpontja az új méret vonatkoztatási pontja. A méretezés tehát egyik mérettől a következőig, láncolatként történik. Ha egy méretláncban többször előfordul ugyanaz a méret, egyszerűsíthetjük a dolgot. A méretet ekkor csak egyszer adjuk meg, és feltüntetjük, hogy hányszor szerepel ugyanaz a méret. Egy rajzon belül azonban lehetőleg egyféle méretezést használjunk. Bizonyos esetekben azonban ésszerű a különböző méretezések kombinálása is.

106


44. ábra: Relatív méretmegadás A méretek megadásakor elvileg lehetséges az is, hogy egymástól független méretek különböző koordinátarendszerekben adjunk meg. A méretnyíl alapján felismerhető, hogy az adott méret mely nullpontra vonatkozik. A több koordinátarendszer használatával azonban a programozás bonyolultsága is növekszik. Ezért érdemes egy rajzon belül csak egy koordinátarendszert használni. Ha sok méret megadáshoz kevés hely áll rendelkezésre, használhatunk koordinátatáblázatot és pozíciószámokat is. Egy adott koordináta száma két számból áll, melyek között egy pont található. Az első szám a koordinátarendszer számát adja meg, a második, pedig egy növekvő sorszám, mely az adott koordinátarendszer pontjait jelzi. Így például a 2.4-es pozíciószám azt jelenti, hogy a 2. koordinátarendszer 4. pontjáról van szó. A pozíciószámokat táblázatos formában adjuk meg. A koordináták tengelyeit nagy betűk jelölik, azaz ha három koordinátatengelyről van szó, akkor A, B és C. Ha több koordinátarendszert használunk, a betűt egy szám követi, pl. A1, B1, A2 és B2. Az egyes pontok koordinátáin kívül a táblázat további információt is tartalmaz, pl. furatátmérőt, menetet, stb. A koordinátarendszereket ezen kívül fő- és alrendszerekre osztjuk. A főrendszerek egymástól függetlenek, és mindegyik saját origóval rendelkezik. Az alrendszerek valamely mérték által kapcsolódnak a főrendszerekhez. Az alrendszer origóját ezért a főrendszer origójához képest kell méretezni. Feladat Oldja meg a munkafüzet 47. és 48. feladatát! 107


Koordináta nullpont 1 1 1 1 1 2 2

108

Koordinátatáblázat (méretek mm-ben) Poz. Furat A B száma menete 1.1 10 50 6 1.2 10 40 6 1.3 10 30 6 1.4 20 25 6 1.5 10 20 6 2.1 -20 -25 M12 2.2 -15 -45 10

Mechatronika Modul 2 (Rész 1): Interkulturális kompetencia

Jegyzet (Elképzelés) Készítették: Christian Stöhr Christian Stöhr Unternehmensberatung, Németország

Andre Henschke Henschke Consulting Drezda, Németország




Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment - Jegyzet _________________________________________________________________Minos

Tartalom 1

Bevezetés – interkulturális képzés...........................................................................8 1.1

Bevezetés ............................................................................................................8

1.2

A szeminárium célja .............................................................................................8

2

Mi a kultúra? ..........................................................................................................10 2.1

A kultúra definíciói..............................................................................................10

2.2

A kultúra elemei .................................................................................................11

2.2.1

A kultúra elemei - Materiális kultúra ................................................................11

2.2.2

A kultúra elemei - Szociális intézmények ........................................................11

2.2.3

A kultúra elemei - Az emberiség és az univerzum ..........................................12

2.2.4

A kultúra elemei - Esztétika ............................................................................13

2.2.5

A kultúra elemei - Nyelv..................................................................................13

2.3 3

A kultúra jéghegy modellje .................................................................................13 A kultúra alapjai .....................................................................................................15

3.1

Sztereotípiák és kulturális generalizáció.............................................................15

3.2

A kultúra generalizációja – A Geert Hofstede-féle kultúrdimenziók.....................16

3.2.1

Individualizmusindex (IDV) .............................................................................18

3.2.2

Hatalmi különbségi index (PDI).......................................................................20

3.2.3

A bizonytalanság kerülésének indexe (UAI)....................................................21

3.2.4

Maszkulinitásindex (MAS)...............................................................................23

3.2.5

Hosszútávú orientációs index (LTO) ...............................................................25

3.3

A Hofstede-i modell korlátai ...............................................................................25

3.4

Geert Hofstede kultúrdimenziói az egyes országok esetén ................................27

4

A kultúra tulajdonságai ..........................................................................................29 4.1

Az idő és a prioritások érzékelése......................................................................29

4.1.1

A monochron időfelfogás ................................................................................29

4.1.2

A polychron időfelfogás ..................................................................................30

4.2

A státusz forrása ................................................................................................32

4.2.1

Megszerzett státusz........................................................................................33

4.2.2

Ráruházott státusz..........................................................................................33

4.3

Közvetlen és közvetett kommunikáció................................................................34

4.3.1

Közvetlen kommunikáció / Alacsony kontextusszintű kultúrák ........................35

4.3.2

Közvetett kommunikáció / Magas kontextusszintű kultúrák.............................35

5

Munka külföldön ....................................................................................................38 5.1

Kúltúrális sokk....................................................................................................38 3

Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment- Jegyzet Minos________________________________________________________________ 5.1.1

Kultúrális sokk................................................................................................ 38

5.1.2

A kultúrális sokk kezelése .............................................................................. 38

5.2

A kultúrális beilleszkedés folyamata .................................................................. 39

5.3

Kerüljük az önmagunkhoz való viszonyítást ...................................................... 40

5.4

Megfigyelés ....................................................................................................... 40

Irodalomjegyzék .............................................................................................................. 42

4

Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment - Jegyzet _________________________________________________________________Minos 1

Projektmenedzsment: A trend a projektmunka.......................................................43 1.1

Projektmunka a múltban.....................................................................................43

1.2

A projektmunka fejlődésének szakaszai.............................................................43

1.3

A projektszervezés elveinek eredete ..................................................................44

1.4

A PM kilenc kulcsterülete ...................................................................................44

2

A projekt – feltételek és ismertetőjegyek................................................................46 2.1

3

DIN 69 901.........................................................................................................46 Projekttípusok........................................................................................................47

3.1

Befektetési projektek..........................................................................................47

3.2

Kutatási és fejlesztési projektek .........................................................................47

3.3

Szervezési projektek ..........................................................................................48

3.4

Projektszerkezet tervezése ................................................................................49

3.5

A nemzetközi projektmenedzsment különlegességei .........................................49

3.5.1

A nemzetköziesítés célja ................................................................................49

3.5.2

A nemzetköziesítés céljainak fajtái .................................................................50

3.5.3

A szociológia befolyása a nemzetközi projektmenedzsmentre........................51

4

A projektmenedzsment tervezési és célhorizontjai.................................................53 4.1

Operatív projektmenedzsment ...........................................................................53

4.2

Taktikai projektmenedzsment.............................................................................53

4.3

Stratégiai projektmenedzsment ..........................................................................53

5

A projekt és szakaszai ...........................................................................................54 5.1

Projektötlet és projektindítás ..............................................................................55

5.2

Célok definiálása és projektdefiníció ..................................................................55

5.3

Kivitelezhetőség vizsgálata ................................................................................55

5.4

Projekt beindítása, kick off .................................................................................55

5.5

Durva tagolás és a projekt feladatainak definiálása............................................55

5.6

Finomstrukturálás...............................................................................................55

5.7

Projekttervezés ..................................................................................................56

5.8

Projektfelügyelet.................................................................................................57

5.9

Projektkiértékelés...............................................................................................57

5.10

Projektmenedzsment: folyamatcsoportok .......................................................57

5.10.1

Folyamatcsoport: Kezdeményezés .................................................................57

5.10.2

Folyamatcsoport: Tervezés.............................................................................58

5.10.3

Folyamatcsoport: Kivitelezés ..........................................................................58

5.10.4

Folyamatcsoport: Ellenőrzés...........................................................................58

5

Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment- Jegyzet Minos________________________________________________________________ 5.10.5 6

Folyamatcsoport: Lezárás.............................................................................. 59

Projektszervezetek................................................................................................ 60 6.1

Tiszta projektszervezet...................................................................................... 60

6.2

Stábszervezet (projektkoordináció) ................................................................... 61

6.3

Mátrixszervezet ................................................................................................. 61

6.4

Összefoglalás: A projektszervezet ismertetőjegyei ............................................ 62

7

Projektvezetés ...................................................................................................... 63 7.1

A projektvezető ................................................................................................. 63

7.1.1

A projektvezető felelősségi köre..................................................................... 63

7.1.2

A projektvezető feladatai................................................................................ 63

7.1.3

A projektvezető felé támasztott személyes követelmények ............................ 63

7.1.4

A projektvezető minimális kompetenciái......................................................... 64

7.2 8

A projektcsapat ................................................................................................. 64 Projekttervezés ..................................................................................................... 65

8.1

Céltervezés ....................................................................................................... 65

8.2

Tervezési szempontok....................................................................................... 66

8.3

Projektek tagolása............................................................................................. 66

8.4

Projektterv-fajták ............................................................................................... 67

8.5

Projekttervezési technikák és –eszközök .......................................................... 68

8.6

Hálótervezés ..................................................................................................... 69

8.6.1

A hálótervezés céljai ...................................................................................... 69

8.6.2

A hálótervezés története ................................................................................ 70

8.6.3

A hálótervezés alapfogalmai .......................................................................... 71

8.6.4

A hálótervezés további fogalmai .................................................................... 73

8.6.5

Példák a hálótervezésre ................................................................................ 74

8.6.6

Hálók típusai .................................................................................................. 75

8.6.7

A hálótervezés előnyei................................................................................... 76

8.6.8

A hálótervezés hátrányai ............................................................................... 76

8.7

Mérföldkövek..................................................................................................... 77

9

Lépések a projekt sikere felé ................................................................................ 78

10

Kockázatmenedzsment......................................................................................... 80

6

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet _________________________________________________________________Minos

„.. a gazdasági siker útjába egyedül a kultúra képes áthághatatlan akadályt gördíteni.” Edward T. Hall és Mildred Reed Hall

„ A kultúra egy leheletvékony, ámde nagyon fontos réteg, mellyel nagyon gondosan kell bánni, hogy meg ne karcolódjon. A különböző kultúrákból származó emberek alapjában véve azonosak, azonosan reagálnak. Bizonyosodjon meg afelől, hogy érti alapvető szokásaikat, és mutasson érdeklődést és nyitottságot a kultúrák közötti különbségek megértése iránt.” Mike Wills

7

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet Minos________________________________________________________________

1 Bevezetés – Interkulturális képzés 1.1 Bevezetés Az erősödő globalizáció következményeképpen változik a kormányzás, az üzleti élet, a szervezés és a nemzetek életének módja is. Az emberek már nem csak egy adott ország határain belül léteznek, hanem egy egymástól függő, nemzetközi hálózat részeivé váltak. Ma, sokkal inkább, mint korábban bármikor a gazdasági siker egyik titka az interkulturális tudat, az interkulturális kommunikáció készsége. A kulturális tudat az egyik legfontosabb terület, melyet a külföldön tevékenykedő vállalkozásoknak és személyeknek el kell sajátítaniuk, ha a piacon növekedést, sikert és integrációt akarnak elérni. Más kultúrákból származó munkatársakkal vagy kliensekkel dolgozni, találkozni, üzletet kötni, beszélgetni, tárgyalni vagy levelezni néha akár aknamezőhöz is hasonlíthat. Egyetlen rossz mondat vagy egy félreértés hónapok munkáját késleltetheti, vagy semmisítheti meg. Végeredményben az interkulturális különbségek felismeréséhez és megértéséhez világos kommunikációra, határok lebontására, bizalom létrehozására, kapcsolatok megerősítésére, horizontok tágítására van szükség, melyek később konkrét eredményeket hoznak majd.

1.2 A szeminárium célja Ezen szeminárium célja a résztvevők a globális arénában elérhető sikerekre irányuló potenciáljának maximálása, és a más országokban eltöltendő munkaidőre való felkészítés. A szeminárium résztvevői a következőket tanulják és értik majd meg: -

A kultúra hogyan befolyásolja világképünket és viselkedésünket. Milyen problémák léphetnek fel, ha különböző kultúrákból származó emberek kerülnek interakcióba egymással. A kultúrát hogyan analizálhatjuk és érthetjük meg külföldi utunk előtt. Hogyan minimalizálhatjuk a szakmai, interkulturális kommunikáció során fellépő félreértéseket. Hogyan kezeljük a kulturális sokkot.

Összefoglalva tehát a résztvevők interkulturális kompetenciájukat fejlesztik majd. Definíció Az interkulturális kompetencia a más kultúrákból származókkal való sikeres kommunikáció képessége – szűkebb értelemben a más kul8

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet _________________________________________________________________Minos túrákból származó emberekkel mindkét oldal számára megelégedéssel járó kapcsolat kialakítása. Ezzel a képességgel rendelkezhetünk már nagyon fiatalon, de később tudatos és szisztematikus erőfeszítések árán fejleszthetjük és javíthatjuk is. A sikeres interkulturális kommunikáció alapja az érzelmi kompetencia és az interkulturális érzékenység.

9


2 Mi a kultúra? 2.1 A kultúra definíciói Fontos

A kultúrára nem létezik egyetlen definíció.

Definíció A kultúra az „agy szoftvere”. Ez az, ami arra programoz minket, hogy úgy gondolkodjunk, beszéljünk, cselekedjünk és érezzünk, ahogy azt valójában tesszük. (Hofstede, 1989) Definíció A kultúra megtanult, közös, kényszerítő, egymással kapcsolatban álló jelek halmaza, melyek egy adott társadalom tagjai számára egy bizonyos adott orientációt bocsát rendelkezésre. Ezen orientációk sokasága lehetséges megoldásokat kínál adott problémák esetén, melyekkel minden társadalomnak szembe kell néznie, hogy fennmaradhasson. (Terpstra és David, 1985) Definíció A kultúra szemléletek vagy standardok olyan halmaza, melyeken az emberek egy csoportja osztozik, és melyek az egyént segítik azon döntéseiben, vajon mi van, mi lehet, mit érez, és valamit hogyan kell elvégezni. (Goodenough, 1996) Definíció A kultúra megtanult viselkedésmódok és ezekre épülő eredmények konfigurációja, mely egyes elemein az emberek egy csoportja osztozik, és melyet tovább örökít. (Linton, 1945) A fenti definícióknak van bizonyos közös mögöttes tartalma. A kultúrát mindannyian viselkedésmódok és szokások rendszerének tekintik, melyet egyik generáció tovább ad a következőnek. Közös szabályok, nyelvek, vallások, családi struktúrák, reakciók és neveltetés bizonyos előre láthatóságot és biztonságot jelentenek a mindennapi életben. Ha egyező meggyőződésű és cselekvési struktúrájú emberek találkoznak, jól megértik egymást, és az őket körbevevő világ hirtelen értelmet nyer. Fontos

Ezen szeminárium keretein belül a kultúra két aspektusának kell különösen tudatában lennünk: 1. A kultúra tanult dolog. 2. A kultúrát magunkévá tettük és elfelejtettük – abban az értelemben, hogy nem vagyunk tudatában annak, hogy megtanult viselkedésmódokból áll.

10


2.2 A kultúra elemei Ugyan minden definíció más fontos aspektust helyez előtérbe, mégis mind fontos, általános, közös elemekkel foglalkozik, melyek milyensége kultúráról kultúrára változhat: 1. 2. 3. 4. 5.

Materiális kultúra Szociális intézmények Az emberiség és az univerzum Esztétika Nyelv

2.2.1 A kultúra elemei - Materiális kultúra Definíció A materiális kultúra két összetevőből áll: 1. Egy adott kultúra műszaki képességeinek mértékéből, és 2. ezek gazdaságosságából, vagyis abból, ahogyan az emberek vívmányaikat és képességeiket használják. Léteznek dolgok, melyeket egy magas technológiai színvonallal rendelkező ország lakói magától értetődőnek tekintenek, miközben ezek egy alacsonyabb színvonalú országban elő sem fordulnak. Ezekben az országokban az emberek bizonyos fogalmakat, például a megelőző karbantartás fogalmát, nem is ismerik. Egy ország gazdaságossága hatással lehet az ott helyben létező termékek fajtáira. Néha bizonyos javak nem beszerezhetők, mert az emberek nem engedhetik meg őket maguknak, vagy egyszerűen nem tudnának bánni velük. Példa

Rudolf, egy Romániában dolgozó német szerelő örült, hogy talált egy üzletet, ahol négy fénymásoló gép állt. Az üzlet nyitva volt, de szerencsétlenségére mind a négy készülék elromlott. „Hogy lehetséges ez?” kérdezte. „Négy fénymásoló, és mind rossz! Mi van veletek?” tette még hozzá, amikor elhagyta az üzletet. Rudolf meg volt döbbenve, mert azok a karbantartási munkák, melyeket Németországból ismer, ebben az országban nem léteznek.

2.2.2 A kultúra elemei - Szociális intézmények Definíció Az emberek közötti interakció módja kultúráról kultúrára, országról országra változik. Az interakciók során nem elhanyagolható szerepet játszik a képzés, szociális szervezettség és a politikai struktúra.

11

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A szociális szervezettség az egyén szerepére, státuszára, valamint a család fontosságára és szerkezetére van hatással. Különböző országokban a nőknek különböző szerepe és jogai vannak. Hasonló mértékben változik a képzés szintje és minősége is. Bizonyos országokban az alap, közép, és van, ahol még a felsőfokú oktatás is ingyenes. Máshol a jó képzés nagyon drága, így egy személy képzettségének foka és minősége nagyban függ a szülők anyagi helyzetétől és státuszától. Példa

Vannak országok, ahol egy férfi számára normális, hogy a főnöke nő, és itt a nők sokkal nagyobb hányada dolgozik vezetői pozícióban, mint azokban az országokban, ahol a férfiak rosszul éreznék magukat, ha nő vezetése alatt állnának. Ezen kívül bizonyos országokban, például Németországban is, a szakmunkás képzés nagyon magas szintű, így nagy státusszal rendelkezik, miközben más helyeken ugyanezen státusz eléréséhez szinte az egyetemi végzettség szükséges.

2.2.3 A kultúra elemei - Az emberiség és az univerzum Definíció Ebbe a kategóriába tartoznak a különböző vallások, hitirányzatok és babonák. A vallási beállítottság, és a különböző babonák néha annyira erőteljesen jelen vannak az emberek életében, hogy nagy befolyással vannak észlelésükre és cselekedeteikre. Bizonyos országok vallásai az emberek egyenlőségét hirdetik, mások azonban a különbségeket hangsúlyozzák. Ezekben az országokban egy adott személy státuszát és társadalmai szerepét az határozza meg, hogy például hol született, stb. A vallás fontos szerepet játszik a világnézet indoklása és erősítése során. Egy személy vallása meghatározhatja, hogy mit ehet (pl. nem ehet disznóhúst, marhahúst, vagy csak kóser ételeket fogyaszthat), milyen öltözetet viselhet (nők esetén kötelező lehet a fej betakarása, férfiaknál a szakáll). Ezek a dolgok bizonyos vallások esetén az átlagosnál feltűnőbbek lehetnek (Iszlám, ortodox zsidók). A világnézet éppoly fontos szerepet játszhat, mint az általa fontosnak ítélt értékek. Milyen a viszonya az idővel? Mennyire tud alkalmazkodni a változásokhoz? Nagyon fontos, hogy aki idegen országba készül megértse, hogy ezek a tényezők másokat, és ezáltal viselkedésüket is nagyban befolyásolják. Példa

12

Tamás katolikus. Nagyvárosban él, minden vasárnap istentiszteletre jár. Soha nem öltözik ki, mivel abban a templomban, ahova jár, nem

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet _________________________________________________________________Minos tekintik fontosnak az öltözetet. Külföldi tartózkodása során Tamást meghívják a barátai, hogy vegyen részt a misén. Barátaival azt beszélik meg, hogy a templomban találkoznak. Mivel az adott országban nagyon meleg van, és Tamás soha nem látott az utcán különösen ünnepélyesen öltözött embereket, úgy dönt, hogy rövidnadrágot és inget vesz fel. Azonban nem engedik be a templomba. Amint barátai meglátják a rövidnadrágot, azonnal hazaküldik. Szerintük ez a viselet nem való templomba.

2.2.4 A kultúra elemei - Esztétika Definíció Ebbe a kategóriába tartoznak a művészetek különböző ágai, a folklór, a zene, a színjátszás és a tánc is. Sokat segít, ha külföldi tartózkodásunk előtt megismerkedünk az ország szokásaival, mivel ez segíti a mindennapi életben való eligazodást. Példa

Példának okáért a művészet betekintést enged abba, hogy az adott kultúra miként definiálja a szépséget. A színház sokat elárul az emberek élethez való viszonyáról, a folklór pedig a hagyományokat mutatja be.

2.2.5 A kultúra elemei - Nyelv Definíció A kommunikáció elsődleges formája a nyelv. Egy új nyelv elsajátítása nem csak az egyes szavak idegen nyelvű megfelelőinek megtanulását jelenti, hiszen minden nyelv egyéni „asszociációkkal” rendelkezik, az egyes szavak jelentése pedig enyhén eltérhet az anyanyelvben megszokott jelentéstől. Sok frusztrációt és elégedetlenséget okozhat, ha nem tudjuk, hogyan használjuk megfelelően a nyelvet. Példa

Az angol „gay” szó az amerikai angolban jelentheti, hogy valaki homoszexuális, de jelölheti azt is, hogy vidám. Ezért a szót utóbbi értelmében már nemigen használják. A portugálban szokatlanul sok a káromkodás, a portugálok pedig előszeretettel használják is ezeket a kifejezéseket. Ezzel ellentétben a svédek sokkal udvariasabbak, nyelvükben kevesebb a „mocskolódás”.

2.3 A kultúra jéghegy modellje A kultúra olyan, mint egy jéghegy: csak apró kis része látható, azonban a vízfelszín alatt hatalmas, láthatatlan tömeg rejtőzik. Vannak könnyen felismerhető kulturális különbségek, azonban léteznek rejtettek is. A kultúra látható és láthatatlan része szoros kapcsolatban áll egymással: a kultúra látható aspektusait, melyek az emberek minden13

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet Minos________________________________________________________________ napi viselkedésében felismerhetők a láthatatlan komponensek határozzák meg, tehát az emberek értékrendje, beállítottsága, gondolatai, érzései és vallása. Interkulturális interakció során az emberek hajlamosak arra, hogy mások viselkedését saját kategóriáik – beállítottságuk és értékrendjük – alapján ítéljék meg. Ennek következménye, hogy mások viselkedését furcsának tartjuk. Azonban nem szabad elfelejtenünk, hogy a másik számára saját viselkedése normális, saját értékrendjének megfelelő viselkedés. Ha tehát azt mondjuk, hogy valaki „értelmetlenül viselkedik”, a valóságban csak azt fejezzük ki, hogy a személy viselkedése ellentmond annak, amiről azt hisszük, hogy az adott személy gondol. Ha egy adott viselkedési formát meg szeretnénk érteni, meg kell ismernünk a személy értékrendjét és beállítottságát. Példa A Németországból származó Rudolf, és az olasz Gaia 19 órára beszéltek meg találkozót. Rudolf a megbeszélt időben pontosan megjelenik a megbeszélt helyen, azonban Gaia nincs ott, csak egy bő órával később jelenik meg. Rudolf ezt a viselkedést a tisztelet hiányaként értelmezi, mivel a lány viselkedését saját értékrendje alapján próbálja megérteni. Azonban az olaszok másképpen viszonyulnak az időhöz, mint a németek, Gaia pedig csak saját értékrendjének, meggyőződésének és szokásainak megfelelően cselekedett.

1. ábra: A kultúra jéghegy modellje

14


3 A kultúra alapjai 3.1 Sztereotípiák és kulturális generalizáció A kulturális sztereotípiák és a generalizáció a más emberek megítélésének két általánosító koncepciója. Ugyan a két dolog hasonlónak tűnik, azonban mégis létezik az interkulturális kommunikáció szempontjából nagy fontossággal bíró különbség. Definíció A kulturális sztereotípia egy korábban kifejezésre juttatott általánosítás alkalmazása egy kultúrkör tagjaira, vagy egy adott csoport néhány tagja alapján történő általánosítás a teljes kultúrkörre. A sztereotípia rideg általánosítás, melyet néha „megkövült kategorizálásnak” is neveznek. Definíció A kulturális generalizáció egy kultúrkör tagjai többségének bizonyos értékrend és meggyőződés iránti hajlandósága, bizonyos viselkedésminták gyakori követése. Ez egy hipotézis, mely egy adott csoport viselkedésmódjával való tapasztalatokon alapszik. (Bennett, 1998) Példa

Sztereotípia Az angolok szeretik a halat és a sült krumplit. A franciák sok sajtot esznek. A németek mindig pontosak.

Generalizáció Sok angol szereti a halat és a sült krumplit. Sok francia fogyaszt sok sajtot. A németek gyakran pontosak.

Fontos

Jóllehet sokszor általánosításokat alkalmazunk, hogy megtaláljuk a hangot más kultúrákkal, a sztereotipizálás mégis problematikus dolog – általában sok különböző felfogás, viselkedés és meggyőződés létezik. A kulturális generalizáció azt jelenti, hogy relatív nagy annak a valószínűsége, hogy egy kultúrkör tagjai bizonyos módon cselekszenek és gondolkodnak, azonban ez soha nem érvényes a csoport minden tagjára. Senki nem testesíti meg egy-egy ország jellegzetes tulajdonságai mindegyikét! Mindig léteznek alcsoportok, szubkultúrák (pl. nemre, korra, etnikai és szakmai hovatartozásra tekintettel), melyek kulturális ismertetőjegyei nem felelnek meg a társadalom többségének jellegzetességeinek. Ebben az összefüggésben néhány további fontos koncepció:

Definíció Az ethnocentrizmus az a felfogás, mely szerint az adott személy kultúrája által meghatározott mód a dolgok legtermészetesebb és legjobb módja.

15

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Definíció A kulturális relativizmus azt állítja, hogy a kultúrákat nem lehet egyetlen vagy abszolút etikai vagy morális szemszögből megítélni és értékelni. Az értékelés a háttértől függ, melyből az származik. Egy adott kultúra értékrendje, etikája vagy morálja soha nem tekinthető egy másik kultúrával szemben teljes egészében magasabb vagy alacsonyabb rendűnek. Definíció A kulturális pluralizmus egy olyan kontextus, melyben egy adott társadalomban több mint egy kultúra létezik. A kulturális pluralizmus a különböző élet- és gondolkodásmódú emberek társadalmi és politikai interakciója. Ideális esetben ez a koncepció már magában foglalja a fanatizmus, az előítéletek és a rasszizmus elutasítását, és támogatja más kultúrák tiszteletben tartását.

3.2 A kultúra generalizációja kultúrdimenziók

–

A

Geert

Hofstede-féle

Mint azt a korábbi bekezdések során tapasztalhattuk, a kultúra felettébb összetett jelenség, melyet számtalan szempont és árnyalat jellemez. Mivel egy-egy hosszabb külföldi tartózkodás alapos felkészülést igényel, szükségünk van egy egyszerűbb módra, mely segítségével megismerkedhetünk a célország kultúrájával. Egy olyan leírásra, mely tartalmazza a fontos, és mellőzi a kevésbé lényeges szempontokat. Ez a megközelítés a kultúra modellezése. Egy leegyszerűsített, azonban továbbra is használható információkat tartalmazó modell elkészítése. Az egyik igen népszerű modell Geert Hofstede nevéhez fűződik, aki a kulturális különbségekkel foglalkozó egyik legátfogóbb empirikus tanulmány keretén belül számos ország lakóit kérdezte meggyőződéseik és értékrendjük felől. Az eredmények alapján a kultúra komplexitását 5 alapvető kulturális dimenzióra redukálta: 1. 2. 3. 4. 5.

Individualizmus Hatalmi különbség A bizonytalanság kerülése Maszkulinitás Hosszútávú orientáció

Hofstede véleménye szerint a kultúrák leginkább ezen elvekhez való viszonyukban és reakcióikban különböznek. Elsőre ez furcsának tűnhet. Hogy lehetséges, hogy mindössze öt elv segítségével leírható egy egész kultúra? Ennek oka ezen elvek alapvető mivolta, melyek gyakran konkrét értékek, meggyőződések és beállítottságok széles spektrumának forrásai lehetnek, így az emberek viselkedése

16

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet _________________________________________________________________Minos gyakran visszavezethető a fent említett dimenziók egyikére (vagy többek kombinációjára). Mivel ezen dimenziók gyakran képezik a kulturális különbségek alapját, komoly segítséget nyújthatnak a különböző kulturális háttérrel rendelkező egyének vagy csoportok konfliktusainak megértése szempontjából. Első közelítésként segítségükkel strukturáltan elemezhetjük a kultúrákat. Röviden a fenti dimenziók: Individualizmus: Annak mértéke, hogy az egyes emberek mennyire érzik szükségét annak, hogy másokról gondoskodjanak, és mennyire igénylik azt, hogy róluk családjuk, vagy azon szervezetek, melyekhez tartoznak, gondoskodjék. Hatalmi különbség: Az az emberek közötti egyenlőtlenség, melyet az adott ország népessége még normálisnak tekint. A bizonytalanság kerülése: Annak mértéke, hogy az adott ország népessége mennyire részesíti előnyben a strukturált, előre látható helyzeteket a strukturálatlan helyzetekkel szemben. Maszkulinitás: Annak értéke, egy kultúra mennyire támogatja a dominanciát, az öntudatot és az anyagi javak halmozását. Az ilyen kultúra ellentéte egy olyan környezet, mely inkább az embereket, az érzelmeket és az életminőségét állítja előtérbe. Hosszútávú orientáció: A hosszútávú értékek jövőorientáltak, pl. a takarékoskodást és a tartósságot, az állandóságot támogatják. A rövidtávú értékek ezzel szemben inkább a múlttal és a jelennel kapcsolatosak, ilyen például a hagyományok tisztelete, és a társadalmi kötelezettségeknek való elégtétel. Ha az ember egy idegen országba költözik, segítségére lehet az egyes dimenziók pontértékének megvizsgálása. Ez első információt nyújthat arra vonatkozóan, mire számíthatunk az adott ország lakosságával való interakció során. A következő bekezdések részletesebben foglalkoznak majd az egyes dimenziókkal, és rámutatunk néhány olyan jelenségre is, me17

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet Minos________________________________________________________________ lyek ezek segítségével megmagyarázhatók. Ezen kívül néhány jótanácsot is felkínálunk, melyeket figyelembe vehetünk, ha olyan országba készülünk, mely pontértéke nagyban eltér hazánk pontértékétől.

3.2.1 Individualizmusindex (IDV) Definíció Az individualizmus annak mértéke, az emberek az egyéni tevékenységet mennyire részesítik előnyben a csoportos tevékenységgel szemben. A súlypont az egyén vagy a csoportok jogai irányába tolódik el inkább? Hajlamosak az emberek arra, hogy csak magukra és saját családjukra ügyeljenek, vagy létezik olyan társadalmi keret, ahol az emberek a „mi” és az idegen csoportok között különbséget tesznek, és eközben elvárják, hogy a „mi”-csoport ügyeljen rájuk? Magas individualizmus-indexű kultúrákból származó emberek hajlamosak inkább „én”-kategóriákban gondolkozni. Érdeklődésüket inkább az egyéni, személyes célokra és az elérendő célokra összpontosítják. Kapcsolataik másokkal gyakran lazák. Ezekben az országokban nagy hangsúlyt kap a magánszféra és a szabadság. Az ilyen kultúrákból származó emberek számára természetes, hogy megvalósítsák önmagukat és felfedezzék saját, egyéni kvalitásaikat. Példa

Az individualizmus jó példái az Egyesült Államok, Ausztrália, NagyBritannia, Hollandia, Kanada, Németország és Olaszország. Ezen dimenzió másik vége a kollektivisztikus társadalom. Ezekben az országokban az emberek inkább „mi”-kategóriákban gondolkoznak, a társadalom érdeklődése nagy fontossággal bír. A kollektivisztikus kultúrákban az emberek jobban érzik magukat csoportban, szeretnek egymással kapcsolatban lenni. A családon belül szorosak a kötelékek, nagy a felelősség. Az emberek egy-egy csoport tagjaként gondolnak önmagukra. A konformitás elvárt, és nagyra értékelt tulajdonság.

Példa

18

Példák kollektivisztikus társadalmi berendezkedésű országokra: sok dél-amerikai ország, Kína, Bulgária és Románia.


2. ábra: Az individualizmus-index a világ különböző tájain Megjegyzések, ha a saját országunktól eltérő IDV-szel rendelkező országba készülünk dolgozni: Magas IDV-ű országok esetén: - Személyként elvárják az egyéni munkát és az önálló iniciatívát. Ne hagyatkozzunk arra, hogy a csoportunk majd támogatni fog. - A kommunikációs stílus gyakran relatív közvetlen és feladatorientált. - Az üzleti környezet többé-kevésbé kapcsolat- és személyes kontaktusfüggő. Az üzleti és a magánélet élesen elválik. - Alkalmazottak, vagy alacsonyabb pozícióban levő emberek gyakran elvárják, hogy a projekteken vagy bizonyos feladatokon önállóan dolgozhassanak. A munkájukba történő túlzott beavatkozást negatív megítélésként értékelhetik. - Az emberek gyakran tesznek komoly erőfeszítéseket, gyakrabban szeretnek kitűnni, például megbeszélések, prezentációk vagy csoportmunka során. - Meg kell értenünk, hogy az individualizmus bizonyos mértékben tolerálandó, például a külső megjelenés, vagy a viselkedés tekintetében is. Alacsony IDV-ű országok esetén: - Az emberek gyakran rendelkeznek erős családi kötelékekkel. A család néha a munkánál is fontosabb lehet. - A kommunikáció gyakran közvetett. A konfliktusokat nagyon óvatosan kezelik. - Dicsérni mindig az egész csapatot dicsérjük, ne pedig az egyént, mivel ez az adott személy számára kellemetlen lehet. - Az előmenetel a szolgálati kor és a tapasztalat függvénye – kevésbé alapul az egyéni teljesítményen és sikeren. A döntéshozatal néha nagyon hosszadalmas is lehet, mivel a hierarchia különböző szintjein sok ember véleményét ki kell kérni. 19


3.2.2 Hatalmi különbségi index (PDI) Definíció A hatalmi különbség magába foglalja a hierarchiát és az egyén helyét a társadalomban. Azt az emberek közötti egyenlőtlenséget írja le, melyet az adott ország népessége még normálisnak tekint. Mindenki egyenlő, vagy a hatalmi különbségek természetesen adottak? A munkára vonatkoztatva megvizsgálhatjuk, vajon a vállalaton belül hogyan zajlik a döntéshozatal. Mindenki azonos súllyal vesz részt a folyamatban, vagy a magasabb pozíciót betöltő személy egyedül hoz döntéseket? Ha egy ország ebben a kategóriában magas értékkel rendelkezik, a hatalom a társadalom magától értetődő részeként elfogadott, egy adott személy pozíciójának pedig kevesebb köze van a személy képességeihez. Az emberek nem tekintik komoly problémának a nagy osztály-, jövedelmi vagy hatalmi különbségeket. Gyakran a vallás is az egyenlőtlenséget hirdeti, a hatalom pedig gyakran a törvény felett áll. A hivatalok sokszor nyíltan demonstrálják státuszukat. Példa

Jó példa erre az arab világ, Latin-Amerika és sok afrikai ország, de éppúgy Oroszország, Szlovénia és Románia. Emellett Lengyelország, Franciaország és Belgium is relatív magas értékkel rendelkezik. Kis hatalmi különbségekkel rendelkező országok a nagy különbségeket elfogadhatatlannak, de legalábbis nem-kívánatosnak tartják. A hatalom itt nem természetesen adott, hanem gyakorlati indokkal kell rendelkeznie. Az emberek véleménye szerint mindenkit azonos jogok illetnek meg, és az egyén helye a társadalomban annak képességeitől és kompetenciáitól kell, hogy függjön.

Példa

A hatalmi különbségek kicsik például az USA-ban, Ausztráliában, Németországban, Nagy-Britanniában valamint a skandináv országokban.

3. ábra: A hatalmi különbség index a világ különböző tájain 20


Megjegyzések, ha a saját országunktól eltérő PDI-vel rendelkező országba készülünk dolgozni: Magas PDI-vel rendelkező országok esetén: - A felettesünket tisztelettel kezeljük, próbáljunk nem túl gyakran ellentmondani neki. - Az alkalmazottakkal való kapcsolatunk legyen inkább távolságtartó, a felettesek a beosztottjaikkal szemben autoritással lépjenek fel. Nem szabad minden döntés esetén vitába bocsátkozni. - A munkatársakhoz intézett utasítások legyenek precízek és explicitek. - Szabjunk határidőket, melyeket be is kell tartatnunk. - A beosztottaktól nem váratik el az önálló iniciatíva. - Több a bürokrácia. Kis PDI-vel rendelkező országok esetén: - A feletteseket kevesebb tisztelettel kezelik. - A protokoll és az etikett kevésbé fontos, az emberek szívesebben ismerkednek meg egymással lazább keretek között. - A beosztottakkal való viszony szorosabb. - A döntéshozatal folyamatában többen is részt vesznek. - Nem ítélkezhetünk mások felett a külső megjelenés, viselkedés, privilégiumok vagy státuszszimbólumok alapján.

3.2.3 A bizonytalanság kerülésének indexe (UAI) Definíció A bizonytalanság kerülésének indexe annak a mértéke, hogy az adott ország népessége mennyire részesíti előnyben a strukturált, előre látható, világos szabályokkal, törvényekkel és előírásokkal keretezett helyzeteket a strukturálatlan helyzetekkel szemben. A bizonytalanság elkerülése vonatkozik például a kockázatvállalási készségre, vagy akár arra is, hogy egy adott tervezési bizottság milyen részletességgel tervez meg például egy szemináriumot. Ezen túl ide tartozik az is, mennyi teret engedünk a változtatásoknak és az improvizációnak. Magas bizonytalanság kerülési indexű országok esetén az emberek a bizonytalanságot rosszként értékelik. A megszokottól eltérő dolgok veszélyesek. Az ilyen társadalmak tagjai tisztázatlan helyzetekben veszélyben érzik magukat, és megpróbálják önmagukat szabályokkal, előírásokkal és más óvintézkedésekkel megvédeni. Az emberek szeretik a struktúrát, precizitást és formalizációt. Az ilyen országok általában nagyon homogének, és gyakran elzárkóznak a változások és az innováció elől.

21


Példa

Magas bizonytalanság kerülési indexű országok például a latinamerikai országok, Oroszország, Japán, Görögország, Portugália és a németajkú országok. Alacsony értékkel rendelkező társadalmak esetén a bizonytalanság normális és természetes. Ilyen helyeken laza, kevésbé merev viselkedésű emberekkel találkozhatunk. Ezek az emberek hajlamosabbak kockázatokat vállalni, és nyitottabbak a változásokra és az innovációra. Általában sokkal kevesebb az előírás. Az ilyen országok általában relatív fiatalok, és különböző bevándorlási hullámok következtében nagyobb diverzitással rendelkeznek.

Példa

Alacsony bizonytalanság kerülési indexű országok például az Egyesült Államok, Nagy-Britannia, Dánia, Svédország, Kína és Szingapúr.

4. ábra: A bizonytalanság kerülési index a világ különböző tájain Megjegyzések, ha a saját országunktól eltérő UAI-vel rendelkező országba készülünk dolgozni: Magas UAI-vel rendelkező országok esetén: - Új ötletek, innovatív munkamódszerek bevezetése sok időt vesz igénybe. Ilyen tervekhez sok időre és türelemre van szükség, mire elfogadják az emberek a javaslatokat. - Az ország berendezkedése nagyon bürokratikus. - Lehetőség szerint helyieket is vonjunk bele a projektbe, hogy lehetővé tegyük számukra a megértés kialakulását, mely csökkenti a bizonytalanságérzetet.

22

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet _________________________________________________________________Minos -

-

Utasítások, javaslatok, prezentációk és a kérdésekre adott válaszok legyenek mindig nagyon precízek, az illetékesség legyen mindig tisztán definiálva. A kijelentéseket mindig támasszuk alá adatokkal és tényekkel.

Alacsony UAI-vel rendelkező országok esetén: - Új ötletekkel szemben mutassunk rugalmasságot és nyitottságot. - Készüljünk fel arra, hogy az egyezség létrejötte után gyorsan realizáljuk a megbeszélteket, mivel ez az elvárás. - A beosztottak önállóak, feladatuk elvégzéséhez térre és eszközökre van szükségük.

3.2.4 Maszkulinitásindex (MAS) Definíció A maszkulinitás és a feminitás nem keverendő össze a biológiai értelemben vett „férfias” és „nőies” kategóriákkal. Ezzel szemben ez a megjelölés az egyes személyek által betöltött társadalmi szerepekre és kategóriákra vonatkozik. Bizonyos értékeket, pl. az érdekérvényesítési képességet, sikert, a gazdagságra való törekvést és a teljesítményorientáltságot „férfias” értékeknek tekintünk. Más értékek, mint pl. a szolidaritás, kapcsolattartás és az életminőség javítására való törekvés női értékek. Az a mérték, amennyire egy társadalom a „férfias” értékeket a „női” értékek fölé rendeli, az úgy nevezett maszkulinitásindex. Az olyan országokban, ahol a maszkulin életforma élvez prioritást, nagyra értékelik a teljesítményt, a versengést, a vagyont és a növekedést. Itt az emberek a munkájuknak élnek. Az ilyen társadalomban a nőknek és a férfiaknak különböző, jól definiált szerepeik vannak, a konfliktusokat pedig inkább agresszív módon oldják meg. Példa

Az európai országok, mint pl. Szlovákia, Németország, Ausztria, Magyarország és Svájc magas maszkulinitásindexszel rendelkeznek, éppúgy, mint Japán. A feminin országokban (alacsony MAS) a család, az emberi kapcsolatok és az életminőség fontosabb helyet foglal el. Itt az emberek azért dolgoznak, hogy élhessenek. A nőket és a férfiakat egyenlőnek tekintik, a konfliktusokat pedig kevésbé durván kezelik, az emberek inkább hajlanak a tárgyalásos megoldások felé.

Példa

A skandináv országok, Hollandia és Spanyolország alacsony MAS értékkel rendelkeznek.

23


5. ábra: A maszkulinitási index a világ különböző tájain Megjegyzések, ha a saját országunktól maszkulinitásindexű országba készülünk dolgozni:

eltérő

Magas MAS-el rendelkező országok esetén: - Az alkalmazottaktól valószínűleg különböző áldozatokat várnak el, például túlórákat, rövid szabadságot, több üzleti utat. - Az üzleti ügyek mindig jelen vannak, társadalmi események esetén is. - Személyes ügyeket nem szabad szóba hozni üzleti helyzetben. - Az emberek nem kötnek könnyen szoros barátságot. - Ebben a környezetben a kommunikáció leghatékonyabb módja a közvetlen, velős, precíz és érzelemmentes kommunikáció. - Az emberek egymás megítélésekor inkább egymás munkahelyi státuszát, mintsem a családi környezetet vagy kapcsolatokat veszik alapul. - Az önreklámozás ezen kiélezett konkurenciába élő gazdasági kultúra elfogadott része. Alacsony MAS-el rendelkező országok esetén: - Az emberek nagyra értékelik szabad idejüket, nagyobb fontossággal bír számukra a család, hosszabb szabadságot vesznek ki. - A túlórázás nem megszokott dolog. - Az udvarias beszélgetések informális (de akár üzleti) beszélgetések esetén (is) inkább az emberek életére és érdeklődési körére irányul, és nem a tisztán üzleti ügyekre. - Személyes kérdések normálisak, nem számítanak bizalmaskodásnak. - Üzleti tárgyalások során a bizalom fontosabb szerepet játszik, mint a remélt nyereség. - Az üzletek és pozíciók ismeretség alapon történő szétosztása elfogadott és pozitív megítélés alá esik. Az emberek nyíltan kimutatják a szoros kapcsolatok iránti igényüket. 24


3.2.5 Hosszútávú orientációs index (LTO) Ezt a Hofstede-i dimenzió még nincs részletesen kidolgozva. Ez a dimenzió egy második, kínai tanulmány eredménye, mely során nem minden országot vizsgáltak meg. Ezen túl inkább a keleti és a nyugati világnézet különbségére irányuló aspektusokat hangsúlyozza, kevésbe foglalkozik az európai országok különbségeivel. Ezért ezzel a dimenzióval nem foglalkozunk olyan mélységben, mint a másik négy komponenssel. Definíció A célorientáltság annak mértékére vonatkozik, a társadalom döntései milyen mértékben alapszanak hagyományokon és múltbeli eseményeken vagy rövidtávú célokon, illetve mit tartanak fontosnak a jövő szempontjából. A magas hosszútávú orientációs érték arra utal, hogy az adott ország a hosszútávú kötelezettségek és a hagyományok híve. Az ilyen országok lakói általában kitartóak, takarékosak és magasan fejlett szégyenérzettel rendelkeznek. A kapcsolatokat státusz szerint rendezik, és ügyelnek erre a sorrendre. Példa

Jó példa erre például Japán, Kína és India. Az alacsony érték azt jelenti, hogy az adott ország kevésbé támaszkodik hosszútávú, hagyományos megközelítési módokra. Az ilyen kultúrák nyitottak, hiszen a hagyományok és a hosszútávú kötelezettségek nem állnak útjába a változásoknak.

Példa

Jó példa erre például az Egyesült Államok, Nyugat-Afrika és NagyBritannia.

3.3 A Hofstede-i modell korlátai A Hofstede-tanulmány értéke főleg az empirikus alapok lefektetésében rejlik. Talán egyetlen más tanulmány vagy elmélet sem tud hasonló kvalitatív alapokat felmutatni. Másrészről azonban a modell nem ad magyarázatot arra, miért csak öt dimenzió létezhet, vagy miért pont ezek a dimenziók képezik a kultúra alapját. Ezen túl a modell nem veszi figyelembe a kultúrák változását sem. Ehelyett azt implikálja, hogy a kultúra inkább statikus, mint dinamikus; nem ad magyarázatot arra, hogy a kultúrák miért és hogyan változnak. Ezen kívül kritika érte Hofstede-t azért, mert a kultúrát egy adott ország tulajdonságaként szemléli, és nem veszi figyelembe a generációs különbségekből, etnikai összetételből, elhelyezkedésből és más alcsoportok befolyásából adódó kulturális sokrétűséget. A dimenziók megnevezése azt a veszélyt is magában rejti, hogy egyes kultúrák

25

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet Minos________________________________________________________________ „magasabb rendűnek” tűnhetnek. Ennek ellenére a modell eszköz lehet egy-egy külföldi tartózkodás előkészítése során. Ezért a következő oldalakon felsoroltuk a különböző országok Hofstede-i kultúrdimenzióinak pontértékeit. Ennek segítségével bárki informálódhat, mire számíthat az idegen országban. Azonban mindenképpen észben kell tartanunk a modell fent felsorolt korlátait is.

26


3.4 Geert Hofstede kultúrdimenziói az egyes országok esetén PDI IDV MAS UAI LTO

… … ... … …

Hatalmi különbségi index Individualitásindex Maszkulinitásindex Bizonytalanság kerülési index Hosszútávú orientációs index

Ország Arab világ Argentína Ausztrália Ausztria Belgium Brazília Chile Costa Rica Csehország Dánia Dél-Afrika Dél-Korea Ecuador El Salvador Finnország Franciaország Fülöp Szigetek Görögország Guatemala Hollandia Hong Kong India Indonézia Irán Írország Izrael Jamaica Japán Kanada Kelet-Afrika Kína Kolumbia Lengyelország Magyarország Malajzia Mexikó Nagy-Britannia és ÉszakÍrország Németország Norvégia

PDI 80 49 36 11 65 69 63 35 35 18 49 60 78 66 33 68 94 60 95 38 68 77 78 58 28 13 45 54 39 64 80 67 68 46 104 81 35

IDV 38 46 90 55 75 38 23 15 58 74 65 18 8 19 63 71 32 35 6 80 25 48 14 41 70 54 39 46 80 27 20 13 60 80 26 30 89

MAS 52 56 61 79 54 49 28 21 45 16 63 39 63 40 26 43 64 57 37 14 57 56 46 43 68 47 68 95 52 41 66 64 64 88 50 69 66

UAI 68 86 51 70 94 76 86 86 74 23 49 85 67 94 59 86 44 112 101 53 29 40 48 59 35 81 13 92 48 52 30 80 93 82 36 82 35

LTO

35 31

67 69

66 8

65 50

31 20

31

65

75

19

44 96 61

80 23 25 118

25

27

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Nyugat-Afrika Olaszország Pakisztán Panama Peru Portugália Spanyolország Svájc Svédország Szingapúr Taiwan Tájföld Törökország Új-Zéland Uruguay USA Venezuela

28

77 50 55 95 64 63 57 34 31 74 58 64 66 22 61 40 81

20 76 14 11 16 27 51 68 71 20 17 20 37 79 36 91 12

46 70 50 44 42 31 42 70 5 48 45 34 45 58 38 62 73

54 75 70 86 87 104 86 58 29 8 69 64 85 49 100 46 76

16 0

33 48 87 56 30 29


4 A kultúra tulajdonságai Az előző fejezetben bemutatott általános Hofstede-i megközelítés után a negyedik fejezet a kultúra azon konkrét tulajdonságaival foglalkozik, melyek feltehetően befolyásolják munkánkat, így külföldi munkavégzés esetén figyelembe kell vennünk őket. Fontos

Fontos figyelembe vennünk, hogy a következőkben bemutatott dimenziók folyamatosak, és egyik vagy másik irányba tendálhatnak. Ezért a különböző dimenziókat jellemző tulajdonságok nem feltétlenül mindig konzisztensek, együtt azonban a kontinuum egyik vagy másik pólusa felé tartanak.

4.1 Az idő és a prioritások érzékelése A polychron és monochron kultúrák modelljét E. T. Hall vezette be. Első pillantásra az idő, mint olyan, egyszerűen érthető. Azonban minden kultúra saját felfogással rendelkezik az időről, és annak kezeléséről is. Egyes kultúrák hajlamosak tisztelni az időt, kézzel fogható és véges erőforrást látnak benne. Ezzel szemben vannak országok, ahol az idő inkább rugalmas, így elfogadott, ill. normálisnak tekintendő, ha az ember későn érkezik egy megbeszélt találkozóra, vagy ha csak hosszabb bevezető után tér rá a lényegre. A kulturális okokra visszavezethető időfelfogások monochron (szekvenciális) és polychron (szinkron) felfogásra oszthatók fel az idő kultúra által meghatározott strukturáltsága alapján. Általánosságban a személyes időfelfogást kontinuumnak tekinthetjük – ekkor a monochron koncepció képezi az egyik pólust, a polychron pedig a másikat.

4.1.1 A monochron időfelfogás Definíció A monochron időbeosztás azt jelenti, hogy egy időben egyetlen dologgal foglalkozunk, a dolgokat egymás után intézzük el, mégpedig úgy, hogy minden feladat saját időtartammal rendelkezik. Az idő adottnak tekintett, a változók a résztvevő személyek. Az emberek szükségletei időbeli előírásokhoz igazodnak – határidőkhöz, időpontokhoz, stb. Az idő kvalifikálható, és csak korlátozott mennyiségben áll rendelkezésre. Az emberek egyszerre egy dologgal foglalkoznak, és a körülményektől függetlenül előbb az egyik dolgot befejezik, mielőtt mással kezdenek el foglalkozni. A monochron kultúrák számára az idő nagyon konkrét és tapintható. Gyakorlatilag erőforrásnak tekintik: időt használunk, pocsékolunk, takarítunk meg, stb. Az idő lineáris, vonalként húzódik a múltból a

29

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet Minos________________________________________________________________ jelenen keresztül a jövőbe. A napunk strukturálására és prioritások meghatározására használjuk. Például „nincs időnk” találkozni valakivel. A monochron időfelfogású emberekre az alábbiak jellemzőek: - egyszerre egy dologgal foglalkoznak - a munkájukra koncentrálnak - komolyan veszik a határidőket és megbeszélt időpontokat - általában kis rálátással bírnak, sok háttér-információra van szükségük - ragaszkodnak a munkájukhoz - lelkiismeretesen tartják magukat a tervekhez - nem szívesen zavarnak másokat, gondosan követik a magánszféra és a tapintat szabályait - tisztelik a magántulajdont, ritkán adnak vagy kérnek kölcsön dolgokat - hangsúlyt fektetnek a gyorsaságra - rövid kapcsolatokhoz vannak szokva Példa

Németországban, az USA-ban, Svájcban, Svédországban, Norvégiában és Dániába az emberek túlnyomó többsége monochron időfelfogással rendelkezik.

4.1.2 A polychron időfelfogás Definíció A polychron időfelfogás éppen a fentiek ellentéte: egyszerre több dologgal is foglalkozunk, az emberek sokkal inkább kötődnek egymáshoz, így az emberek egymáshoz való viszonya sokkal nagyobb hangsúlyt kap, mint a határidők betartása. Az időt ez ember szolgájának és eszközének tekintik, mely az ember szükségleteihez igazítandó. Mindig rendelkezésre áll egy kicsit több idő, az ember soha nem túl elfoglalt. Az embereknek – a körülményeknek megfelelően – gyakran több dolgot is kell egyidejűleg intézniük. Nem kell egy dolgot befejezni, mielőtt nekiállunk valami újnak, és arra sincs szükség, hogy az egyik személlyel lezárjuk kapcsolatunkat, mielőtt valaki újjal kezdünk. A polychron idő tehát nem erőforrás, vonal helyett inkább pont jellemzi. A polychron időfelfogású emberekre az alábbiak jellemzőek: - sok dologgal foglalkoznak egyszerre - könnyen elkalandozik a figyelmük, hajlamosak mások tevékenységét is megszakítani - időbeli kijelentéseket inkább irányvonalnak tekintik, melyet – lehetőség szerint – be kell tartani

30

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet _________________________________________________________________Minos Példa

átfogó képük van a dolgokról, sok információval rendelkeznek az emberekkel és emberi kapcsolatokkal szemben gyakran éreznek elkötelezettséget a terveket egyszerűen és gyakran változtatják jobban tekintettel vannak a hozzájuk közel álló (család, barátok, üzleti partnerek) emberekre, mint a magánszférára gyakran és könnyen kérnek és adnak kölcsön dolgokat a dolgok elintézésének sebességét a kapcsolat milyenségétől teszik függővé életre szóló kapcsolatokat építenek

Ázsiában, az arab országokban, valamint a dél-amerikai és déleurópai országokban, ideértve Franciaországot is, az emberek túlnyomó többsége polychron időfelfogással rendelkezik. Megjegyzések, ha a saját országunktól eltérő időfelfogású országba készülünk dolgozni: „Lehetetlen megállapítani, hány millió dollár veszett kárba nemzetközi üzleteknél csak azért, mert monochron és polychron emberek nem értik meg egymást, és fel sem ismerik, hogy két ily mértékben különböző időrendszer létezik.” (E.T. Hall és M. Hall, 1990)

Fontos

Ha különböző kultúrák tagjai különböző időérzettel rendelkeznek, ez gyakran különböző érzéseket és értékelést vált ki, mely félreértésekhez vezethet. Monochron időfelfogású országok esetén: - A megbeszélt találkozók, napirend, időtervek, döntéshozatal, előkészületi idők, stb. mind nagyon precízen zajlanak, tehát fontos a megadott időtartamok betartása, a megbeszélések menetét pedig érdemes előre megtervezni. A pontosság nagyon fontos. - Az emberi kapcsolatokat gyakran gyakorlati, jövőorientált kritériumok alapján értékelik – olyan kapcsolatok, melyek a jövőre nézve haszontalannak tűnnek, akár le is zárulhatnak. - Előléptetések leginkább a közeli múlt eredményei és a közeli jövőben várható sikerek alapján történnek. - Előfordul, hogy egy vállalaton belül különböző részlegek különbözőképpen értelmezik az időt. A pénzügyi és számítástechnikai területeken dolgozók gyakran monochron gondolkodásúak, jelen-orientáltak. Ezek az emberek nehezen dolgoznak együtt más részlegekkel.

31

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Polychron időfelfogású országok esetén: - A megbeszélt találkozók, napirend, időtervek, döntéshozatal, előkészületi idők, stb. mind kevésbé precízen zajlanak, a határidők, időpontok lazábban értelmezettek, a pontosság kevésbé fontos. - Az emberek inkább csoport-orientáltak, az emberi kapcsolatokat hosszútávú, mély kapcsolatok, melyek a múltban, a jelenben és a jövőben is léteznek. Ennek megfelelő üzleti kapcsolatokat keresnek. - A munkavállalók jobban szeretik a hosszú munkaviszonyt. Az előléptetés inkább szubjektív kritériumokon, mint az adott személy kapcsolati hálózatán alapul. - Előfordul, hogy egy vállalaton belül különböző részlegek különbözőképpen értelmezik az időt. A marketing- és a reklámszakemberek gyakran polychron gondolkodásúak, mely polychron irányultságú funkciójukra vezethető vissza. Általában jobban képesek csapatban dolgozni, nem okoz nehézséget a más osztályokkal történő együttműködés, mivel képesek egyszerre több dologgal is foglalkozni. Példa

A kijelentés „12.00” jelenthet pontosan 12 órát, de jelenthet 12.30-at vagy akár még későbbet is. Ugyanez érvényes a határidőkre is.

4.2 A státusz forrása A státusz forrása az a mód, ahogyan az emberek egy országban vagy szervezetben betöltött szerepüket vagy státuszukat elérték. Ide tartozik az adott státuszhoz kapcsolódó kötelezettség és felelősség is. Ez az elképzelés bizonyos szinten összefügg a Hofstede által meghatározott hatalmi különbség indexszel és az individualizmusindexszel. Ennek ellenére léteznek bizonyos szempontok, melyeket az említett két dimenzió nem vesz figyelembe, ezért a státusz eredetének ezen a helyen külön fejezetet szentelünk. A státusz minden társadalomban létezik, azonban észlelésének, megszerzésének módja és a vele kapcsolatos reakciók kultúránként különböznek. A két pólust gyakran megszerzett és ráruházott státusznak nevezik. Más szerzők „cselekvés-orientált” és „lét-orientált” kultúrákról beszélnek (Kluckhohn és Strodtbeck, 1961).

32


4.2.1 Megszerzett státusz Definíció Azokban a kultúrákban, ahol a megszerzett státusz a mérvadó – ezek a „cselekvés-orientált” kultúráknak felelnek meg – a státusz kiérdemelt, és kevésbé függ a (szolgálati) kortól. A vállalaton belüli kvalitások, melyek hozzájárultak a sikerhez többet érnek, mint külső kvalitások és kvalifikációk. Az embereket személyes, de mindenek előtt szakmai képességeik és teljesítményük miatt tisztelik. Hatalmi pozícióba kerülni csak kemény munka és a munkahelyen vagy közösségen belül való aktív közreműködés révén lehetséges. Az embereket főleg látható eredményeik alapján veszik fel, és nem annyira személyes vagy családi kapcsolataik, illetve a képzésük „előkelősége” alapján. Ezen túl a státusz nem automatikus, és el is lehet veszíteni, ha csökken a teljesítményünk, tehát átszállhat másra. Mindenki a saját státuszának kovácsa, mely a körülményeknek megfelelően nagyon hamar meg is változhat. Ezekben az országokban a magasabb státuszú személyek az alacsonyabb státuszúakkal szemben nem viselkednek leereszkedően. A címek nem jelentenek túl sokat, és nem szokás beszélni a státuszról, vagy hangsúlyozni, dicsekedni vele, ill. túl sok figyelmet szentelni neki. Ilyen országok az USA, a skandináv országok, Nagy-Britannia és Írország.

4.2.2 Ráruházott státusz Definíció Azokban a kultúrákban, ahol a státusz ráruházódik az egyénre – a „lét-orientált” kultúrákban – a státusz vállalaton kívüli kvalitások eredménye. Például szociális osztálytól, a képzettség fokától, a foglalkozástól, a kortól, a vagyontól, a neveltetéstől vagy az egyén nemétől függ. Ha valaki megfelel az adott követelményeknek, a státuszt automatikusan ráruházzák, és szinte alig veszthető el. Az emberek gondolkodásában élénken jelen van saját és mások státusza, ezért mindig saját státuszunknak megfelelően kell viselkednünk. A címek nagy fontossággal bírnak, ezért használatuk is szinte kötelező. Relatív kevés lehetőség nyílik arra, hogy egy adott státuszt teljesítmény és sikerek útján érjünk el. Példa

Ráruházott státusszal találkozhatunk például Indiában, Franciaországban, Koreában és Japánban.

33


Megjegyzések, ha a saját országunktól eltérő státuszstruktúrájú országba készülünk dolgozni: Olyan országok esetén, ahol a státusz megszerezhető: - Létezik ugyan hierarchia, de kevésbé formális és nyilvánvaló. - Az üzleti életben a megszokott viselkedés lazább, például az emberek egymást keresztnevükön szólítják, mivel szükségtelennek tartják, hogy a magasabb rangú kollégával szemben különleges tiszteletet tanúsítsanak. - A menedzserek átveszik a mentorok szerepét. Ők a referenciapont, beosztottjaikat vezetik, hogy azok fejleszthessék képességeiket, és feladataikat minimális vezetés mellett tudják ellátni. - A beosztottak megkérdőjelezhetik főnökük döntését. - A különböző hierarchikus szintek között egyszerű az információáramlás. Például lehetséges, hogy egy másik részlegen egy nálunk magasabb beosztású személlyel beszéljünk, megállapodást kössünk, vagy tanácsot kapjunk. Olyan országok esetén, ahol a státusz ráruházott jellegű: - A szerepeket, eljárásokat és folyamatokat definiáló hierarchia szigorúbb. Például a munkavállalók általában kizárólag szűken értelmezett munkájukra koncentrálnak, nem tesznek javaslatokat felettesüknek. - A munkakörnyezet általában nagyon formális, például az emberek egymást címükkel és vezetéknevükön szólítják. Bizonyos foglalkozási csoportok, például az orvosok, építészek és a jogászok elvárják, hogy a nekik kijáró címmel szólítsák meg őket. - A menedzserektől világos utasításokat várnak, valamint azt, hogy minden kérdésre tudjanak választ adni. Legyenek tapasztaltak, szakmailag hozzáértők és rendelkezzenek jó problémamegoldó készséggel. A menedzser inkább a szülő szerepét tölti be. - A beosztottak nem vonják kétségbe a feletteseik döntéseit. - Az információáramlás lassú, mivel az alkalmazottaktól elvárják, hogy a közvetlen felettesükkel beszéljenek, ne pedig más osztályok magasabb rangú képviselőivel.

4.3 Közvetlen és közvetett kommunikáció A kommunikáció – az üzenetek küldése és fogadása – a kultúra alapvető része. Az információ mind a küldés, mind a fogadás folyamata során áthalad egy kultúrális „szűrőn”. Az üzenetek küldése során gyakorlatilag lehetetlen elkerülni, hogy bizonyos kultúrális tartalom is belekerüljön a küldött jelekbe, akár 34

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet _________________________________________________________________Minos magukba a szavakba, a kommunikáció módjába, a kiejtésbe vagy akár az üzenetet kísérő non-verbális jelekbe. A fogadott üzenetek a saját, kultúrán alapuló kondicionálásunk szűrőjén keresztül érkeznek meg hozzánk. Ez tehát azt jelenti, hogy ugyanazt az üzenetet különböző kultúrákból származó emberek különféleképpen értelmezhetik – mely különbözhet attól, amit a küldő közölni szándékozott. Definíció A kontextus az adott eseményt körülvevő információ, mely a kommunikációban részt vevő személytől elvárható, a vele született és nagy részben tudat alatti értelmezés mennyiségét jellemzi. A kontextus szintje lehet magas vagy alacsony, és a kultúráról kultúrára erősen változó kommunikációs stílus függvénye.

4.3.1 Közvetlen kommunikáció / Alacsony kontextusszintű kultúrák Definíció Az alacsony kontextusszintű kultúrák általában logikusak, lineárisak, cselekvés-orientáltak, gyakran heterogének és individualisták. Az ilyen kultúrákban élő emberek nagyra értékelik a tényeket és az egyenességet. A döntések általában inkább verifikálható tényeken mint intuición alapszanak. A szavakat tettek követik. Az emberek nem sokat tudnak egymásról, és nem is alkotnak egymásról átfogó véleményt. Önmaguk megértetésekor nem hivatkozhatnak a kontextusra – tehát nem hagyatkozhatnak arra, hogy egy adott helyzetben mindig ugyanaz történik – és nem élnek a nonverbális kommunikáció eszközeivel. E helyett sokkal inkább támaszkodnak a verbális kommunikációra, melyet szó szerint értelmeznek. A kommunikáció elsődleges célja az információ megszerzése vagy átadása. A kommunikáció tehát direkt, az emberektől elvárják, hogy egyenesen, precízen és hatékonyan kommunikáljanak. Példa

Alacsony kontextusszintű országok például az USA, Németország, Svájc és a skandináv országok.

4.3.2 Közvetett kommunikáció / Magas kontextusszintű kultúrák Definíció A magas kontextusszintű kultúrák általában kapcsolat-orientáltak, kollektivisztikusak, intuitivak, elgondolkodóak és gyakran homogének. Ezek a kultúrák jobban kedvelik a csoportharmóniát és a konszenzust mint az egyéni teljesítményt. Az ilyen kultúrákból származó emberek inkább intuicióból, érzelmekre alapozva cselekszenek. Az emberek számára tehát nagyon fontosak az emberi kapcsolatok. Minden együttműködés fontos első lépése a bizalom kialakítása.

35


A magas kontextusszintű kultúrákból származó emberek általában kiterjedt infomációs hálózattal és számos szoros személyes kapcsolattal rendelkeznek. Mivel az ilyen kultúrák a kollektivisztikus irányba tendálnak, az emberek szorosan együtt dolgoznak és tudják mindenki más mivel foglalkozik. Az információcsere elsődleges célja a harmónia fenntartása. A szavak maguk kisebb jelentőséggel bírnak, mint maga a kontextus, azaz a hanghordozás, a mimika, a gesztikuláció, a beszélő tartása, de ide tartozhat akár a személy családi háttere és státusza is. Az emberek magasan fejlett és nagyon részletes elképzeléssel rendelkeznek arról, hogy az interakciók nagyrésze miként zajlik és a többiek hogyan viselkednek majd. Az egy adott időpontban átadott üzenet csak kevés információt tartalmaz – nagyrésze már mindkét fél által ismert. A kommunikáció tehát közvetett. Nem szükséges mindent explicit kimondani, az emberek kevésbé támaszkodnak szavakra – azaz azok szó szerinti értelmére – hanem inkább a non-verbális kommunikációt használjál. Példa

Magas kontextusszintű országok például Japán, az arab és sok afrikai, valamint a mediterrán országok. Megjegyzések, ha a saját országunktól eltérő kontextusszintű országba készülünk dolgozni:

Fontos

Néha nem is annyira az közvetít üzenetet, amit mondanak, hanem az, ahogyan mondják. Közvetett kommunikációjú országban élő közvetlen típusú emberek gyakran érzik úgy, mintha más nyelven beszélnének, mégha egyazon nyelvet használnak is. Eltérő kommunikációs stílusok esetén megnő a félreértések veszélye. Ezért az interkulturális kommunikáció során különösen fontos, hogy figyeljünk az explicit és a finom, rejtett üzenetekre is. Ez nagyfokú odafigyelést igényel. Alacsony kontextusszintű / közvetlen kommunikációjú országok esetén: - Fejezzük ki magunkat világosan és precízen, készüljünk fel arra, hogy a mondottakat szó szerint értelemezik majd. - A tárgyalásokat explicit szerződéskötés követi. - Döntéshozáskor az embereknek sok háttérinformációra van szükségük. Mindent tudni akarnak. Egy magas kontextusszintű ember egy alacsony kontextusszintűt gyakran beszédesnek érez, aki túlzottan pontos, és nagy mennyiségű szükségtelen információt közvetít.

36

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet _________________________________________________________________Minos Magas kontextusszintű / közvetett kommunikációjú országok esetén: - Félreértésekre adhat okot ha nem vesszük figyelembe a kommunikációs típusok közötti különbségeket. - Az emberek döntéshelyzetben kevesebb friss informácó alapján döntenek, mivel már hosszabb ideje figyelemmel kísérték a dolgokat. - A közvetett kommunikáció elsajátításához alkalmazza az alábbi technikákat: 1. Nem helyett mondjon korlátozott igent. 2. Elutasítás helyett meséljen inkább egy történetet. 3. Nem kell nemet mondani, elég, ha egyszerűen témát vált. 4. Negatív válaszadás helyett tegyen fel egy kérdést. 5. Véleménykülönbség kifejezéséhez térjen vissza egy korábban megvitatott ponthoz.

37


5 Munka külföldön Az utolsó fejezet olyan problémákkal foglalkozik, melyekkel külföldi munkavállalás során találkozhatunk. Ezen felül néhány tanácsot is kínál, melyek segítségével könnyebben győzhetjük le ezeket a kihívásokat.

5.1 Kúltúrális sokk 5.1.1 Kultúrális sokk Az emberek kultúrájuk segítségével definiálják önmagukat, hitüket és viselkedésüket. Ha külföldön vállalunk munkát, olyan helyre megyünk, ahol a belénkivódott szabályok nem érvényesek. Az evés, beszéd, viselkedés „helyes” módját esetleg újra meg kell tanulnunk. Geert Hofstede leírása szerint a kultúrális sokk „visszavet minket egy újszülött szellemi színvonalára”. Definíció Ha külföldön vállalunk munkát, fel kell készülnünk egy másik kultúra befogadására. Még ha az új kultúra nagyban hasonlít is hazánk kultúrájára, mégis létezhetnek szignifikáns különbségek. Ezek depreszszióhoz, magányossághoz, gondterheltséghez, félelemhez, bezárkózáshoz, kiszolgáltatottságérzethez és gyűlölethez vezethetnek. Ezt nevezzük „kultúrális sokk”-nak. A kultúrális sokk akkor lép fel, ha hirtelen észrevesszük, hogy a világ működésére vonatkozó alapvető feltevéseink nem használhatók.

5.1.2 A kultúrális sokk kezelése Ha külföldön dolgozunk és szembe találjuk magát a kultúrális sokkal, az érzelmi harc megvívásához különböző módszerek és stratégiák állnak rendelkezésünkre: 1. Tudatosítsuk magunkban, hogy a kultúrális sokk a más kultúrába történő beilleszkedés során normális folyamat. Csak egyek vagyunk a sok közül, se nem az elsők, se nem az utolsók, akik végigcsinálják ezt a folyamatot. 2. Legyünk türelmesek magunkkal és környezetünkkel szemben. A kultúrális beilleszkedés időt igényel. 3. Tanuljuk meg a nyelvet, ne szégyeljünk szótárt hordani magunkkal. Ha az emberek látják, hogy próbálkozunk, gyakran segítőkészebbek. 4. Lépjünk be egy sport- vagy bármilyen más szervezetbe, járjunk órákra. Ez lehetővé teszi, hogy kapcsolatba kerüljünk a kultúrával.

38

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet _________________________________________________________________Minos 5. Legyünk realisták. Nem minden rossz hangulatunk oka az új kultúrális környezet. Otthon is átéltünk nehezebb napokat. 6. Lépjünk kapcsolatba olyan személyekkel, akik segítségünkre lehetnek. 7. Már az odautazás előtt informálódjunk leendő környezetünkről. 8. Ünnepeljünk meg minden részsikert a beilleszkedési folyamat során. Kis sikerek is jó érzéssel töltik el az embert, és megkönynyítik a következő lépéseket.

5.2 A kultúrális beilleszkedés folyamata A beilleszkedés folyamata különböző szakaszokra osztható. Geert Hofstede a következő tagolást alkalmazza: 1. szakasz: Az első szakaszban az emberek lelkesedéssel tekintenek az új kultúrára, tetszenek nekik a különbségek. Ez olyan érzés, mint amikor a nyaralás során idegen országba utazunk. 2. szakasz: Az új vonzása helyett egyre több a napi bosszúság, miközben megpróbálunk „normálisan” élni az új társadalomban. Ezen a ponton lép fel a kultúrális sokk. Az emberek gyakran félreértve érzik magukat, és nehézségeik vannak a „legnormálisabb” dolgok elintézésével is. Ezen kívül az újonnan érkezetteket a helyiek már nem vendégként kezelik, hanem elvárják tőlük, hogy a dolgokat saját maguk vegyék kézbe. Ezek a napi bosszúságok hamar vezethetnek félelemhez és bezárkózáshoz. 3. szakasz: Megkezdődik a beilleszkedés. Az embert ugyan továbbra is érik bosszúságok, de ezek segítenek nekik az új kultúrában való boldogulásban. Ezen szakasz kezeléséhez sokszor sok idő és energia szükséges. 4. szakasz: Ezt a szakasz akkor érjük el, ha az újonnan érkezettek már lelkileg kiegyensúlyozottak, azaz tartósan beilleszkedtek az új kultúrába. Ez nem feltétlenül jelenti azt, hogy tetszik, vagy akár jobban tetszik nekik, mint a saját környezetük, de kialakult bennük az új iránti megértés. Képesek arra, hogy az új kultúrában relatív sikeresen boldoguljanak.

39


5.3 Kerüljük az önmagunkhoz való viszonyítást Hajlamosak vagyunk saját értékeinket és meggyőződésünket tekinteni referenciának. Ez a jelenség annyira elterjedt, hogy leírására J. A. Lee kultúrantropológus létrehozta az ön-referencia-kritérium kifejezést. A jelenség olyan erővel léphet fel, hogy képes teljesen meghiusítani a kultúrális beilleszkedést. Lee leír egy négy lépésből álló folyamatot, mely segít felismerni azokat a kultúrális különbségeket, melyek esetlegesen problémákhoz vezethetnek. Ha felismertük a problémákat, megtehetjük a megoldáshoz szükséges lépéseket. A négy lépés: 1. 2. 3. 4.

Analizáljuk a helyzetet tekintettel saját kultúrális sajátságainkra, szokásainkra és értékeinkre. Analizáljuk a helyzetet tekintettel az új ország kultúrális sajátságaira, szokásaira és értékeire. Különítsük el az ön-referencia-kritérium hatását, és határozzuk meg, hogyan befolyásol minket. Definiáljuk újra a szituációt, ezúttal az ön-referencia-kritérium befolyása nélkül, és viselkedjünk úgy, hogy az mindenki számára előnyös legyen.

5.4 Megfigyelés Az egyik első és legfontosabb lépés egy új kultúrában annak megfigyelése. A megfigyelés segítségünkre van a szükséges információ és perspektíva megszerzésében, mely szükséges egy új kultúra megértéséhez és az ahhoz való alkalmazkodáshoz. Az alábbi kérdések segítséget nyújthatnak azon válaszok megtalálásában, melyek lehetővé teszik az új környezethez való hatékony alkalmazkodást. Hatalmi különbségek - A beosztottak hogyan viselkednek főnökeikkel szemben? - A felettesek hogyan kezelik beosztottaikat? - Van valami jel arra nézve, vajon a felettesek delegálják a hatalmukat, vagy ragaszkodnak hozzá? - Van jel arra nézve, hogy a beosztottak egyénileg kezdeményeznek, vagy utasításokra várnak? - Ki kivel ebédel? Csak egy adott szint étkezik együtt, vagy keverednek a hierarchiaszintek?

40

Társadalmi viselkedés, interkulturális kompetencia - Jegyzet _________________________________________________________________Minos Időhöz való viszony - Az emberek pontosan érkeznek munkába? Ki pontos, és ki nem? - Mi történik, ha valakinek beszélgetés közben csörög a telefonja? - Hogyan viselkedik az a személy, aki harmadikként bekapcsolódik egy már folyamatban levő beszélgetésbe? - A megbeszélések pontosan kezdődnek? - Ha az emberek időpontot kapnak, meddig kell várniuk, míg sorra kerülnek? Kommunikációs stílus - Hogy kezelik a konfliktusokat? - Hogyan fejezik ki a véleménykülönbségeket? - Hogyan közlik a rossz híreket vagy kételyeiket? - Mennyire tűnik fontosnak, hogy megtartsák a méltóságukat? - Az emberek beszélgetés során közvetve vagy közvetlenül kommunikálnak? - A munkahely kontextusszintje magas vagy alacsony? Non-verbális kommunikáció - Hogyan öltözködnek az emberek? - Hogyan üdvözlik egymást reggelente? - Milyen szabályok érvényesek, ha valaki belép valaki más irodájába? - Az emberek fenntartják a szemkontaktust a beszélgetés alatt? - Milyen távolságra állnak egymástól? Munkahelyi viselkedés - Az emberek azonnal szóba hozzák a feladatokat, vagy előtte hosszabb ideig beszélgetnek általános dolgokról? - Az emberek szorosan együtt dolgoznak, vagy inkább egyéni munka folyik? - A nőket és a férfiakat egyenlő módon kezelik? Ha nem, hogyan? - A beosztottak milyen viselkedését értékelik a vezetők? - Mi az emberek hozzáállása a szabályokhoz, és a kötelesség teljesítéséhez?

41


Irodalomjegyzék Könyvek és cikkek Bennett, M. (Ed.) (1998): Basic Concepts of Communication. Yarmouth, Maine. Intercultural Press

Intercultural

Ghauri, P. N.; Usunier, J. C. (Eds.): International Business Negotiations. Oxford. Redwood Books Hall, E. T.; Hall, M. R. (1987). Hidden Differences: Doing Business with the Japanese. New York. Doubleday Hall, E. T.; Hall, M. R.; Mildred, R. (1990): Understanding Cultural Differences. Germans, French and Americans. Yarmouth, Maine. Intercultural Press Hofstede, G. (1997): Cultures and Organizations: Software of the Mind (2nd ed.) New York. McGraw-Hill Hofstede, G. (2001): Culture’s Consequences (2nd ed.): Comparing Values, Behaviors, Institutions and Organizations across Nations. Thousand Oaks. Sage Kluckhohn, F.; Strodtbeck, R. (1961): Variations in the value orientations. Evanston. Row Peterson Lee, James (1966): A Cultural Analysis in Overseas Operations. Harvard Business Review (March-April). 106-114 Linton, R. (1945): The Cultural Background of Personality. New York Terpstra, V.; David, S. K. (1991): The Cultural Environment of Inetrnational Business (4th ed.) Southwestern Publishing Mautner-Markhof, F. (Ed.) (1989): Negotiations. Wetview Press. Boulder

Process

of

Peace Corps (n.d.): Culture Matters. Washngton. ICE

Internet http://wwww.geert-hofstede.com http://www.kwintessential.co.uk

42

International

Mechatronika Modul 2 (Rész 2): Projektmenedzsment Jegyzet (Elképzelés) Készítették: Christian Stöhr Christian Stöhr Unternehmensberatung, Németország

Andre Henschke Henschke Consulting Drezda, Németország




Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos

1 Projektmenedzsment: A trend a projektmunka 1.1 Projektmunka a múltban Antik szentélyek felépítése, ismeretlen kontinensek felkutatása, úttörő eljárások és technológiák kifejlesztése – ezek egytől egyig olyan projektek, melyek megvalósításához bátor és kreatív emberekre volt szükség, akik az adott célt adott idő alatt és korlátozott erőforrások segítségével el tudták érni. Egy bizonyos cél elérése érdekében a katonaságnál nemhiába tagolnak és szerveznek meg mindent a legapróbb részletig. Az anyagmozgatás, utánpótlás, és a csapatmozgások megszervezése már az ókor óta komplex feladat. A projektmenedzsment feladatai, módszerei, eszközei és szintjei alapvetően már jól ismertek és dokumentáltak. A cél azonban egy széles körben ismert és elfogadott egységes terminológia kifejlesztése és támogatása kell, hogy legyen. Manapság már különböző szabványosítással foglalkozó intézmények és PM-szövetségek foglalkoznak ezzel a feladattal. Ebben az összefüggésben különösen az amerikai Project Management Institute-ot (PMI-t) érdemes kiemelni. Ez az intézet adta ki a PMBOK-ot (Project Management Body of Knowledge c. művet), melyet ebben a témában mint angol nyelvű alapmű tartanak számon. A következőkben leírtak részben a PMBOK-on alapszanak, mivel az rendkívül strukturált megközelítése révén kifejezetten alkalmas a projektek és a projektmenedzsment jellegzetességeinek megismertetésére. Németországban elsősorban a DIN 69 900-1, DIN 69 900-2, DIN 69 901, DIN 69 905 szabványokat alkalmazzák. Projektek minőségmenedzsmentjének nemzetközi vezérfonalául az ISO 10006:2003 szabvány szolgál.

1.2 A projektmunka fejlődésének szakaszai A projektmenedzsment fejlődésének három főbb szakaszát különböztetjük meg:

Példa

-

öntudatlan projektmenedzsment (az ókortól a korai újkorig)

-

egyes feladatok tudatos tervezése (az újkori felfedezők korától a XX. század elejéig)

-

részletes projekttervezés, szervezett projektmenedzsment (kb. 1980-tól)

Szerkezet és specializáció tekintetében a Római Birodalom légiói jókora fölényben voltak ellenfeleikkel szemben, így Róma dicsőségére csatáik jelentős részét meg is nyerték. Sok esetben az erők célzott és alaposan átgondolt lokális bevetése az ellenfél számbeli fölényével szemben is sikert tudott aratni. Az

43

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet Minos________________________________________________________________ aléziai ütközet (i.e. 52), melyben Gaius Iulius Caesar mindössze 50000 emberrel harcolt, és győzött – elfoglalva Galliát - a 320000 fős túlerővel szemben csak egyetlen példa a sok közül, mely az eszközök célzott bevetésével elérhető eredményeket szemlélteti. 1757. december 5.-én Nagy Frigyes az osztrákok háromszoros túlerejével szemben győzedelmeskedett. Győzelmét nem hadseregének számbeli fölényének, hanem haderejének helyes és optimált bevetésének köszönhette.

1.3 A projektszervezés elveinek eredete Fontos

Az újkori katonai műveletek komplex tervezéséről Carl von Clausewitz porosz katonatiszt „A háborúról”1 című könyvét tekintik az első könyvnek. Clausewitz munkáját még manapság is sok elitegyetemen, így például a Harvardon is alapműként oktatják. Feltételezéseinek a gazdaságtanra való átültethetősége révén a mű a projektmenedzsment számára is fontos alapkő. Manapság a gazdaság, közigazgatás, kutatás, politika és képzés területén szinte minden tervet projektek keretében valósítanak meg. Ezen felül a vállalkozások ma már kisebb, belső feladatokat is projektcsapatokat alkalmazva valósítanak meg. Mindenek előtt azonban a komplex, interdiszciplináris feladatok valósíthatók meg könynyebben projektmunka keretében. A projektek száma az elmúl években meredeken nőtt. A projektmenedzsment azonban nem csodafegyver, hanem egy összetett szerszám, melyet hatékonyan és hatásosan kell használni és bevetni. A projektmenedzsment mindenekelőtt a fejünkben zajlik. Egy projekt gyenge pontja illetve kockázati tényezője többek között gyakran maga az ember. Hiszen egy projekt sikere gyakran azon múlik, vezetője mennyire kompetens (társadalmilag is).

1.4 A PM kilenc kulcsterülete A projektmenedzsmentnek (a PMI szerint) lényegében a következő területeket kell lefednie: Integrációmenedzsment: Itt koordináljuk a projekt különböző elemeit. Ezt nagyban megkönynyíti a projektmenedzsment-normák betartása. Tartalom- és hatókörmenedzsment A projekt hatókörének megtervezése gondoskodik arról, hogy a kitűzött célokat elérjük. Ráadásul nem csak az eredeti célokra vonat1

A mű eredeti címe: „Vom Kriege” (a fordító megjegyzése).

44

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos kozó eredményorientáltságról gondoskodik, hanem feladata a projekt során felmerülő szükséges változtatások és az eredeti céloktól való eltérések a projektbe történő integrálása, valamint szükség esetén a projekt áttervezésének kezdeményezése is. Időmenedzsment Az időbeli keret betartására irányul. Lehetőség szerint minden résztvevő csoportra ki kell terjednie. A projektterv mindenek előtt kommunikációs eszközként szolgál. Költségmenedzsment Célja a büdzsé betartása. Ehhez dokumentálni kell a költségek alakulását. Szükség esetén ellenintézkedésekre is sor kerülhet. Minőségmenedzsment A projektspecifikus minőségmenedzsment a projektmenedzsment folyamatok standardizálásától, a munka és az eredmények dokumentációján keresztül a szükséges intézkedések kezeléséig terjed. Emberi erőforrás menedzsment Ide tartozik az erőforrás hatékony beosztása képesség és szabad kapacitás alapján, valamint a csapatfejlesztés is. Kommunikációmenedzsment Gyakran a projektmunka mintegy 50%-át teszi ki, és minden résztvevőre kiterjed. Figyelembe kell venni változásmenedzsment esetén is. Kockázatmenedzsment Projektspecifikus kockázatmenedzsment. Tartalmaz kockázatanalízist, megelőző intézkedéseket és vészhelyzeti forgatókönyveket is. Különösen összetett projektek esetén fontos. Beszerzésmenedzsment Partnerekkel és beszállítókkal való együttműködés, ezek integrációja. Fontos: Bár e területek elnevezése megegyezik az általános menedzsmentben használt kifejezésekkel, ebben az esetben azonban mindig projektspecifikus alkalmazásukra van szükség. A projektmenedzsment projektspecifikus tulajdonságai révén (egyszeri termék létrehozása, időbeli korlátosság, stakeholderorientáltság, iteratív megközelítés) speciális projektmenedzsment folyamatokkal (lásd projektmenedzsment folyamatcsoportok) rendelkezik, melyek jelentősen különböznek (különbözhetnek) az általános menedzsment folyamatoktól.

45

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet Minos________________________________________________________________

2 A projekt – feltételek és ismertetőjegyek 2.1 DIN 69 901 Definíció A DIN 69 901 szerint a projekt: „Olyan terv, melyet lényegében a körülmények összességének egyedisége jellemez”. A szabvány a DIN 69 900: „Hálózati tervezési technika” című szabvány utóda, mely először foglalkozott ezen kifejezésekkel. Ezen túl a DIN 69 902, 69 909 és 69 905 is projektmenedzsment fogalmakat definiál. Ezt a szabványteret foglaljuk most össze. Feltételek: -

Létezzen adott cél. A projekt kezdete és vége meghatározott. A projekt legyen időben, pénzügyileg és a résztvevő személyeket tekintve, illetve más módon is behatárolva. A terv legyen jól be-, és más tervektől elhatárolt. A szervezés legyen projektspecifikus. A feladat legyen újszerű és összetett. A kivitelezésben különböző tudományágak vegyenek részt.

Azaz: -

A projekt a cél elérésével lezárul. A projekt több, egymással kapcsolatban álló tevékenységből és folyamatból áll.

Ezeket egy adott cél, vagy részcél elérése érdekében kell végrehajtani. Ehhez a feladatokat adott sorrendben (prioritás), a rendelkezésre bocsátott erőforrások, azaz emberek és eszközök felhasználásával kell úgy elvégezni, hogy a projektvezetés az adott időbeli és pénzügyi keretfeltételeket ne lépje túl. Ismertetőjegyek: -

46

Időbeli korlátozottság. Adott cél (szakmai, időbeli, anyagi, mérhetőség és különleges célok). Egyedi (nem rutinfeladat). Tagolás (szakaszok, részmunkák, eljárások, munkacsomagok) Projektspecifikus szervezés.


3 Projekttípusok Gyakorlati okokból a nagyléptékű tagolás gyakran a projekt célja szempontjából történik: -

Befektetési projektek Kutatási és fejlesztési projektek Szervezési projektek

Ez előnyös, mivel e projekttípusok esetén hagyatkozhatunk már létező standard projektszakasz-modellekre. Definíció A projektszakasz-modell a projekt menetének standardizált leírása, mely időbeli szakaszokra oszlik. Ezek egyértelműen megkülönböztethetők, és a projekt valamely lényeges részeredményét adják. Másik lehetséges felosztás: -

-

Rendszerre vonatkozó projektek (szervezés). Pl.: Egy új minőségbiztosítási rendszer, vagy egy új adatfeldolgozó rendszer bevezetése. Témára vonatkozó projektek (műszaki). Pl.: Adott prototípus kifejlesztése. Helyszínre vonatkozó projektek (gyártóberendezések, gyárak). Pl.: Kézi raktározás átállítása automatikusra.

3.1 Befektetési projektek A befektetési projektekre jellemző a kiváló termékek nagy értékben történő beszerzése. Definíció A termékek használati ideje nagyon hosszú, általában beszerzésük csak egyszer szükséges. A befektetési projektek tipikus területei így az ingatlanok, nagyméretű műszaki, és mindennemű speciális, egyedi berendezés beszerzése. Mivel nagy mértékű és anyagilag jelentős beruházásokról van szó, a befektetési projekteket különösen gondosan kell megtervezni és kivitelezni. A kutatási és fejlesztési projektekkel ellentétben befektetési projektek esetén mindig vásárlásról van szó, a projektcsapat pedig csak felkínált változatok között dönthet. A befektetés tárgyának megváltoztatása nem lehetséges. Befektetési projektek esetén kibővített projektcsapatra van szükség (lásd 7. fejezet, Projektcsapat).

3.2 Kutatási és fejlesztési projektek A kutatási és fejlesztési projektek a projektmenedzsment leginkább tervezés- és vezetésintenzív formája. Definíció A kutatási és fejlesztési projektek célja adott új eljárás, rendszer vagy alkalmazás kifejlesztése.

47

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet Minos________________________________________________________________ Ebben az esetben mindig az eredmény, azaz az eljárás, a szoftver, vagy a struktúra ipari használhatóság áll előtérben. Kutatási és fejlesztési projektek általában a vállalkozások kutatási és fejlesztési részlegeiben zajlanak. Az iparban kutatási és fejlesztési projekt lehet új konstrukció kifejlesztése mellett például új (építő)anyagok előállítása is. Az alkalmazott kutatás specializált intézményeiben (Németországban ilyen például a Frauenhofer Gesellschaft) előfordulhat, hogy egy munkatárs párhuzamosan több kutatási és fejlesztési projekten is dolgozik. Ekkor az adott személy különböző projektekben különböző pozíciókat tölthet be. A kutatási és fejlesztési projektek esetén különösen fontosak a gyakori projektegyeztetések. Mivel a teljes projektcsapat (lásd 7. fejezet, Projektcsapat) minden projektrésztvevő eredményeit felhasználja, a projekt alakulásának irányára vonatkozó döntéseket a teljes csapatnak közösen kell meghoznia. A haladási irány későbbi megváltoztatása ilyen esetekben már csak nagy nehézségek árán lehetséges.

3.3 Szervezési projektek A szervezési projektek a projektek leggyakrabban előforduló fajtái. Definíció A szervezési projekteket egy szervezeten belül, vagy több szervezeti egységet is átölelő folyamatok és eljárások esetén alkalmazzuk. Céljuk az erőforrások egy adott időkereten belül egy adott cél elérésére irányítása. Ekkor a felhasznált erőforrásokat a projekt időtartamára elvonjuk az adott szervezeti egységtől. A szervezési projektek tevékenysége kézzelfogható, az emberektől a tartalomig. Éppúgy foglalkozhatnak egy híd megépítésével, mint az igazgatóság más épületbe költöztetésével. A szervezési projektek rendszerint rendkívül jól tervezhetők. Ellentétben a kutatási és fejlesztési projektekkel, a szervezési projektek esetén főleg a projekt kezdetekor kell egyeztetni. Jó kezdeti tervezés esetén (lásd 5. fejezet, A projekt és szakaszai) a projekt későbbi lefolyása során relatív kevés státuszmegbeszélés is elegendő. A státuszmegbeszélések csak a megvalósítás állapotát dokumentálják, csak végszükség esetén nyúlnak bele a projekt lefolyásába. Szervezési projektek pénzügyileg általában nem kritikusak, hiszen a projekt kezdete előtt a szükséges kapacitásokra vonatkozó kötelező jellegű (ár)ajánlatokat már be kellett kérni. Fontos

Több szervezeti egységet is érintő projekt esetén fontos a vezetői szintek bevonása. A vezetői szintek bevonása elejét veheti a különböző intézmények és részlegek között gyakran fellépő egyeztetési nehézségeknek. Ezért a projektcsapatban mindig minden részleg és intézmény legalább egy döntéshozásra felhatalmazott képviselőjének részt kell

48

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos vennie, még ha ezek a személyek a projekt operatív kivitelezésében nem is vállalnak aktív szerepet.

3.4 Projektszerkezet tervezése A projekt megtervezése a projekt sikere szempontjából lényegi kérdés. Különböző részlegek dolgozói gyakran a projektcsapatban találkoznak először, és a résztvevők projektmunkára vonatkozó tapasztalata is sokszor minimális. Ezért érdemes a projekt folyamatát grafikusan is ábrázolni. A projekt egyes szakaszai függhetnek más projektszakaszoktól, így a függő szakasz befejezése a másik szakasz elhúzódó befejezése miatt késhet (lásd 8. fejezet, Projekttervezés).

6. ábra: Projektszerkezet

3.5 A nemzetközi projektmenedzsment különlegességei 3.5.1 A nemzetköziesítés célja Minden nemzetköziesítés mögött specifikus okok találhatók, melyek a nemzetköziesítés stratégiáját, és ez által a siker megítélésének módját is meghatározzák. A nemzetköziesítés céljaira - éppúgy, mint általában a vállalkozások céljaira – vonatkozik, hogy csak akkor képezhetik a nemzetközi tevékenység sikere megítélésének alapját, ha megfelelően operacionalizáltak, mégpedig az alábbiak tekintetében: -

Tartalom (mi a nemzetközi üzlet elérendő célja?), Méret (mennyit akarunk elérni?), Idő (mikorra érjük el a célt?), Szegmens (mely országokban akarjuk elérni a célt, azaz több országot magába foglaló vagy országspecifikus célokról van szó?).

49


3.5.2 A nemzetköziesítés céljainak fajtái A célok általában az üzleti tevékenység nemzetköziesítéséhez kapcsolódnak. A nemzetköziesítés céljai így különböző kritériumok alapján rendszerezhetők. A következőkben az alábbi besorolásokkal foglalkozunk: -

gazdasági és nem-gazdasági alapú, defenzív és offenzív eredetű, erőforrás-orientált, termelésorientált és piacorientált célok.

3.5.2.1 A nemzetköziesítés gazdasági és nem-gazdasági céljai Nemzetközi üzleti tevékenységek tipikus gazdasági célja a nyereség maximálása. A külföldi üzletek általában a belföldi kedvezőtlen konjunktúraciklusok hatásainak kiegyenlítésére szolgálnak. A nyereségek maximálása például a következő tevékenységek alapja: -

-

Export külföldre, ha az előállítási költségek kedvezőek a hazai piacon. A termelés áthelyezése alacsonyabb költségű országokba, ha a nyereség fenntartása érdekében az árat nem emelhetjük. Eladás külföldre, ezáltal nagyobb sorozatok gyártása. Ekkor a termelésben megjelennek a degressziós hatások, árcsökkentés lehetséges. Fogyasztói járadékok lefölözése olyan országokban, ahol a kínált termék innovációnak számít. A teljes vállalkozás forgalmának stabilizálása több, nem azonos konjunktúraciklusoknak kiszolgáltatott piac kiszolgálása révén.

További gazdasági célok lehetnek biztonság- vagy növekedésorientáltak, melyek esetén a belső piacon történő részesedéscsökkenés kiegyenlítésére vagy a külföldi piacok dinamikus növekedésében való részvételre törekszünk, azaz az előtérben a forgalomorientáltság áll. Vállalkozásbiztonság-orientált célok elérése érdekében az alábbi intézkedéseket hozhatjuk, illetve az alábbi célokat kell követnünk: -

Küzdelem felvétele a belföldi veszteségek veszélyével, például a termék élettartamának előre nem tervezett lerövidítése. A konkurencia fellepése által csökkent piacrészesedés kiegyenlítése. A konkurencia követése külföldre, a versenyelőny kiegyenlítése érdekében. A legjelentősebb vevő követése külföldre. Külföldi piacrészesedés megtartása és növelése komolyabb kötelezettségvállalás révén.

A növekedésorientált célok megnyilvánulásai: -

50

Részvétel külföldi piacok dinamikus növekedésében.

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos -

Növekedési célok elérése, melyek belföldön például versenyjogi előírások miatt nem érhetők el. Termékek életciklusának kiterjesztése és meghosszabbítása.

Fontos nem-gazdasági célok irányulhatnak presztízsnövelésre, vagy a befolyás és hatalom növelésére.

3.5.2.2 A nemzetköziesítés defenzív és offenzív céljai Defenzív célok A nemzetköziesítés defenzív jellegű, ha a vállalkozás veszélyeztetett piaci helyzetének stabilizálása érdekében helyezi át a termelést külföldre, vagy azért követi a konkurenciát a határokon túlra, hogy versenyhátrányát kiegyenlítse. Offenzív célok Ezzel szemben offenzív nemzetköziesítési céljai vannak azoknak a vállalkozásoknak, melyek versenyelőnyüket, például technológiai előnyüket, nemzetközileg is ki akarják aknázni, illetve azoknak, akik termékeik életciklusának meghosszabbítására törekednek.

3.5.2.3 Erőforrás-orientált, termelésorientált és piacorientált célok Az erőforrás-orientált nemzetköziesítési célok leginkább a nyersanyagellátás biztosítására irányulnak. Termelésorientált aspektus áll az előtérben, ha abból indul ki a vállalkozás, hogy külföldön alacsonyabb költségekkel állíthatják elő termékeiket. Piacorientált célokról olyankor beszélünk, amikor például a vállalkozás külföldre követi legnagyobb vevőjét.

3.5.3 A szociológia befolyása a nemzetközi projektmenedzsmentre A kulturális különbségek tükrében a különbözőségek tudatos ismerete fontos előfeltétele a sikeres együttműködésnek, és így a projekt sikerének is. Nem utolsó sorban ide tartozik az emberi szintű kommunikáció is. Ehhez a területhez kapcsolódik a szociológia (lásd még MINOS-modul: „Társadalmi viselkedés, interkultúrális kompetencia”). Definíció A szociológia (mesterségesen a latin socius „társ” és a görög lógos „szó” szavakból létrehozott szó) a társadalom strukturális, működési és fejődési összefüggéseit vizsgálja és írja le. A szociológiai peremfeltételek ismerte fontos integratív szerepet játszik a projektmenedzsment alkalmazási területei esetén, például: -

gépek és berendezések üzembe helyezésekor, vészhelyzeti hibakereséskor, 51

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet Minos________________________________________________________________ -

nemzetközi projektcsapatok koordinálása esetén, tárgyalások során

Mindehhez szakmai hozzáértésen kívül szükség van arra is, hogy komoly mértékű frusztrációt tudjunk elviselni, azaz arra a személyes képességre, mely lehetővé teszi a csalódások kompenzálását és személyes igények háttérbe állítását agresszió vagy depresszió kialakulása nélkül. Nemzetközi projektmenedzsment lehetőséget kínál azonban örökké aktuális és nagyon érdekes munkakörnyezet kialakítására is. A különböző kultúrák párbeszédének nehézségeivel foglalkozik a mentalitáskutatás. Definíció A mentalitás (a latin mens „szellem, lélek” szóból) egy csoporton belül (például egy ország lakosságán vagy egy adott foglalkozást űző csoporton belül) uralkodó gondolkozási és viselkedési minta. Így egy ilyen csoport lehet például inkább nyitott, gyanakvó, gyakorlatias, stb. Az ilyen és hasonló gondolkodási és viselkedési minták kívülállókra gyakorolt hatása sokszor vezet általánosításhoz, mely közhelyekként, előítéletekként és sztereotípiákként nyilvánul meg. Másrészről azonban a mentalitás fogalma tekinthető egy adott társadalmi csoport elfogadott viselkedésének alapjául is.

52


4 A projektmenedzsment tervezési és célhorizontjai 4.1 Operatív projektmenedzsment Definíció Az operatív projektmenedzsment maga a klasszikus, projektre vonatkoztatott (kivitelező) projektmenedzsment. A bevetési és tervezési horizont megegyezik a szokásos vállalati feladatok tervezési horizontjával. Általában az operatív projektmenedzsment keretében mindhárom projekttípus (beszerzési, szervezési, és kutatás-fejlesztési projekt) megvalósítható.

4.2 Taktikai projektmenedzsment Az operatív projektmenedzsmenttel szemben a taktikai projektmenedzsment kezdeményezői a középső vezetői rétegben találhatók. Definíció A taktikai projektmenedzsment tehát részlegek, osztályok szintéjén történő változásokkal foglalkozik, nem pedig operatív üzemi célok megvalósításával. Lehet ilyen például egy új adatkezelő rendszer bevezetése egy adott részlegen belül, két osztály egybeolvasztása vagy a vállalati szerkezet átszervezése.

4.3 Stratégiai projektmenedzsment A stratégiai projektmenedzsment az adott cég specifikus vállalati és vezetői szervezetének alapvető vezetői eszköze. Definíció A stratégiai projektmenedzsment kapocs a vállalati stratégiai célok és az operatív projektmenedzsment között. A stratégiai projektmenedzsment alkalmazása tehát megteremti azt a keretet, melyen belül számos projekt tisztán definiált szabályok szerint, hatékonyan kivitelezhető. A stratégiai projektmenedzsment célja a hagyományos és hierarchikus szervezetek hiányosságainak rendszerezett megközelítéssel történő áthidalása. Különös tekintettel a következőkre: -

több szervezetet átfogó problémák kezelése döntéshozatal konfliktusok kezelése

53


5 A projekt és szakaszai A projekteket gyakran tagoljuk szakaszokra, melyek tovább hangsúlyozzák a projektmenedzsment iteratív megközelítésmódját. A projekt egyes szakaszai általában definiált mérföldkövek elérésével zárulnak. A szakaszmodellek alapesetben nagyon specifikusak, és a létrehozandó projekttermék vagy üzletág határozza meg őket. Definíció Mérföldkőnek nevezünk egy adott munkaállapotot, illetve egy projektszakasz kivitelezésének lezárását. A mérföldkő elérésének dátuma előre meghatározott, és minden résztvevő számára megmérettetési pont. Ha a részeredményeket nem sikerül határidőre teljesíteni, az eredmények nem állnak rendelkezésre, illetve hibásak, a projekttervnek megfelelően a projekt további kivitelezését fel kell függeszteni, amíg a hiányosságokat nem sikerül pótolni. A mérföldkövek tehát a projekttervezés szempontjából kiemelten fontos eszközök. A túl gyakori mérföldkövek a túlzott megbeszélésigény miatt akadályozhatják a projekt menetét. A túl kevés mérföldkő elhelyezése azonban magában rejti annak a veszélyét, hogy bizonyos hibákat nem fedezünk fel. A projektvezető számára a projekt követésének leghatékonyabb módja az online vezetett, azaz olyan projekttervek, melyekben napi szinten ellenőrizhető az egyes résztvevők tevékenysége. A projektek kilenc szakaszra oszthatók. Definíció A projektszakasz a projekt folyamatának egy időbeli szegmense, mely szakmailag más szegmensektől elhatárolható. -

Projektötlet és projektindítás Célok definiálása és projektdefiníció Kivitelezhetőség vizsgálata Projekt beindítása, kick off Durva tagolás és a projekt feladatainak definiálása Finomstrukturálás Projekttervezés Projektfelügyelet Projektkiértékelés

A következőkben az egyes projektszakaszokat részletesen tárgyaljuk. Projektek tervezésekor figyelembe kel azonban venni, hogy nem minden projekt tartalmazza szükségszerűen minden szakaszt. Az egyes szakaszok súlya és kialakítása is projektről projektről változó. A projektszakaszok tagolása tehát inkább iránymutatásként, mint megváltoztathatatlan előírásként értendő. Azonban minden esetben az összes projektszakasz teljes körű kidolgozása a legbiztosabb megoldás. Fontos, hogy a projektszakaszokat a projektvezető maga tervezze meg. Az egyes szakaszok megtervezésekor, például az időbeli menetrend kidolgozásakor azonban minden résztvevőt be kell vonni a

54

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos folyamatba. A hibák megelőzésének különösen a kockázatmenedzsment hatásos eszköze.

5.1 Projektötlet és projektindítás Fontos

A projekt alapja egy ötlet, probléma, ajánlatkérés vagy egy magasabb szintű projekt. Ebben a szakaszban zajlanak a projekt értelmét és hasznát tárgyaló beszélgetések. Ekkor indul meg a kapcsolatfelvétel is a jövendőbeli partnerekkel és döntéshozókkal.

5.2 Célok definiálása és projektdefiníció Fontos

Ebben a szakaszban definiáljuk a tárgyi, időbeli, anyagi és esetleges különleges célokat. Létrejön a terv, és a kötelezettségeket tartalmazó mappa, melyben a célok annyira precízen vannak megfogalmazva, hogy lehetséges a szükséges feladatok és erőforrások (személyek, munkaeszközök) felsorolása. Elkészül a projekt költségvetése.

5.3 Kivitelezhetőség vizsgálata Fontos

Különösen nagyobb projektek esetén kiemelten fontos annak korai tisztázása, hogy a projekt az előírt célok alapján kivitelezhető-e. A vállalat például megrendelheti a kivitelezhetőség vizsgálatát, de a kivitelezhetőség kérdése szakemberek megkérdezésével és bevonásával is eldönthető. Ez a szakasz nagyon fontos, hiszen ebben a pillanatban a projekt során fellépő konfliktusok veszélye még csökkenthető a célok elérhetőségének gondos vizsgálatával.

5.4 Projekt beindítása, kick off Fontos

A projekt megbízója elindítja a projektet. A vállalat kijelöli a projektvezetőt, és létrehozza a projektcsapatot. Az úgynevezett kick off során minden rendelkezésre álló információt átadnak a projektcsapatnak. A résztvevők közösen kidolgozzák és kötelező érvényűen elfogadják a munkamódszert.

5.5 Durva tagolás és a projekt feladatainak definiálása Fontos

Ebben a szakaszban a teljes projektet kisebb lépésekre kell lebontani. A projekt nagyságától függően lehetnek ezek részprojektek, de folyamatok csoportjai is. Fontos azonban, hogy az egyes részek önmagukban zárt egységet alkossanak. Egy-egy ilyen rész lezárását nevezzük mérföldkőnek. A tagolásnál a projektvezetőnek ügyelnie kell arra, hogy ne forduljanak elő személyi vagy tartalmi átfedések.

5.6 Finomstrukturálás Fontos

Ebben a fázisban az egyes folyamatok csoportjait kell önálló feladatokká, úgynevezett folyamtokká szétbontani. A felosztás finomsága

55

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet Minos________________________________________________________________ függ a projekt típusától, a résztvevőktől és a lebonyolítás során rendelkezésre álló ellenőrzési lehetőségektől is. A folyamatok és az időzítés megtervezése tehát gyakorlatilag kialakítja a projekt menetrendjét. Ezen kívül pedig az ekkor rendelkezésre bocsátott információk miatt a tervezés folyamata képezi a projekt további tervezésének és a projektmegítélés során felmerülő kérdések megválaszolásának alapját is. Ezek: -

-

-

A projekt mely pontjain léphet fel bizonyos szabadság vagy bizonytalanság a lebonyolításkor, és ez milyen következményekkel jár? Hol is mekkora időbeli bizonytalanság léphet fel, és ez milyen következményekkel jár? A projekt lebonyolítása során mikor és mely fontos eseményekre – ú.n. mérföldkövekre – kell felkészülni? Mikor (és mely nagyságrendben) lépnek fel a projekt során kiadások, melyeket a pénzügyi tervezéskor is figyelembe kell venni? Az időterv betartása érdekében mikor és milyen erőforrásoknak (emberi, gépi, szerszám, felszerelés, de ide tartoznak a felhasználásra kerülő anyagok is) kell majd rendelkezésre állnia?

Az időterv az az alapvető terv, melyet minden projektrésztvevőnek be kell tartania. Ez az a mérce is, melyen a projekt előrehaladtát mérni lehet.

5.7 Projekttervezés Fontos

Ekkor kell meghatároznunk az egyes projektlépések időbeli sorrendjét. => Folyamattervezés -

-

Példának okáért a negyedik folyamat a harmadik folyamattal egyidejűleg futhat, de csak akkor, ha a kettes folyamat már lezárult. Ebben a szakaszban a finomstruktúrálás során minden lépéshez a következőket kell hozzárendelni: Egyes lépések időigénye

=> Időbeli tervezés -

szükséges erőforrások (személyek és munkaeszközök)

=> Erőforrástervezés -

Ebből adódó költségek

=> Költségterv Ebben a tervezési szakaszban a következő megoldandó konfliktusok léphetnek fel: -

56

Időbeli átfedések Szűkös erőforrások a feladatok többszörös kiosztásából kifolyólag

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos A projekt tervezőjének az esetlegesen felmerülő problémák megoldására tartalékidőt is be kell terveznie. A projekttervezés további eredményeként előfordulhat a célok igazítása ill. módosítása, amennyiben a tervezés ezt indokolja.

5.8 Projektfelügyelet Fontos

A kivitelezés megkezdésétől kezdve az egyes lépések végrehajtásának felügyelete a projektvezető feladata. Minden időbeli, szakmai vagy költségbeli eltolódás esetén át kell dolgoznia a projekttervet. Az egyeztetés rendszeres megbeszéléseken zajlik. A projektvezető a megbízó felé rendszeres időközönként jelenti a projekt előrehaladtát. A legtöbb konfliktus ebben a szakaszban lép fel, ekkor pedig mindenképpen a projektvezető közbeavatkozására van szükség.

5.9 Projektkiértékelés Miután a megbízó átvette a végleges eredményt, a projekt lebonyolítását az alábbi szempontok alapján kell utólagosan értékelni: -

Elértük a célokat (tárgy, tartam, költségek)? Mennyire tértünk el a projekttervtől? Lehetett túlzottan optimista a tervezés? Optimális volt a projekt lefolyása? A résztvevők megfelelően kezelték a felmerülő konfliktusokat? Hogyan működött a kommunikáció a csapaton belül, és a megbízó felé? Milyen volt a hangulat a csapaton belül? A projekt dokumentációja, mint tapasztalati érték értelmes és elégséges?

5.10 Projektmenedzsment: folyamatcsoportok A projektmenedzsment-folyamatok a projektszakaszokból következnek, a projektmenedzsment-folyamatok pedig folyamatcsoportokká foglalhatók össze: Az alábbi csoportokat alkothatjuk: -

5.10.1

Folyamatcsoport: Kezdeményezés Folyamatcsoport: Tervezés Folyamatcsoport: Kivitelezés Folyamatcsoport: Ellenőrzés Folyamatcsoport: Lezárás

Folyamatcsoport: Kezdeményezés Definíció Ebbe a folyamatcsoportba tartozik maga a kezdeményezés folyamata. A kezdeményezés nemcsak a teljes projekt, hanem minden egyes projektszakasz kezdetén áll. Fontos

A kezdeményezés fontos céljai a következők:

57


-

A szükséges információ kiosztása, hogy a kezdetektől hatékonyan tudjunk dolgozni. Korábbi projektszakaszokban elkövetett hanyagságok (drága) nehézségeket okozhatnak később, ezért minden szakasz elején tisztázzuk a célokat és a munkamódszert. A projektre vonatkozó információkat szétosztjuk, a stakeholderek pedig összehasonlítják őket. A projektet, ill. a következő projektszakaszt minden részében (de nem részletében) és összefüggésében szemléljük. Lehetőleg minden kérdésben, és minél hamarabb érjünk el egyetértést a résztvevők között.

Mint minden folyamatcsoport esetén, a folyamatok itt is ismétlődnek, és egymással integrálódnak. Az egymást követő leírás itt mindössze az egyszerűséget és áttekinthetőséget szolgálja.

5.10.2

Folyamatcsoport: Tervezés Definíció

A tervezési folyamat része minden projekttervezési és projektszakasz-tervezési feladat. Adott esetben alternatív eljárások és megközelítésmódok vizsgálatára és kiválasztására is sor kerülhet. Ezen folyamatcsoport legfontosabb projektmenedzsment-folyamatai: -

Tartalom és terjedelem tervezése Tartalom és terjedelem definiálása Folyamatok definiálása Az egyes folyamatok sorrendjének meghatározása Erőforrás-szükséglet tervezése Az egyes folyamatok tartamának becslése Költségek felmérése Kockázatmenedzsment-terv Menetrend kialakítása Projektterv összeállítása

Ezen kívül több támogató folyamat is létezik, pl. minőségtervezés, beszerzéstervezés, stb.

5.10.3

Folyamatcsoport: Kivitelezés Definíció Kivitelezés alatt a munkatársak és más erőforrások koordinálása és a cél elérése érdekében a projektterv folyamataihoz való hozzárendelése értendő. Ide tartozik például a munkacsomagok felszabadítása, de az olyan támogató folyamtok is, mint a minőségbiztosítás, információmenedzsment, csapatfejlesztés, a beszállítók kiválasztása, stb.

5.10.4

Folyamatcsoport: Ellenőrzés Definíció Ez a folyamatcsoport a projektcél elérésére irányuló folyamatos ellenőrzéssel kapcsolatos folyamatokat foglalja össze. Megfelelője az angol control processes. A csoport két fő folyamatból áll: -

58

Jelentés, mely a projektben nyújtott teljesítményt gyűjti össze és adja tovább a stakeholder-ek felé,

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos -

és az integrált változáskezelés, a változások koordinálása érdekében.

A fő folyamatokat rengeteg támogató folyamat egészííti ki; ide tartoznak például az eredményátvételi foylamatok, idő- és költségvezérlés és a kockázatok figyelemmel kísérése is.

5.10.5

Folyamatcsoport: Lezárás Definíció A lezáró folyamatok a szerződés lezárásával és a projekt adminisztratív befejezésével foglalkozik. Az előbbinél ügyelni kell arra, hogy a szerződések előírásszerűen záruljanak, és az esedékes összegek kifizetésre kerüljenek, az adminisztratív lezárás pedig inkább a projekt vállalton belüli lezárásával foglalkozik. Ide tartozik a záró jelentés, a Lessons Learned Workshop – mely a PMI szerint kiemelkedően fontos –, és az adatbank történelmi projektadatokkal történő feltöltése, hogy a megszerzett tudás későbbi projektek során (és új projektmenedzserek számára) is rendelkezésére álljon.

59


6 Projektszervezetek A projekt sikere szempontjából a projekt felelőseinek és tagjainak kiválasztása lényegi döntés. Emellett projekt szervezeti formáját is meg kell határozni. Az alábbi szervezeti formák állnak rendelkezésre:

6.1 Tiszta projektszervezet Definíció

Ezt a projektszervezési formát nagyon nagy projektek esetén használják a leggyakrabban. A projektcsapat ebben az esetben egyenesen az egyes érintett részlegek dolgozóiból kerül ki. A projekt résztvevői a projektvezető felügyelete és irányítása alatt állnak. A projektvezető a döntéshozó, és őt terheli a teljes felelősség is. Előnyei: A projektvezető az egyetlen vezető, ezáltal a felelősség egyértelmű, a projekt pedig hatékonyan kezelhető. Konfliktushelyzetek kialakulása esetén a közvetítőknek gyorsan kell reagálniuk, hiszen a kommunikációs útvonalak igen rövidek. A projekt résztvevői erősen azonosulnak a projekttel, mely egyik következménye a magasszintű motiváltság. Hátrányai: A projekt résztvevőinek kiválasztásakor a projektvezető függ az egyes részlegek vezetőinek jóindulatától és együttműködési készségétől. A projektben résztvevők helyett reguláris részlegükben gondoskodni kell helyettesítésükről, és a projekt végeztével nehézségek merülhetnek fel a projekt résztvevőinek korábbi munkájukba történő visszaintegrálódásakor. Azaz: A projekt oldalán know-how veszteség lép fel, és a korábbi projektrésztvevők gyakran nehezen integrálódnak vissza korábbi munkájukba. Emellett fennáll annak a veszélye is, hogy a projektcsapat elszigetelődik, és nem számíthat az egyes részlegek szakmai segítségére.

7. ábra: Tiszta projektszervezet

60


6.2 Stábszervezet (projektkoordináció) Definíció Ennél a megközelítésnél megmarad a funkcionális szervezeti struktúra. A klasszikus struktúrát mindössze egy stábfunkció, a projektkoordinátor egészíti ki. A projektkoordinátor azonban csak tanácsadói szerepkörben működik. Előnyei: Nagyfokú rugalmasság a személyek tekintetében, mivel az egyes munkatársak egyidejűleg különböző projektekben is bevethetőek. Az információ- és tapasztalatcsere egyszerűen működik. Általában nincs szükség szervezeti átszervezésre. Hátrányai: Senki nem érzi magát felelősnek a projekt egészéért. Zavarok esetén hosszú a reakcióidő. Nehézségek merülhetnek fel a részlegeken átívelő megoldáskeresés esetén, hiszen senki nem érzi magát felelősnek a projektért.

8. ábra: Stábszervezet

6.3 Mátrixszervezet Definíció Ez a szervezetei forma a tiszta projektszervezet és a klasszikus vállalti szervezet keveréke. Fontos jellemzője, hogy a felelősség megoszlik az osztályvezetők és a projektvezető között. Ugyan a projektért a projektvezető viseli a teljes felelősséget, de a projekt résztvevőiről nem ő rendelkezik egyedül. Ezek megmaradnak korábbi szervezeti egységeiknél, és a projektben csak időszakosan vesznek részt. Előnyei: A személyzet rugalmasan alkalmazható. Ezáltal a vállalat a szaktudást célzottan vetheti be és használhatja. Ennek következménye egy bizonyos szinergia, mely a különböző részlegekből származó munkatársaknak tudható be. Ezen túl ez a szervezeti forma nagyobb biztonságot is nyújt a projekt résztvevői számára, hiszen nem kerülnek ki korábbi szervezeti egységükből. Így nem okoz problémát a projekt lezárása utáni helyzet tisztázása sem, a résztvevőket nem kell újra integrálni korábbi munkakörükbe. A felelősség projekt- és szakmai felelősségre oszlik.

61

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet Minos________________________________________________________________ Hátrányai: A vállalati szervezeti vezetők és a projektvezető között kompetenciaproblémák léphetnek fel a projekt és a napi ügyekre vonatkozó prioritások és erőforrások tekintetében. A munkatársak ilyenkor gyakran konfliktushelyzetbe kerülnek. Egyrészről a vállalati szervezeti egységek vezetőinek beosztottjai, azaz gondoskodniuk kell a napi ügyek és folyamatok zavartalanságáról, másrészről azonban a projektben is részt vállalnak. Itt pedig a folyamatoknak szintén záros határidőn belül kell lezajlaniuk.

9. ábra: Mátrixszervezet

6.4 Összefoglalás: A projektszervezet ismertetőjegyei Fontos

A projektszervezet ismertetőjegyei -

62

A szervezet élettartama a projekt időtartamára korlátozott. A projektcsapatok tagjai (részben) mentesülnek más feladatok elvégzése alól. A projektcsapat hierarchiájában betöltött pozíció független a vállalati szervezetben elfoglalt pozíciótól. A csapat minőségi és mennyiségi összetétele változhat a projekt során.


7 Projektvezetés 7.1 A projektvezető Definíció A projektvezető feladatai és felelőssége alá tartozó területek: A projektvezetőt a megbízó (például a vállaltvezetés, vagy egy külső megbízó) jelöli ki a projekt időtartamára, felelősségének köre pedig sokrétű. Feladatai és kompetenciái mindig az adott projekttől, a vállalati szervezettől vagy a megbízótól függenek. A következő felsorolás mátrixszervezetet feltételez, azaz a projektvezető ebben az esetben csak szakmai kompetenciával rendelkezik.

7.1.1 A projektvezető felelősségi köre Ide tartoznak a következők: -

Költségek felügyelete és a büdzsé betartása Határidők betartása A szakmai cél elérése Konfliktusmenedzsment Szakmai és tárgyi felelősség a projektcsapatért Projekttevékenység vezetése Irányvonalak, folyamati és munkautasítások betartása Kommunikáció a csapaton belül és a megbízó felé Projektmegbeszélések előkészítése és lebonyolítása A projektterv elkészítése és aktualizálása

7.1.2 A projektvezető feladatai Ide tartoznak a következők: -

Aktív részvétel a cél definiálásában Az egyes projektcsapatok vezetőinek kijelölése Aktív részvétel a csapat összetételének meghatározásakor Feladatok kiosztása a csapaton belül A projekt előrehaladtának ellenőrzése A projekt mérföldköveinek meghatározása Az idő- és költségkeret betartásának folyamatos ellenőrzése A projekt kifelé történő képviselete Külső és belső egyeztetések lebonyolítása Szükséges továbbképzések elintézése Szükség esetén a döntéshozó- és egyeztető szervek bevonása Projektstátusz-jelentések elkészítése Projektdokumentáció és az akták kezelése Utólagos kalkulációk elvégzése

7.1.3 A projektvezető felé támasztott személyes követelmények A feladatok és felelősségi körök a projektvezető személye iránt változatos követelményeket eredményeznek, melyekkel ennek ideális esetben már a projekt megkezdése előtt rendelkeznie kell: -

Szakmai hozzáértés Vezetői készség

63


Társadalmi kompetencia Kommunikációs készségek Motiválókészség Delegálási készség Kooperációs készség Összefüggések felismerésének képessége Szervezői készség Gazdasági és vállalkozói gondolkodásmód Saját iniciatíva Kreativitás Döntéshozási készség Tárgyalási készség Érvényesülési készség Dinamika

7.1.4 A projektvezető minimális kompetenciái Fontos

Mivel a projekt sikere nagyban függ a projektvezető személyiségétől, a vállalatvezetésnek ezt a személyt különös gonddal kell kiválasztania. Félreértések elkerülése végett már kezdetben tisztázni kell, hogy a projektvezető csak szakmai, vagy személyi felelősséget is kap. Minimális kompetenciák: A projekt zavartalan lebonyolítása érdekében a projektvezetőnek legalább az alábbi kompetenciákkal kell rendelkeznie: -

Közreműködhet a projekt céljának meghatározásában Beleszólhat a szakmai felelősök kijelölésébe A projektre vonatkozóan rendelkezik információs, utasítási és döntési joggal Ő engedélyezheti az egyes részfeladatokon történő munka megindulását

7.2 A projektcsapat Egy adott projekten dolgozó projektcsapat általában a következő résztvevőkből áll: -

projektvezető állandó projektrésztvevők időszakos projektrésztvevők a projekt számára szolgáltatást nyújtó személyek és cégek

Ezen túl beszélhetünk zárt vagy nyitott projektcsoportokról. Zárt projektcsoport esetén meghatározott számú munkatársról van szó, akik a projekt elejétől a végéig résztvesznek a megvalósításban. Nyitott projektcsapat esetén a projekt állapotától függően változik a résztvevők száma és funkciója. Például előfordulhat, hogy programozókra csak a projekt egy adott szakaszában van szükség, ezért a többi szakaszban nem vesznek részt.

64


8 Projekttervezés Definíció Projekttervezésen a projekt jövőbeli lefolyását illető szisztematikus információgyűjtést és az előrelátható szükséges cselekvés megtervezésének folyamtát értjük. A projekt sikere alapvetően a gondos és célravezető tervezésen múlik. A projektterv adja meg azokat az irányvonalakat, melyek alapján később a projekt felügyelete és irányítása zajlik, és ezek alapján kell felismerni a fellépő eltéréseket, hogy ezeket korrigálni tudjuk.

8.1 Céltervezés Definíció A céltervezés a projektötlettől a projektcélok jóváhagyásáig tart. A célokat a környezetnek a projeket tárgyával szemben támasztott elvárásaiból, a projekt tárgyának a környezetre való hatásának figyelembevételével kell levezetni. (Projektkörnyezet- és stakeholderanalízis (stakeholder: érintettek, résztvevők, érdeklődők)). Csak a meglévő helyzet tisztázása után foglalkozhatunk a projektcélok kialakításával. A cél a projekt minden tevékenységének alapja, irányadója és egyben mércéje is. Négy alapvető funkciót kell kielégítenie: 1. Orientálási funkció 2. Kiválasztási funkció 3. Koordinációs funkció 4. Ellenőrző funkció A projektcélok három komponensből állnak: 1. Teljesítmény 2. Projekt-határidő 3. Projektköltség Mivel a három komponens egymással konkurál, ezért összefüggésükben kell őket figyelembe vennünk. Ezt az összefüggést „mágikus” célháromszögként ábrázolhatjuk.

10. ábra: A projektmenedzsment három pólusa

65

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet Minos________________________________________________________________ A célok a projekt tárgyára és folyamatára vonatkoznak: => Projekt tárgyával kapcsolatos célok (eredménycélok) => Projekt folyamatára vonatkozó élok (folyamatcélok) Alapvetően ésszerű a célokat muszáj- és kívánatos célokra felosztani. Muszáj-cél: Kívánatos cél:

Mindenképpen el kell érni! Szép, ha sikerül.

A célokat a célkatalógusban rögzítjük. Azonban a projekt elején még nem fogunk tudni minden célt részletesen kifejteni. Erre csak a projekt folyamán később, ha már rendelkezésre állnak bizonyos részeredméneyek, lesz lehetőség. Fontos

A célok megfogalmazásával kapcsolatban támasztott legfontosabb követelmények: -

A cél megfogalmazása lehetőleg független legyen a megoldástól. A célok lehetőség szerint legyenek operacionalizálhatók / mérhetők.

8.2 Tervezési szempontok A tervezés többek között korábbi tapasztalatunk felhasználásával zajlik. Azonban különösen új projektek esetén pontosan ez az, amire csak korlátozott mértékben nyílik lehetőségünk. Nagy a veszélye annak, hogy hibázunk, ezért különösen gondos cselekvésre van szükség. Érdemes ezért figyelembe venni az alábbi szempontokat: -

A projekt célját definiálja nagyon pontosan (fő és mellékcélokkal együtt) Részletesen elemezze és dokumentálja a projektet (logikus folyamatokat figyelembe véve) Tervezzen dinamikusan (a dokumentáció iteratív módon legyen mindig friss, vegye figyelembe a legújabb eredményeket, felismeréseket, változásokat és ezek hatásait)

8.3 Projektek tagolása Projektek tagolása kétféle módon lehetséges: A Top-Down-módszer és a Bottom-Up-módszer. A projekt típusától és a tervezés állapotától függően a projekt felelősének döntenie kell az egyik módszer mellett. Definíció Top-Down-módszer Ezen módszer esetén a projekt tervezője a projekt nagyvonalú tervezésével kezd (Top = fent). Ezt követően minden fontosabb pont finomabb pontokra oszlik, amígnem minden folyamat láthatóvá válik (Down = lefelé). Ebben az 66

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos esetben a tervező először a vázat tervezi meg, melyet ezután megtölt az egyes folymatok sokaságával. Definíció Bottom-Up-módszer Ez a módszer az előbbi módszer ellentéte, azaz itt alulról felfelé zajlik a tervezés. Ez a módszer akkor hasznos, ha minden, vagy szinte minden folyamat ismert, és listaszerűen rendelkezésre áll. Ebben az esetben a projekt felelősének már csak egy szerkezetet kell kidolgoznia, és sorrendbe állítania az egyes folyamtokat. Gyakran további tagolásra is szükség van, pl. részlegek, költség vagy terméktípusok szerint.

11. ábra: A Top-Down és a Bottom-Up stratégia

8.4 Projektterv-fajták Az alábbi különálló terveket kell létrehozni és a projekttervben dokumentálni: Szerkezeti terv (szakasz- és projektszerkezeti terv): => Mi a projekt szerkezete? Folyamat- és időterv: => Hogyan zajlik majd a projekt? => Milyen határidők vonatkoznak a projektre? Erőforrásterv: => Milyen erőforrásokra lesz szükség? Költségterv: => Milyen költségek lépnek majd fel? Finanszírozási terv: => Hogyan finanszírozzuk a projektet (le vannak fedve a költségek)?

67


8.5 Projekttervezési technikák és –eszközök A projekttervezés leggyakrabban használt módszerei: Definíció Projektszerkezeti terv (tagolás): Az ésszerű projektstruktúra, azaz a projekt részprojektekre, folyamatcsoportokra és egyes folyamatokra történő tagolása feltétele a jól átlátható projektterv elkészítésének, és így a későbbi projektfelügyeletnek is. Erre a célra a leghatékonyabb eszköz a projektszerkezet-terv (PSzT). Ezt angolul a Work Breakdown Structure kifejezés miatt WBS-nek nevezik. A projektszerkezet-terv lehet objektumorientált, funkcióorientált és objektumés funkcióorientált (lásd ábra). Az „objektumorientált” PSzT alatt a megoldások alapján történő tervezést, a „funkcióorientált” PSzT alatt pedig a folyamatok alapján történő tervezést értjük. A házépítés példáját felhasználva az „alapok kiásása” szakasz az objektumorientált PSzT-ben „alap”-ként szerepelne, a funkcióorientáltban pedig „alapozás”-ként.

12. ábra: Objektumorientált PszT

13. ábra: Funkcióorientált PszT

68


14. ábra: Objektum- és funkcióorientált PszT

8.6 Hálótervezés Definíció A hálótervezés minden gráfelméleti alapú analízis, tervezési, vezérlési és felügyeleti módszer összefoglaló neve. E módszerek esetén figyelembe vehetjük az időt, a költségeket, erőforrásokat és más befolyással bíró tényezőket (DIN 69 900, 1. rész). A hálóterv a folyamatok és összefüggéseik grafikus vagy táblázatos ábrázolása (DIN 69900, 1. rész). A hálótervezést elsősorban projektek tervezésére használják, azaz a projektmenedzsment keretén belül a módszer a projekttervezés egy módszere.

8.6.1 A hálótervezés céljai Definíció A hálótervezés célja a folyamatok közötti kapcsolatok és ezek időbeli elhelyezkedésének logikus tervezése, mint célegyezség, mely alapján a projekt további tevékenységei zajlanak. A hálóterv a kommunikációs eszközök, pl. mérföldkövek, ganttchart-ok, stb. felépítésének alapja. A hálótervezéssel a következő fontos kérdésekre keresünk választ: Meddig tart majd a projekt? Milyen kockázatok léphetnek fel? Milyen kritikus tevékenységek vezethetnek, ha nem készülnek el időben, a projekt késéséhez? A projekt menetrend szerint halad, vagy korábban/később lesz kész? 69

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet Minos________________________________________________________________ Mit tegyünk, ha hamarabb kell elkészülnie a projektnek; hogy érhetünk el maximális felgyorsítást minimális költségnöveléssel? Fontos

A hálótervezés elvének alapja az a felismerés, hogy a projekt menetét mindössze néhány, ám együttesen a hálón belül a leghosszabb utat képező tevékenység határozza meg. Ha ezeket a „kritikus” tevékenységeket korán felismerjük, korán ragálhatunk rájuk. A menedzsment képes lesz a kritikus tevékenységekre koncentrálni. Nem kritikus tevékenységeket áttervezhetünk a teljes háló megváltoztatása nélkül. A hálótervezés egy olyan segédeszköz, mely elsősorban az alábbi célokat szolgálja: -

Fontos

A projekt logikus összefüggései a kezdetektől a befejezésig grafikusan megjeleníthetők. A hálótervezés segítségével a projekt minden folyamatára állíthatunk fel időtervet. Könnyen felismerhetjük az erőforrások tekintetében a kritikus útvonalakat és szűk keresztmetszeteket, melyek veszélyeztethetik a határidő betartását. A hálóterv a projekt ellenőrzésének alapja.

Hálótervezés esetén négy részfeladatot különböztetünk meg: Szerkezeti tervezés: A folyamatok és azok egymáshoz való viszonyának elemzése Időtervezés: A folyamatokhoz időtartamokat rendelünk, melyek alapján kiszámítjuk a projekt futamidejét. Költségtervezés: Az egyes folyamatok költségeinek, és a teljes projekt költségének meghatározása. Kapacitástervezés: A szükséges termelőeszközök használatának tervezése. A folyamatok és az időrend megtervezésének alapja a projektszerkezet-terv.

8.6.2 A hálótervezés története Projektek tervezésére már a XIX. század elején használtak segédeszközöket. Akkor még nem ismerték a hálókat, de a Gantt-féle diagramm már a projekt előrehaladtának grafikus ábrázolása. Hálótervezés technikáról azonban csak a kritikus út módszer (critical path method, CPM), ill. a PERT (Program Evaluation and Review Technique, Program Értékelő és Áttekintő Technika) 1956-os kifejlesztése óta beszélhetünk. A technikát azért nevezik hálótervezésnek, mert az ábrázolás során használt nyilak és körök bonyolultabb projekt esetén egy hálóra ha70

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos sonlítanak. Az ebbe a csoportba tartozó módszerek már kifejlesztésük után nem sokkal komoly sikereket könyvelhettek el. Az amerikai haditengerészet például a Polaris rakétaprojekt előkészítése és felügyelete során ezen újszerű módszerek alkalmazásával majdnem 2 év időbeli megtakarítást ért el. A számítógépek tömeges térhódítását megelőzően a hálókat még ceruzával rajzolták, vagy lakkozott acéllemezek és mágnesek segítségével készültek. Ezek előnye abban nyilvánult meg, hogy a projektben bekövetkező változásokat az akkori viszonyokhoz mérten gyorsan lehetett ábrázolni és a projekt tervezése során így figyelembe is venni a projektterv teljes újrarajzolása nélkül.

8.6.3 A hálótervezés alapfogalmai Folyamat Definíció A hálótervezés keretén elül egy folyamat egy jól behatárolható munkaegységet jelöl, mely egy adott pillanatban kezdődött és egy meghatározott későbbi időpontban befejeződik. Általánosan kifejezve: „Egy folyamat egy olyan elem, ami egy adott történést ír le.” (DIN 69900, 1. rész). A hálótervezésben „folyamatról” beszélünk, ám ez a terminológia különbözik a projektmenedzsmentben használttól, hiszen ott inkább a „munkacsomag” kifejezést részesítik előnyben. A folyamatok rendszerint a projekt egy-egy szakaszát jelölik. Ez alól kivétel a várakozás folyamata, mivel ehhez nem kapcsolódik történés. Egy adott folyamathoz más folyamatok is kapcsolódhatnak: például a „zokni felvétele” folyamatot le kell zárni, mielőtt elkezdődhet a „cipő felvétele” folyamat. Ezeket az összefüggéseket később részletesen is tárgyaljuk majd. A folyamatok fontos tulajdonsága a tartamuk. A hálótervezés feladata, hogy az egyes folyamatok tartamának és összefüggéseinek figyelembevételével meghatározza, mely folyamat mikor kerül kivitelezésre. A számítás igény szerint indulhat a kezdőfolyamatokkal, azaz innen kiindulva határozza meg a további folyamatok leghamarabbi lehetséges kezdetét (előre irányuló tervezés), de kezdődhet a legutolsó folyamattal (mely után már nem következik további folyamat) is, a számítás ekkor az egymást megelőző folyamatok legkésőbbi befejezési időpontját határozza meg (visszafelé irányuló tervezés). A két módszer kombinációjából egy meghatározott kezdeti és befejezési időpontból kiindulva a folyamat tartama (T) mellett az alábbi négy fontos tulajdonságot kapjuk: Leghamarabbi kezdési időpont (HKI) (az előre irányuló tervezésből) Leghamarabbi befejezés időpontja (HBI) (az előre irányuló tervezésből) Legkésőbbi kezdési időpont (KKI) (a visszafelé irányuló tervezésből és az adott tartamból)

71

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet Minos________________________________________________________________ Legkésőbbi befejezés időpontja (KBI) (a visszafelé irányuló tervezésből) Adott Fi,j folyamat határidejei: HKI: Az Fi,j folyamat leghamarabbi kezdési időpontja = HIi HBI: Az Fi,j folyamat leghamarabbi befejezésének időpontja = HKIi,j + Ti,j KBIi,j: Az Fi,j folyamat legkésőbbi befejezésének időpontja = KIj (a projekthatáridő betartása esetén) Pufferidő Definíció Több folyamat megadásából a hálókban két különböző pufferidőt számíthatunk: Definíció Az i folyamat teljes puffere TPi a folyamat legkésőbbi kezdési időpontjának (KKIi) és ugyannak a folyamatnak a leghamarabbi kezdési időpontjának (HKIi), ill a legkésőbbi befejezés időpontjának (KBIi) és leghamarabbi befejezési időpontjának (HBIi) különbségéből számítható. Azaz a teljes puffer azt adja meg, mennyivel tolhatjuk el a folyamatot a projekt határidejének veszélyeztetése nélkül: TPi = KKIi-HKIi = KBIi-HBIi Definíció A szabad puffer az az idő, ami a következő folyamat leghamarabbi kezdési ill. befejezési időpontját nem veszélyezteti (azaz minden további folyamat megkezdődhet a tervezett leghamarabbi időpontban). Szabad puffer csak akkor alakulhat ki, ha legalább két lezárt folyamatot ugyanaz a folyamat követ. Kiszámítása „normális” esetben (befejezés-kezdet) a folyamat leghamarabbi befejezésének és az őt követő folyamat leghamarabbi kezdetének különbségéből történik. „Kezdet-kezdet” esetben a leghamarabbi kezdeti időpontok, „befejezés-befejezés” esetben pedig a leghamarabbi befejezési időpontok különbségével számolunk.

SzPi = min j∈S ( i ) (HKI j − bij ) − HKI i SzP = HKI(köv)-HBI bij = az i és j folyamatok közötti minimális időbeli távolság Si = az i folyamatot követő folyamatok halmaza Szabad visszafelé irányuló pufferidő SZVPi,j = KIj – KIi – Ti,j Definíció Az a maximális időtartam, amennyivel a folyamat később kezdődhet abban az esetben, ha minden korábbi folyamat a lehetséges legkésőbbi időpontban fejeződik be, a projekt határidejének veszélyeztetése nélkül. Független pufferidő FPi,j = max{0, HIj – KIi – Ti,j} 72

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos Definíció Az a maximális időtartam, amennyivel a folyamatot eltolhatjuk, ha minden korábbi folyamat a lehetséges legkésőbbi időpontban fejeződik be és minden későbbi folyamat a lehetséges leghamarabb kezdődik. A gyakorlatban elsősorban a TP meghatározó. Kritikus út Definíció A kritikus út definíció szerint azon folyamatok láncolata, melyek időbeli változása a háló végső határidejének (azaz azon folyamatok befejezési határidejének, melyeket már nem követ újabb folyamat) módosítását eredményezi. A kritikus utat azon önálló tevékenységek láncolata határozza meg, melyek tartamának összege a leghosszabb időt eredményezi, és melyek esetén a szabad puffer 0. A kritikus úthoz tartozó tevékenységek határozzák meg a projekt teljes időtartamát, így a projektvezetés ezekre ügyel a leginkább. Minden más tevékenység eltolható vagy meghosszabbítható az adott pufferidő figyelembevételével, ezek nem veszélyeztetik a projekt végső határidejét.

8.6.4 A hálótervezés további fogalmai Esemény Definíció Egy esemény egy adott állapot fellépése. Az események olyan időpontok, amikor adott részfolyamatok befejeződnek vagy mások elkezdődnek. Tehát egy folyamat kezdete és befejezése eseményt jelent. Az eseményhez időbeli tartam nem tartozik. Elhelyezkedési viszony Definíció Az elhelyezkedési viszony az események és folyamtok közötti logikus kapcsolatokat írja le. Egymást követő A és B folyamat esetén négy eset lehetséges: Befejezés-Kezdés: B elkezdődhet, amint A befejeződött (BK kapcsolat vagy normálsorrend) Kezdés-Kezdés: B elkezdődhet, amint A elkezdődött (KK kapcsolat vagy kezdeti sorrend) Kezdés-Befejezés: B befejezödhet, amint A elkezdödött (KB kapcsolat vagy ugrási sorrend) Befejezés-Befejezés: B befejeződhet, amint A befejeződött (BB kapcsolat vagy befejeződési sorrend) Folyamatstruktúra: A háló folyamatstruktúráját az elhelyezkedési viszonyok összessége adja.

73


8.6.5 Példák a hálótervezésre A hálótervezés a következő részekre osztható: A vázlat elkészítése során a projektfeladatot a logikus és okozati összefüggések figyelembevételével folyamatokra vagy eseményekre bontjuk. A vázlat elkészítése a munka legnehezebb és egyben legfontosabb része is, hiszen csak tőle függ majd, vajon a tervezés eredménye ésszerű-e. Az időanalízis során megpróbáljuk megbecsülni az egyes folyamatokhoz szükséges időt (ill. az események közötti időt). Az időtartamok jó becslése második legfontosabb, és szintén nagyon nehéz feladat. Azok a felismerések, melyeket a vázlat és az időtartamok megbecslése jelent sokkal több információt hordoznak, mint maga a számítás, a kritikus út meghatározása és az időtartalékok kiszámolása. A projekt felügyelete során szükség esetén módosításokat kell eszközölnünk a hálón, és felügyelnünk kell a projekt előrehaladtát. Nagyobb szabású alkalmazás esetén költség- és erőforrásanalízisre is szükség lehet. A tulajdonképpeni háló elkészítése előtt az egyes folyamatok összefüggéseit és tartamát általában egy táblázatban foglaljuk össze. Folyamat száma 1 2 3 4 5

Folyamat

Tartam

Előző

Kezdés Feladat AA Feladat BB Feladat CC Cél

0 1 4 5 0

1 1 2 3 és 4

Következő 2 és 3 4 5 5

Ezután elkészítjük a hálót: ekkor minden folyamatot egy négyzet (háló csomópontja) jelöl. Megadott helyen feljegyezzük a folyamat leírását, tartamát, leghamarabbi kezdetét, legkésőbbi kezdetét, leghamarabbi befejeztét és legkésőbbi befejeztét. Ezen kívül fenntartunk még négyzeteket a teljes és a szabad puffer számára. HK

HB Szám T

KK

Név TP

Szp KB

Az egyes folyamatokhoz tartozó négyzeteket nyilak kötik össze, melyek a köztük fennálló összefüggést jelölik. Mivel a ciklikus láncolat nem megengedett, a folyamatok időbeli sorrendben, balról jobbra ábrázolhatók. A párhuzamos események egymás alá kerülnek. Ezután ki kell még számítani a pufferidőket. Ezt az első eseménnyel kezdjük: a leghamarabbi kezdeti időponthoz hozzáadjuk annak tartamát. Az eredmény egyidejűleg az adott folyamat leghamarabbi befejezésének időpontja, és a következő folyamat leghamarabbi kezdésének időpontja. Miután ezt a számítást minden folyamatra elvé-

74

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos geztük, elindulunk hátulról visszafelé. Az utolsó folyamat leghamarabbi befejezése lesz a legkésőbbi befejezés, és a tartamot levonva megkapjuk a legkésőbbi kezdési időpontot. A leghamarabbi és legkésőbbi kezdés különbsége adja a teljes puffert. 0

1 2 1

0

5

0 1

CC 0

1

0

0 6 6

6

1

Start

5

0

0

0

0 0 0

4 3 4

2

Fontos

6 4

AA 0

0 0

1

6

Cél 0

0 6

BB 2

2 6

A számítás lezárultával a fenti példahálóból a következő információt nyerhetjük: - A projekt legkorábban 6 nap elteltével zárulhat le. - A kritikus út az AA és CC folyamatokból áll. - A BB folyamatot akár 2 napos pufferidő után is elkezdhetjük a projekt veszélyeztetése nélkül.

8.6.6 Hálók típusai Definíció Különböző fajta háló-változatok léteznek. Az alábbi típusokat különböztetjük meg: -

-

-

Folyamat-nyíl háló (FNyH) Ebben az esetben a folyamatokat nyilakként ábrázoljuk, a logikus sorrend a csomópontok (folyamatok kezdete/befejezése) elhelyezkedéséből látszik. (Példa: kritikus út módszer (CPM)) Esemény-csomópont terv (EcsT) Itt az eseményeket (állapotokat) csomópontok, az időbeli sorrendet pedig nyilak jelölik. (Példa: Program Evaluation and Review Technique (PERT)) Folyamat-csomópont terv (FCsT) Ez a változat a háló diagramformátuma, mely során az egyes folyamatokat a fontos adatokat tartalmazó négyzetek jelölik. A folyamatokat nyilak kötik össze, melyek a logikai kapcsolatokat jelzik. A gyakran hibásan használt PERT-diagram megjelölés félrevezető, hiszen az eredeti PERT esemény-csomópont tervet használ. GERT (Graphical Evaluation and Review Technique, Grafikus kiértékelő és áttekintő módszer) A jelenleg elérhető hálótervezés programok esetén a módszerek keverednek, és nem is bírnak kiemelt jelentőséggel. Általános ajánlásként akkor használjunk folyamat-nyíl hálókat, pl. CPM-t, 75

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet Minos________________________________________________________________ ha a projekten belül egyszerűek az összefüggések, és ritkán kell őket módosítani. CPM-hálók kevésbé alkalmasak költség- és erőforrás-tervezésre. Esemény-csomópont tervek, pl. az MPM előnye, hogy az esemény-csomópontokhoz sokféle információ hozzárendelhető, és maga a háló gyorsan és könnyen módosítható. Folyamat-csomópont tervek, mint például a PERT, olyan projektek esetén használatosak, melyek esetén a folyamatok időben vagy szerkezetileg nem pontosan előre meghatározhatók (sztochasztikus hálótervezési módszer). Egyszerű kezelhetőségük miatt a két legelterjedtebb módszer a CPM és az MPM.

8.6.7 A hálótervezés előnyei Fontos

A hálóterv nagyon érthető, szemléletes és kifejező ábrázolás, mivel a háló kiváló rálátást biztosít a projekt egyes részfolyamataira és azok összefüggéseire. Mivel a teljes projektet ábrázoljuk, kénytelenek vagyunk a teljes projektet végiggondolni, nem elég csak az egyes részfeladatokkal foglalkozni. A háló gyorsan létrehozható, és így hamar aktualizálható is, ezen kívül relatív pontos előrejelzéseket tesz lehetővé a végső, illetve köztes határidőket illetőleg. A háló ábrázolásakor észrevehetjük az időbeli szűk keresztmetszeteket (kritikus út), valamint a pufferidőket is, hiszen a projektmenedzsment szoftverekben például a kritikus út folyamatihoz külön színt rendelhetünk. Ellentétben az oszlopdiagramokkal történő tervezéssel, a hálótervezés esetén különbséget tudunk tenni a folyamati és az időbeli tervezés között. A folyamtok logikus összefüggéseinek lehetőségéből kifolyólag a folyamati tervezés függetleníthető az időbeli tervezéstől. Összefoglalva tehát: A hálóterv a projekt folyamatának érthető, szemléletes és kifejező ábrázolása. Könnyen megragadható és aktualizálható (amennyiben a projektadatokat elektronikusan tároljuk). A kritikus folyamatok és szűk keresztmetszetek könnyen felismerhetők. Létrehozásuk során az egész projektet át kell gondolnunk. Az elérhető projektmenedzsment szoftverek nagy része támogatja a hálótervezést.

8.6.8 A hálótervezés hátrányai A grafikus ábrázolást, azaz magát a hálót, nagyobb projektek esetén érdemesebb használni, kisebb projekteknél elég a felhasználóbarátabb egyszerűsített, oszlopdiagramos ábrázolás (Gantt-diagram). Alternatívák az előbb említett Gantt- vagy a bolygó-technika (a Gantt-technika továbbfejlesztése). Fontos

76

Ha a háló túlzottan részletes, túlzottan nagy lesz a felügyeleti igény is, hiszen minden részfeladat státuszát aktualizálni kell, különben a tervben torzulás lép fel. Ha a háló túl absztrakt, az

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos egyes lépések leírása nem elég világos, nagy valószínűséggel sokan nem fogják érteni, miről van szó. Azok a tevékenységek, melyek nagymértékű változásokon mennek keresztül, nem kontrollálhatók. Ez gyakran nem realisztikus tervet eredményez, a tervező pedig lemarad az eseményekhez képest.

8.7 Mérföldkövek Definíció

A mérföldköveket a projekt vezetője definiálja. A mérföldkövek olyan események (t=0), melyek döntések alapjául szolgálnak. A projekttervben a mérföldkövek a projektszakaszok végét jelölik. Időrendi sorrend A projekttervezés során az alábbi időrendi sorrendet kell betartani: Céltervezés - célhierarchia (eredmény- és eljáráscélok) Szakasz- és szerkezettervezés - mérföldkövek, mint ellenőrzőpontok kijelölése - projekt funkciókra és objektumokra történő tagolása - munkacsomagok / projektfolyamatok felállítása Folyamati- és időtervezés - hálóterv elkészítése (folyamati tervezés) - időterv elkészítése Erőforrás- és költségtervezés - Erőforrások és költségek felhasználóinak kijelölése - kapacitások összehasonlítása Bázisterv elmentése, mint ellenőrzési terv Ez képezi a projekt ellenőrzésének és a kell/van összehasonlítás alapját, melyre a projekt vezérlése épül.

77


9 Lépések a projekt sikere felé Definíció

A következőkben 21 pontban összefoglaljuk a tagolás, tervezés és kivitelezés szempontjából fontos lépéseket. A projektlépés megnevezését követően zárójelben az oda vonatkozó módszert is megemlítjük. Ezek a módszereket a 6. fejezetben (Projektszervezés) tárgyaltakon alapulnak. Az ismereteket később gyakorlatok formájában mélyítjük el. Projektlépes (módszer) Projektindítás 1. Projekt tárgyának meghatározása. Tisztázzuk a hátteret és a kiindulási helyzetet. (Projektdefiníció) 2. Projektcélok definiálása. (Projektindítás) 3. A szervezeti keretfeltételek tisztázása. (Projektszervezés) A projekt durva tagolása 4. A teljes projekt munkacsomagokra történő tagolása, az egyes feladatok leírásának elkészítése, terjedelmének definiálása. (Projektszervezet-terv) 5. Az egyes munkacsomagok felelőseinek és kivitelezőinek kijelölése. (Erőforrás-tervezés) 6. A kapacitások és költségek becslése és egyeztetése. (Költség- és kapacitásterv) 7. A köztes projekteredmények definiálása és időzítése. (Mérföldkövek tervezése) 8. A kockázatok felmérése, a tervezés áttekintése (Projektkörnyezet és stakeholder analízis). (Kockázatok és következmények) 9. A projektinformáció és –dokumentáció megszervezése és szétosztása. (Információkezelés) Finomstrukturálás 10. A munkacsomagok tevékenységekre történő felosztása, szétosztása a munkatársak között. (Tevékenységlista)

78

Projektmenedzsment és szervezés – Jegyzet _________________________________________________________________Minos 11. A tevékenységekhez szükséges kapacitás és idő meghatározása. (Kapacitástervezés) 12. Összefüggések elemzése. (Folyamatstruktúra) 13. A tevékenységek kezdeti és befejezési idejének meghatározása. (Oszlopdiagram / háló) 14. A fontos és kritikus tevékenységek meghatározása, a célok definiálása. (Belső mérföldkövek) 15. Kalkuláció, a tevékenységekre jutó költségek meghatározása. (Költségterv) Projektvezetés / Felügyelet 16. A kontrollmetodika tervezése (kontrollparaméterek, ellenőrzés módja) (Visszacsatolás) 17. Információ tervezetlen eseményekről. (Változás közlése) 18. Előre meghatározott információ gyűjtése és ábrázolása. (Státuszjelentés, megbeszélés) 19. Kell/Van összehasonlítás. (Eltérések elemzése) 20. Vezérlési intézkedések meghozatala és ellenőrzése. (Státuszjelentés, megbeszélés) 21. Mérföldkövek / projekt eredményeinek prezentációja (Projektátadás)

79


10 Kockázatmenedzsment Definíció

A kockázatmenedzsment minden olyan tevékenységet fed, mely a projektre való negatív hatásokat vagy azok valószínűségét csökkenti, illetve a pozitív hatásokat vagy azok valószínűségét növeli.

Fontos

A kockázatmenedzsment elemei - kockázat azonosítása - kockázat értékelése - a kockázat kezelésére irányuló intézkedések kifejlesztése - kockázatkövetés - a kockázat kezelésére irányuló intézkedések megtétele (l. táblázat) Relevancia: Németországban 1998 óta hatályos az a törvény, mely a vállalkozási szféra ellenőrzését és átláthatóságát írja elő. Kockázat

Kockázat oka

Következmény

Intézkedés

M = magas N = normál A = alacsony Rossz válaszadási idő

Decentralizált nyomtatási koncepció

Akadályozza a napi munkát

Teljesítményanalízis a projekt során

15. ábra: Kockázatmenedzsment - példa

80

Mechatronika Modul 3: Folyadékok





Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos

Tartalom 1

Pneumatika ................................................................................................................5 1.1 Bevezetés...........................................................................................................5 1.1.1 A sűrített levegő története ...........................................................................5 1.1.2 A pneumatika előnyei és hátrányai..............................................................6 1.1.3 A pneumatika alkalmazási területei .............................................................7 1.2 A sűrített levegő előállítása .................................................................................8 1.3 Sűrített levegő előkészítése ..............................................................................10 1.3.1 A sűrített levegő szárítása.........................................................................11 1.3.2 Hűtőszárítás..............................................................................................12 1.3.3 Adszorpciós szárítás .................................................................................13 1.3.4 A levegő szárításának további módszerei .................................................13 1.4 Előkészítő egységek .........................................................................................14 1.4.1 Szűrő és vízleeresztő ................................................................................14 1.4.2 Nyomásszabályozó szelep ........................................................................15 1.4.3 Olajködkenő ..............................................................................................16 1.4.4 Egyéb alkatrészek.....................................................................................18 1.4.5 Az előkészítő-egység alkotóelemeinek jelölése.........................................19 1.5 Pneumatikus végrehajtók..................................................................................20 1.5.1 Egyszeres működtetésű munkahengerek..................................................21 1.5.2 Kettősműködtetésű munkahengerek .........................................................22 1.5.3 Különleges kettősműködtetésű munkahengerek .......................................24 1.6 Útszelepek ........................................................................................................31 1.6.1 Az útszelepek jelképi ábrázolása ..............................................................31 1.6.2 Útszelepek működtetése ...........................................................................33 1.6.3 Csatlakozások jelölése..............................................................................35 1.6.4 Útszelepek szerkezeti kialakítása..............................................................37 1.6.5 Útszelepek fajtái........................................................................................39 1.6.6 Útszelepek elővezérlése ...........................................................................45 1.6.7 Szelephordozó rendszerek........................................................................47 1.7 Zárószelepek ....................................................................................................49 1.7.1 Visszacsapó-szelepek...............................................................................49 1.7.2 Gyorslégtelenítő szelepek .........................................................................50 1.7.3 Váltószelepek............................................................................................51 1.7.4 Kétnyomású szelep...................................................................................52 1.8 Fojtószelepek....................................................................................................53 1.8.1 Fojtó-visszacsapószelep ...........................................................................53 1.9 Nyomásirányítók ...............................................................................................55 1.10 További szelepek ..............................................................................................56 1.11 Jelölések a kapcsolási rajzon............................................................................58 1.12 Vákuumtechnika ...............................................................................................61 2 Hidraulika .................................................................................................................63 2.1 Bevezetés.........................................................................................................63 2.1.1 A hidraulika előnyei és hátrányai...............................................................63

3

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ 2.1.2 A hidraulika alkalmazási területei ..............................................................64 2.1.3 A hidraulikus berendezések felépítése ......................................................64 2.2 Az energiaellátó rész ........................................................................................65 2.2.1 Hidraulikus tartály......................................................................................66 2.2.2 Nyomáshatároló szelep.............................................................................68 2.2.3 Szűrő ........................................................................................................68 2.3 Munkafolyadék..................................................................................................69 2.3.1 Viszkozitás ................................................................................................69 2.3.2 A munkafolyadékok további tulajdonságai.................................................71 2.3.3 Szennyeződés, levegő és víz a munkafolyadékban ..................................73 2.3.4 Környezetvédelem ....................................................................................74 2.4 Szivattyúk .........................................................................................................76 2.4.1 Fogaskerékszivattyú .................................................................................77 2.4.2 Csavarszivattyú.........................................................................................80 2.4.3 Csúszólapátos szivattyú............................................................................81 2.4.4 Soros dugattyús szivattyú .........................................................................82 2.4.5 Radiáldugattyús szivattyú..........................................................................83 2.4.6 Axiáldugattyús szivattyú ............................................................................84 2.5 Munkahengerek és motorok..............................................................................85 2.5.1 Egyszeres működtetésű munkahengerek..................................................86 2.5.2 Kettősműködtetésű munkahengerek .........................................................88 2.5.3 Munkahengerek felerősítési módjai ...........................................................91 2.5.4 Hidromotorok ............................................................................................92 2.6 Csövek és tömlők..............................................................................................94 2.7 Útszelepek ........................................................................................................97 2.7.1 Az útszelepek jelölése...............................................................................98 2.7.2 A kapcsolási állások túlfedése...................................................................99 2.7.3 Útszelepek működtetése .........................................................................100 2.8 Zárószelepek ..................................................................................................102 2.9 Nyomásirányító szelepek ................................................................................106 2.9.1 Nyomáshatároló szelepek .......................................................................106 2.9.2 Nyomáscsökkentő szelepek ....................................................................110 2.10 Áramlásirányító szelepek ................................................................................111 2.10.1 Fojtószelepek..........................................................................................112 2.10.2 Áramlásállandósító szelepek...................................................................114 2.10.3 Áramosztók .............................................................................................115 2.11 Akkumulátorok ................................................................................................116 2.11.1 Az akkumulátor feladatai .........................................................................116 2.11.2 Dugattyús akkumulátor............................................................................117 2.11.3 Tömlős és membrános akkumulátor........................................................118 2.11.4 Gáztöltésű akkumulátorok feltöltése........................................................119

4


1 Pneumatika 1.1 Bevezetés A “Pneuma” kifejezés a régi görögöktől ered, ezt a kifejezést használták a lélegzetvételre, a szélre, és a filozófiában a lélekre. A “Pneuma” szóból származik a “Pneumatik” fogalom, mint légmozgások, légfolyamatok tana. A pneumatikában a sűrített levegő energiáját használjuk fel. A levegő 78%-ban nitrogénből, 21%-ban pedig oxigénből áll. A maradék 1% többféle gázt és nemesgázt, valamint vízgőzt is tartalmaz. A Föld felszínén a légnyomás körülbelül 1 bar, mely az időjárási viszonyoktól függően egy keveset változhat. A normálatmoszféra szabványos értéke 101,325 kPa, 15°C hőmérsékleten. Ipari alkalmazások esetén a sűrített levegő nyomása 3 és 10 bar között változik. A leggyakrabban 6 bar-os nyomást használunk, de használatos akár 10 bar feletti túlnyomás is. Különböző pneumatikus vezérlések esetén 0,2-0,5 bar nyomással dolgozunk, melyeket egyre inkább kiszorítanak a ma már igen elterjedt elektronikus vezérlőrendszerek. A sűrített levegő viszkozitása alacsony, így csővezetékekben nagy távolságokra is elvezethető. A sűrített levegő összenyomhatósága (kompresszibilitása) szintén fontos tulajdonság, mely egyszerű módon teszi lehetővé az energia tárolását.

1.1.1 A sűrített levegő története A sűrített levegő kimutathatóan a legrégibb energiaforma, melyet az ember ismert és saját teljesítményének fokozására felhasznált. A levegőnek, mint közegnek a tudatos felhasználása és a vele való többé-kevésbé tudatos munkavégzés már évezredek óta megfigyelhető. Az első, akiről biztos tudomásunk van, a görög Ktesibios volt, aki a sűrített levegőt, mint munkavégző közeget alkalmazta. Kétezer évvel ezelőtt ő készített egy sűrített levegővel működő katapultot. A levegő melegítése segítségével ajtók mozgatása is lehetséges volt. A levegő hőmérsékletének emelésére használt fújtatók gyakorlatilag már az első kompresszoroknak tekinthetők.

5

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A XIX. század végén a vonatok fékei már sűrített levegővel működtek. Szintén ebben az időben kezdték használni az első csőpostarendszereket is. 1890 körül Párizsban kiépítettek egy sűrített levegő hálózatot, mely – sok más funkció mellett – egy központi óra jelét is közvetítette az akár nagyobb távolságokra is elhelyezkedő alállomások felé. Az ezt követő években azonban sokhelyütt inkább az elektromos meghajtás diadalmaskodott. Az ’50-es és ’60-as években sok vezérlési feladatot pneumatikus úton oldottak meg. Az ilyen vezérlések kis nyomással, mindössze néhány millibar-ral működnek. A tranzisztorok és mikroprocesszorok kifejlesztése óta azonban a legtöbb vezérlés relékkel vagy programozható memóriájú vezérlőrendszerekkel működik. A kezdeti nehézségek ellenére, melyek az ismeretek és képzés hiányára vezethetők vissza, az alkalmazási területek állandóan bővültek. A pneumatika világméretű ipari felhasználása azonban csak a munkafolyamatok szükségszerű racionalizálásakor és automatizálásakor indult meg rohamos léptekkel. Ma már a sűrített levegő egyetlen korszerű üzemből sem hiányozhat. A pneumatikus berendezéseket a legkülönbözőbb ipari célokra alkalmazzák.

1.1.2 A pneumatika előnyei és hátrányai A pneumatika számos területen jelen van, és mint minden energiaforma, rendelkezik előnyökkel, de hátrányokkal is. Az alábbiakban a pneumatikát mindenek előtt a hidraulikával és a villamossággal, de részben a mechanikus berendezésekkel is összehasonlítjuk. A pneumatika előnyei: - A levegő, mint közeg, gyakorlatilag korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre. Mivel az elhasznált levegőt egyszerűen ki lehet engedni a szabadba, nem jelent nehézséget annak visszaforgatása, visszavezetésére nincs szükség. - Egy kompresszornak nem kell állandóan üzemelnie ahhoz, hogy a sűrített levegő folyamatosan rendelkezésre álljon. A sűrített levegő tartályban tárolható és onnan elvezethető, illetve tartályokban szállítható. Áramkimaradás esetén a tárolt sűrített levegő segítségével a már megkezdett folyamatok még lezárhatók. - Csővezetékeken keresztül a sűrített levegőt nagy távolságokra is szállíthatjuk, azaz a sűrített levegőt központilag hozhatjuk létre.

6

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos -

-

-

-

A sűrített levegő tiszta, és érzéketlen a hőmérsékleti ingadozásokkal szemben. Hibás vagy elöregedett tömítések nem jelentenek környezeti veszélyt. A sűrített levegő robbanásveszélyes környezetben is alkalmazható, szabadban vagy nedves környezetben is veszély nélkül használhatjuk. A munkavégző elemek felépítése egyszerű és ennek megfelelően olcsó. Gyakran könnyebbek is, mint a hasonló feladatra kialakított szerszámok. A sűrített levegő áramlási sebessége viszonylag magas, így jelentős munkasebességek elérését teszi lehetővé. A sűrített levegővel működő készülékek a meghibásodás veszélye nélkül túlterhelhetők. Több méter per másodperces sebességek is könnyen elérhetők. Lineáris és kanyarodó mozgás is könnyen realizálható. Szállítási feladatok is egyszerűen kivitelezhetők, például szívókorongok vagy befogópofák segítségével.

Az előnyökkel a következő hátrányok állnak szemben: - A sűrített levegő relatív drága energiahordozó. A sűrítéskor sok hő keletkezik, melyet általában nem tudunk felhasználni. - A sűrített levegő előkészítése körülményes, hiszen a port és a nedvességet el kell távolítanunk. - Bizonyos alkatrészek, mint például a lapátos motorok esetén a sűrített levegőt az alkatrészek kenése érdekében olajozni is kell. Ezt az olajat a kiáramló levegő is tartalmazza. Manapság azonban a legtöbb pneumatikus alkatrészt már olajmentesen működik. - Mivel a sűrített levegő összenyomható, azonos mozdulatok alig kivitelezhetők, és a pozicionálás sem lehetséges. Az egyszerű megállás azonban probléma nélkül megoldható. - A kipufogó levegő zajos. Napjainkra a kifejlesztett hangtompító anyagok ezt a problémát nagyrészt már kiküszöbölték. - A fellépő erők és momentumok a hidraulikához képest kicsik.

1.1.3 A pneumatika alkalmazási területei A pneumatika alkalmazása igen sokrétű. Az iparban egyre több területet automatizálnak, ahol gyakran van szükség lineáris és kanyarodó mozgások kivitelezésére. Így alkatrészeket szállíthatunk, befoghatunk vagy feszíthetünk. A pneumatika mindenek előtt újra és újra visszatérő, ismétlődő mozgások kivitelezésére alkalmas.

7

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A pneumatika segítségével megoldható a granulátumok csővezetékekben való szállítása is. A festékszórás esetében a festéket sűrített levegővel visszük fel. De a pneumatika a kisiparban is használatos. Csavarhúzók, fúrók vagy csiszológépek mind működhetnek pneumatikus alapon is. A munkadarabok vagy más tárgyak kezelése gyakran szívókorongok vagy pneumatikus befogók segítségével lehetséges.

1.2 A sűrített levegő előállítása A sűrített levegőt kompresszor (sűrítő) segítségével állítjuk elő, melynek sok változata lehetséges. Alapvetően két csoportot, az áramlásdinamikai elven működő és a térfogat-kiszorítású kompresszorokat különböztetjük meg. Az áramlásdinamikai elven működő kompresszorok elsősorban nagy áramló térfogatok esetén használatosak. A levegőt ezek a gépek először magas sebességre gyorsítják, majd ezt a sebességet a nyomás növelésére fordítják. A nyomásnövekedés ebben az esetben nem különösen nagy, ezért a nyomás növelése több fokozatban zajlik. Az ú.n. turbókompresszorok a levegőt gyakran radiális irányba, kifelé gyorsítják. Egy másik kompresszortípus az ú.n. axiális kompresszor. Ilyeneket találunk a repülőgép-turbinákban is. Kis mennyiségű sűrített levegőt térfogat-kiszorítású kompresszorok segítségével érdemes létrehozni. Ekkor a kompresszor a levegőt egy adott térfogatba szívja be, melyet ezután összenyom. Ilyen elven működnek a dugattyús, és a csavarkompresszorok, de létezik számos más típus is. A dugattyús kompresszor egy dugattyúból áll, melyet egy forgó hajtókar mozgat ide-oda a hengerben. Az előrefutó mozgás során egy szelepen keresztül levegőt szívunk a hengerbe, majd az ezt követő visszafutó mozgás alatt a henger tere a dugattyú mozgásának következtében lecsökken, a levegő nyomása pedig nő. Ha a hengerben levő nyomás meghaladja a kilépő oldali nyomást, kinyílik egy szelep, a dugattyú pedig kitolja a sűrített levegőt. A dugattyús kompresszor egy lépésben kb. 10 bar nyomásig képes sűríteni, több fokozatú sűrítés esetén azonban már több száz bar elérhető. Ezen folyamat során, mivel a levegő sűrítéskor erősen felmelegszik, azt az egyes sűrítési lépések között hűteni kell. A

8

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos kompresszor kivitelezésétől függően a hűtés levegő vagy víz segítségével történik.

1. ábra: Dugattyús kompresszor Mivel a dugattyús kompresszor hajtókarját olajozni kell, ebből az olajból, ugyan kis mennyiségben, de kerül a sűrített levegőbe is. Bizonyos alkalmazások esetén, pl. az élelmiszeriparban ezt az olajat ki kell szűrni a levegőből. Ilyen esetekben kis sűrített levegő szükséglet esetén membránkompresszorokat használnak. A kompresszoroknak ezt a típusát is a dugattyús légsűrítőkhöz soroljuk. A szívó- és nyomóteret a dugattyútól egy membrán választja el, így a sűrített levegő nem kerül érintkezésbe a dugattyútérrel. A levegő tehát olajmentes lesz. A csavarkompresszor működési elve, hogy két csavarformájú forgórész egymásba nyúló meneteinek kapcsolódó pontjai forgás közben axiális irányban haladnak, és a menetek és a kompresszorház közötti térben lévő levegőt ezáltal továbbítják. A forgórészek konvex, ill. konkáv profilú menettel ellátottak, így a szállítás közben a térfogat csökken, megtörténik a sűrítés. Néhány csavarkompresszor-típus esetén hűtés és szigetelés céljából olajat fecskendeznek be, léteznek azonban olajmentes csavarkompresszorok is, valamint lehetséges víz befecskendezése is. A csavarkompresszorok által létrehozott térfogatáram kevésbé pulzál, mint a dugattyús kompresszorok által generált sűrített levegő. Nagyobb nyomások elérése érdekében pedig lehetőség van kétfokozatú sűrítésre is.

9

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Általánosságban tehát a csavarkompresszorok több sűrített levegőt hoznak létre, a dugattyús kompresszorok viszont nagyobb nyomást tudnak elérni. Sok alkalmazás esetén azonban mindkét típus szóba jöhet.

2. ábra: Csavarkompresszor

1.3 Sűrített levegő előkészítése A sűrítés után a sűrített levegőt egy köztes tartályban, a légtartályban tároljuk. A tároló nagy felületéből adódóan a benne lévő sűrített levegő hűtőhatásnak van kitéve. Ennek következményeként a levegő nedvességtartalmának egy része a tartályban víz alakjában lecsapódik. Az így keletkező kondenzvizet a tartályból rendszeresen el kell távolítani. A tartály azonban elsősorban a különböző felhasználási igények kiegyenlítésére szolgál, feladata az egyenletes levegőellátás biztosítása, továbbá a hálózatban, a felhasználás változása során létrejövő nyomásingadozások kiegyenlítése. Ha a keletkező sűrített levegő mennyiséget csak a kompresszor ki- / bekapcsolásával szabályozzuk, válasszunk nagyobb méretű tartályt. Így ritkábban kell bekapcsolni a kompresszort. Az újabb berendezésekben a sűrített levegő elosztására szolgáló csővezetékeket a feltétlenül szükségesnél kicsit nagyobbra méretezik, így a teljes sűrített levegő hálózat tárolóként használható, tehát lehetőség van a különböző felhasználók által esetlegesen okozott nyomásingadozás kiküszöbölésére. Azon felhasználók elé, akik sok sűrített levegőt használnak, de ritkábban, köztes tárolót csatolunk, melyből igényüket fedezhetik.

10


1.3.1 A sűrített levegő szárítása A sűrített levegő megfelelő tisztasága fontos követelmény. Fokozott figyelmet kell fordítani a levegő nedvességtartalmára. Víz (nedvesség) a kompresszor által beszívott levegővel kerül a léghálózatba. A vízgőz abszolút mennyiségét g/m3-ben adjuk meg. A levegő nedvességtartalma függ annak relatív páratartalmától, melyet a hőmérséklet és az időjárási helyzet befolyásol. 20°C esetén 1 m3 levegő víztartalma maximálisan 17 g lehet. 50°C-on már tartalmazhat 82 g/m3-et is. Ha a levegő víztartalma túllépi az adott hőmérséklethez tartozó határértéket, a felesleges víz már nem maradhat gáz halmazállapotú (pára), hanem cseppek formájában kiválik. A levegő telítettségi értékét a hőmérséklet függvényében a “harmatpont görbe” szemlélteti. A telítettségi érték az a legnagyobb vízmennyiség, amelyet 1 m3 levegő az adott hőmérsékleten képes felvenni. A relatív páratartalom maximálisan 100 % lehet (harmatpont hőmérséklet). Példa: Ha 20°C-os, 100% relatív telítettségű levegőt 50°C-ra melegítünk, a relatív légnedvesség 20%-ra csökken.

3. ábra: Harmatpont görbe A sűrítéskor a levegő térfogata csökken, ezzel egyidejűleg azonban hőmérséklete nő, azaz a korábban pára formájában jelenlévő víz továbbra is megmaradhat gáz halmazállapotban. A légtartályban azonban a levegő lehűl, a harmatpont görbe felett található vízmennyiség pedig folyékonnyá válik és kicsapódik.

11

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________

A légtartályban található levegő relatív páratartalma így 100%. Ha ez a sűrített levegő a berendezésbe kerül, és ott még inkább lehűl, a sűrített levegőből további víz válik majd ki. Ez a pneumatikus berendezések meghibásodásához, rozsdásodásához és az elemek idő előtti tönkremeneteléhez vezethet. 0°C alatti hőmérsékletek esetén a víz meg is fagyhat, mely a vezetékek eltömődéséhez vezet. Mindennek megakadályozása érdekében a sűrített levegőt szárítani kell. A szárítás során eltávolítjuk a sűrített levegő víztartalmát. A szárítóból kilépő sűrített levegő relatív páratartalma alacsony lesz, megelőzve ezzel a fent leírt károkat. Annak függvényében, hogy a sűrített levegő ezután mennyire száraz, többé vagy kevésbé lehűthetjük anélkül, hogy folyadék halmazállapotú víz válna ki. A szárítókat az úgynevezett nyomás alatti harmatpont jellemzi, amely azt a hőmérsékletet jelenti, ameddig lehűlve a sűrített levegőből még nem válik ki víz. A sűrített levegő szárításának egy módszere, hogy a levegőt a szükségesnél nagyobb nyomásra sűrítjük, majd a levegőt szobahőmérsékletre hűtjük. Ekkor a víz egy része kicsapódik. Ezután a sűrített levegőt részlegesen relaxáljuk, azaz térfogata nő. A vízgőznek ekkor tehát ismét nagyobb térfogat áll rendelkezésére, a relatív légnedvesség pedig csökken. Mivel azonban a túlsűrítés nagy energia-befektetést igényel, a levegőszárítás e módját csak ritkán alkalmazzák.

1.3.2 Hűtőszárítás A hűtőszárító a harmatpont-hőmérsékletre történő hűtés elvén működik. A harmatpont hőmérséklet az a hőmérséklet, melyre a gázt lehűtve, a benne lévő vízgőz kondenzátum formájában lecsapódik. A szárítandó levegő először a levegő-levegő hőcserélőbe áramlik. A hűtőből jövő hideg száraz levegő előhűti a bejövő meleg levegőt. A lecsapódó olajés vízkondenzátumot a hőcserélő a csapadékleválasztóba vezeti. Ez az előhűtött levegő a továbbiakban átáramlik a hűtőaggregáton, melyben éppúgy, mint a hűtőszekrényben hűtőcsövek találhatók. Itt a sűrített levegő hőmérséklete kb. 2-3°C-ra csökken.

12

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos Ezt követően a sűrített levegő ismét a hőcserélőbe kerül, melyet a beáramló levegő enyhén felmelegít, az pedig a levegőt még egy kicsit tovább hűti. A hűtveszárítóval 2-3°C-os nyomás alatti harmatpontot lehet elérni. További hűtés nem lehetséges, hiszen a víz alacsonyabb hőmérsékleten már megfagyna.

1.3.3 Adszorpciós szárítás Egy másik, szintén gyakran használt eljárás az adszorpciós szárítás. Itt a sűrített levegő először a két tartály egyikén áramlik át, ahol egy porózus, nagy felületű szárítótölteten megy keresztül. Ez az anyag általában 100 % szilíciumdioxid, melyet “gél”-nek nevezünk. A “gél” feladata, hogy a vizet és a vízgőzt adszorbeálja, miközben a nedves levegő a szárítóbetéten átáramlik. A “gél” lekötőképessége természetesen korlátozott, telítődés után egyszerű művelettel regenerálható. A töltet kiszárítása felmelegített levegő átfúvatásával történik, mivel ez a hideg levegőnél több vizet tud felvenni. Ezalatt a sűrített levegő egy másik tartályon áramlik át, mely ugyanígy „gél”-t tartalmaz. Adszorpciós szárítással nagyon száraz levegő állítható elő, az így szárított levegő nyomás alatti harmatpontja jelentősen 0°C alatt lehet.

1.3.4 A levegő szárításának további módszerei További lehetőség a sűrített levegő kémiai úton történő szárítása, a víz kémiai megkötése. Ez az abszorpciós szárítás, mely tisztán kémiai módszer. A sűrített levegőt szárítóanyag rétegen (valamely són) vezetik át. A vizet, illetve vízgőzt a szárítóanyag kémiai úton leköti, s ezáltal fokozatosan elhasználódik. A vízzel telített szárítóanyag eltávolításáról gondoskodni kell. Ez kézi, vagy automatikus úton lehetséges, tehát ez az eljárás csak kis sűrített levegő mennyiségek esetén használatos. Szintén kisebb levegőmennyiségek szárítására alkalmasak a membránszárítók. Ezeket decentrálisan helyezzük el. Mivel szűrt sűrített levegőt tudnak csak kezelni, gyakran az előkészítő egységek után csatolják őket. A membránszárítók esetén a levegő keskeny üregeken áramlik át, melyek falán keresztül a víz kidiffundál. A membránkompresszor

13

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ után a szárított levegő egy részét leválasztják, mely részt a membránok öblítésére használnak. Az öblítésre használt extra sűrített levegőn kívül a membránszárító üzemeltetéséhez más energiára nincs szükség. A jól előkészített és kiszárított sűrített levegőt ezután már tetszőleges távolságra elszállíthatjuk a csővezetékeken keresztül. A vezetékek gyakran enyhén lejtenek, így a vezetékrendszer legmélyebb pontján az összegyűlt kondenzvíz leereszthető. Ebben az esetben az egyes felhasználókhoz vezető csövek felfelé ágaznak el, mielőtt egy bot fogantyújához hasonlóan ismét lefelé kanyarodnának. Ez a kialakítás szintén arra szolgál, hogy a végfelhasználó rendszerébe ne kerülhessen kondenzvíz.

1.4 Előkészítő egységek A pneumatikában a sűrített levegőt központilag hozzuk létre. Az egyes berendezésekhez való szétosztás után a sűrített levegőt még egyszer átvezetjük egy-egy előkészítő egységen. Az adott alkalmazástól függően ez az előkészítő egység különböző komponensekből épülhet fel. Az előkészítő egységek definiált áramlási iránnyal rendelkeznek, az áramlás általában balról jobbra történik. Ha ezzel ellentétes áramlási irányra van szükség, az előkészítő-egységet át kell építeni.

1.4.1 Szűrő és vízleeresztő A sűrített levegő elsőként egy szűrőn áramlik át. A légszűrő feladata, hogy az átáramló sűrített levegőből a szennyeződéseket eltávolítsa. A sűrített levegő a szűrőbe történő belépésekor áthalad a vezetőhornyon, melynek hatására forgásba kezd. A forgás közben létrejövő centrifugális erő hatására a nagyobb szennyeződések kiválnak, és a szűrőedény alján összegyűlnek. A levegő ekkor a szűrőn kintről befelé áramlik át, majd az előkészítő egység következő építőeleméhez érkezik. Nagyon érzékeny elemek esetén ezek elé érdemes egy finomszűrőt is csatolni. A finomszűrőn a levegő bentről kifelé áramlik át. Csak azt a levegőáramot érdemes így megszűrni, melynek ilyen finom szűrésére valóban szükség van. Annyit szűrjünk, amennyire szükség van, ne annyit, amennyit lehet.

14

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos A szűrő további feladata, hogy a sűrített levegőben esetlegesen megtalálható vízcseppeket kiválassza. Az egyéb szennyeződésekhez hasonlóan a víz is a szűrő aljában gyűlik össze. Mivel a tartály átlátszó, az összegyűlt mennyiség jól látható.

4. ábra: Szűrő vízleeresztővel (Kép: BoschRexroth) Ha a szűrő a szilárd szennyeződések mellett vizet is kiválaszt, az összegyűlt kondenzvizet időnként feltétlenül le kell engedni, egyébként a levegő ismét magával ragadja, és a vezérlőelemekhez szállítja. A vizet a zárósapka eltávolításával, kézzel is leereszthetjük. Ha sok vizet választ ki a szűrő, ennek leeresztését automatikusan is megoldhatjuk. Itt a kondenzátum a szűrőből az összekötőcsövön keresztül az úszótérbe áramlik. A csapadék növekedésének megfelelően az úszó megemelkedik. Egy előre beállítható szint elérésekor egy emelőkar a záródugót felemeli, a víz pedig kiáramlik. Alternatívaként a rendszer a vizet a sűrített levegő minden ki- / bekapcsolásakor leeresztheti.

1.4.2 Nyomásszabályozó szelep Az előkészítő egységnek a sűrített levegő szűrésén kívül egy adott nyomásszintet is tartania kell. A megbízható működés érdekében az egységben uralkodó nyomásnak nagyobbnak kell lennie, mint a nyomásszabályozó szelepen beállított érték. Nyomás nélküli állapotban a nyomásszabályzó szelep nyitva van. Ha bekapcsoljuk a sűrített levegő áramot, az ezen a szelepen keresztül áramlik a berendezésbe. Ott kialakul egy folyamatosan növekvő nyomás, mely a nyomásszabályozó szelep membránjára egy kis nyíláson keresztül erőt fejt ki. A membrán másik oldalára egy rugó hat, melynek ereje állítható.

15


A rugóerő állításával változtathatjuk a membrán elmozdításához szükséges erőt. Ha a nyomás által kifejtett erő meghaladja a rugóerőt, a membrán eltolódik és a nyomásszabályozó szelep bezárul. A nyomás tehát ekkor már nem nőhet tovább. Ha ebben az állapotban csökkentjük a beállított rugóerőt, vagy valamely okból tovább nő a nyomás a berendezésen belül, a membrán is még jobban eltolódik. A berendezés nyomással terhelt oldala felől azonban már bezárult a nyílás, ezért a membránok további meghajlásakor létrejön egy kis nyílás, melyen keresztül a berendezésből a felesleges sűrített levegő eltávozhat. Ezáltal a belső nyomás addig a pontig csökken, amíg a rugó a membránt visszatolja annak helyére, és a légtelenítő nyílás ismét bezárul. A nyomásszabályozó szelepen egy manométer is található, mely segítségével leolvashatjuk a szelep mögött uralkodó nyomást.

5. ábra: Nyomásszabályozó szelep (Kép: BoschRexroth)

1.4.3 Olajködkenő Sok előkészítő-egység tartalmaz olajködkenőt, melynek feladta a sűrített levegő olajköddel való feldúsítása, a pneumatika elemek megfelelő mértékű kenőanyaggal való ellátása érdekében. A kenés csökkenti a mozgó alkatrészek kopását, alacsony értéken tartja a súrlódó erőket és védi a készüléket a korróziótól. Az olajozók általában a Venturi-elv alapján működnek. A sűrített levegő az olajozón a bemenettől a kimenet felé áramlik. A Venturiszelepnél létrejövő keresztmetszet csökkenés nyomásesést hoz

16

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos létre. Ennek megfelelően a csatornában és a csepegtetőtérben vákuum keletkezik. A nyomáskülönbség a tartályból felszívja az olajat, és porlasztva az átáramló levegőbe továbbítja. Egy üvegen keresztül a bekevert olaj mennyisége a létrejövő cseppek mennyisége alapján ellenőrizhető. Az olajmennyiség változtatása az összekötőcső felső végén elhelyezett állítócsavarral lehetséges. Az olajködkenő tartályának olajszintjét rendszeresen ellenőrizni kell. Szükség esetén olajat kell utántölteni. Érdemes figyelembe venni, hogy az alkatrészek kenéséhez egy adott olajfelhasználás mindenképpen szükséges. Az alkatrészek olajozása azonban problémákat is okoz. Az olaj részben már a csővezetékek falán lecsapódik, és vannak olyan alkatrészek, melyek esetén lehetséges a túlolajozás is. Ebből az okból kifolyólag már sok korszerű pneumatikus komponens nem igényel olajjal dúsított sűrített levegőt. Ezek az alkatrészek egyszeri zsírkenéssel vannak ellátva, mely az alkatrész teljes élettartamára elég. Új berendezések esetén tehát olajködkenésre már nincs szükség. Ügyelni kell azonban arra, hogy azok az alkatrészek, melyek egyszer már működtek olajködkenéses környezetben, olajmentes környezetben többet nem használhatók. Az olaj lemosná a zsírt, tehát a további kenéshez ismét olajozásra lenne szükség.

6. ábra: Olajködkenő (Kép: BoschRexroth)

17

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Azon korszerű alkatrészek közé, melyeket még mindig olajköd segítségével kell kenni, tartoznak a lapátos motorok. Ilyen berendezések esetén az olajködkenést csak ezen végrehajtó részére kell kialakítani, a motortól lehetőleg nem túl nagy távolságban.

1.4.4 Egyéb alkatrészek Az előkészítő-egységek alkalmazástól függően tartalmazhatnak további alkotóelemeket is. A sűrített levegő ki- és bekapcsolásához útszelepeket használunk, melyek különböző elveken működhetnek. Például a golyósszelepek előnye, hogy nyitott állapotban szinte egyáltalán nem képeznek ellenállást a levegőáram útjában. Minden útszelep esetén fontos a légtelenítő nyílás, melyen keresztül a berendezés lezárásakor a sűrített levegő távozni tud. Ha ez a légtelenítő nyílás elvetendő módon zárva van, a berendezés a sűrített levegő lezárásakor nem kerül nyomásmentes állapotba. Ilyen esetben a berendezésen bármilyen munkálatot veszélymentesen csak a nyomás leengedése után végezhetünk el. Vannak olyan zárószelepek, melyek esetén fennáll annak a lehetősége, hogy a zárt helyzetet egy vagy több retesz segítségével rögzítsük. Ez megakadályozhatja például a sűrített levegő bekapcsolását, amíg még munkálatok folynak a berendezésen. Lehetséges azonban a sűrített levegő elektromos zárószelepekkel való ki- és bekapcsolása is. További opcionális alkatrész a nyomáskapcsoló. A nyomáskapcsoló ellenőrzi, vajon van-e nyomás, és adott esetben egy jelet küld a vezérlőegységnek. Ez megakadályozhatja, hogy a berendezés túl alacsony nyomással működjön, és így a hengerekre túl kis erő hasson. Egyes előkészítő-egységek esetén a sűrített levegő bekapcsolásához feltöltő-szelepeket használnak. Ezeket a szelepeket puhaindulású szelepeknek is nevezik, mert a sűrített levegőt lassan engedik beáramolni a berendezésbe. A hengerek ezáltal fokozatosan vehetik fel kiinduló pozíciójukat. A feltöltőszelepek nagyjából a munkanyomás felének elérésekor nyitnak csak ki teljesen, és ekkor emelkedik csak hirtelen a nyomás a berendezésben.

18

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos Az előkészítőegységeken elhelyezett elosztók a térfogatáram elosztását teszik lehetővé. Így lehetséges például, hogy a sűrített levegő egy részét csak normálisan szűrjük, miközben egy másik részét egy további finomszűrön is átvezetjük. Az ily speciálisan előkészített sűrített levegővel nagyon érzékeny szelepeket működtethetünk, miközben a többi szelep esetén nem szükséges a bonyolult finomszűrés.

1.4.5 Az előkészítő-egység alkotóelemeinek jelölése A pneumatikus és hidraulikus kapcsolási rajzok esetén az ISO DIN 1219-ben meghatározott jeleket használjuk. A sűrített levegő forrását egy háromszög jelöli. Azonban sok kapcsolási rajz még az elavult jelet, egy kört, melyben egy pont helyezkedik el, használja ennek jelölésére. Ezt a jelet már nem használjuk. A hidraulikában a nyomás forrását egy tele háromszög jelzi. A pneumatikában és a hidraulikában sok jelet dobozként ábrázolunk. Így például a szűrőt egy a csúcsán álló négyzet jelöli, melyben a függőleges szaggatott vonal ábrázolja magát a szűrőt. A rövid vízszintes vonal a doboz alján a vízleeresztőt jelöli. Az áramlás, mint a legtöbb jel esetén, itt is balról jobbra irányul. A nyomásszabályozó szelepet is egy négyzet jelöli, melynek két egymással szembeni oldala egyikén egy rugó, a másikon pedig szaggatott vonal látható. A rugót átszelő nyíl a rugóerő állíthatóságára utal. A szaggatott vonal egy belső vezérlővezeték, mely a nyomásszabályozó szelep kimenetétől a rugóerő ellenében hat.

7. ábra: A sűrítettlevegő-ellátás jelzései

19

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A négyzetben látható nyíl a membránoknak felel meg. Ezt a nyilat eltolhatónak kell tekinteni. Ha nő a kimeneti nyomás, a nyomásszabályozó-szelepen megszakad az áramlás. A kis háromszög a légtelenítő nyílást jelzi, melyen keresztül a túl nagy nyomás leépíthető. A manométer jele egy kör, melyben a nyíl a mutatót jelzi. Nyomáskülönbségek mérésére szolgáló manométereknek alul két kimente van. Az olajködkenő jele a szűrőhöz hasonlóan egy a csúcsán álló négyzet. Egy kis vonal utal az olaj bemeneti csatlakozójára. Az előkészítő-egység alkotóelemeinek jeleit megrajzolhatjuk részletesen, mivel pedig az egyes alkotóelemek egy csoportot alkotnak, pont-vonallal vesszük őket körbe. Sok esetben azonban elegendő, ha az előkészítőegységet annak egyszerűsített jelével jelöljük.

8. ábra: Az előkészítő-egység jelölései

1.5 Pneumatikus végrehajtók A pneumatikában gyakran előforduló egyenesvonalú mozgást hengerek hajtják végre. Egyszeres és kétszeres működtetésű hengereket különböztetünk meg. Forgó vagy fordító mozgást hengerekkel és megfelelő mechanikus emelőkkel állíthatunk elő. Léteznek azonban speciális forgó- és fordító-végrehajtók is.

20

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos Folyamatos forgómozgást pneumatikus motorok állítanak elő. Ilyen esetben végrehajtóként például lapátos motort használunk. Különösen nagy fordulatszámokat, például a fogorvosi fúrók esetén, turbina-végrehajtókkal hozhatunk létre. Alkatrészcsoportnak nevezzük azokat a pneumatikus végrehajtókat, melyek több alkotóelemből épülnek fel. Így például kombinálhatunk hengereket vezetősínekkel, hogy keresztirányú erőt is fel tudjanak venni.

1.5.1 Egyszeres működtetésű munkahengerek Az egyszeres működtetésű munkahengereknél csak az egyik hengertér kap energiaellátást (sűrített levegőt). Ennek megfelelően csak egy mozgásirányban végezhetnek munkát, a sűrített levegő bevezetésétől (dugattyúoldali, ill. rúdoldali tér) függően. A rúdoldali teret egy légtelenítő nyílás köti össze a környezetével. Ezáltal elkerülhető, hogy a henger kiemelkedésekor légpárna alakuljon ki a rúdoldali térben. Befelé irányuló mozgás esetén a légtelenítő nyíláson keresztül levegő áramlik a rúdoldali térbe, mely megakadályozza, hogy alulnyomás alakuljon ki. A por behatolásának elkerülése végett a légtelenítő nyílásokon gyakran egy szűrő is található.

9. ábra: Egyszeres működtetésű henger (Kép: BoschRexroth) A másik mozgásirányban rugóerő, vagy külső terhelő erő biztosítja a dugattyúmozgást. A beépített rugó úgy van méretezve, hogy megfelelően nagy sebességgel vigye vissza a dugattyút az alaphelyzetbe. Másfajta konstrukció esetén a rugó úgy van beépítve a hengerbe, hogy a henger nyomásmentes állapotában kiemelt helyzetben van. Ebben az esetben a sűrített levegő nyomása kényszeríti a hengert a behúzódásra.

21

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Az egyszeres működtetésű munkahengerek lökethosszát tehát a beépített rugó szerkezeti hossza korlátozza. Ezek a hengerek általában rövid löketűek, kb. 100 mm lökethosszig használatosak. Általában kilökésre, sajtolásra, emelésre, adagolásra alkalmazzák őket. Az egyszeres működtetésű hengerek egyik speciális képviselője a membránhenger. A nagy keresztmetszetek miatt a pneumatikában szokásos nyomások mellett is felléphetnek nagyon nagy erők. Nagy súlyok emelésére használják őket, mivel a membrán lengéscsillapítóként is szolgál.

10. ábra: Membránhenger (Kép: BoschRexroth)

1.5.2 Kettősműködtetésű munkahengerek A bevezetett sűrített levegő energiája a kettősműködtetésű munkahenger dugattyúját két irányban mozgatja. A visszafutáskor kifejtett erő valamivel kisebb, mint az előrefutáskor kifejtett erő, mivel a dugattyún csak egy kisebb, gyűrű alakú felület áll rendelkezésre. Sok különféle felépítés létezik. A dugattyú átmérője néhány millimétertől akár 250 mm-ig is terjedhet. A lökettér lehet a dugattyú átmérőjénél kisebb vagy nagyobb is. Sok hengert el lehet látni közelítéskapcsolóval. Ezen kapcsolók segítségével lekérdezhetjük a dugattyú pozícióját. A közelítéskapcsolók általában a henger végállásánál helyezkednek el. A közelítéskapcsoló érintésmentes működtetéséhez a hengerek dugattyúin mágnesek helyezkednek el. Ha a dugattyú a közelítéskapcsoló közelébe kerül, a mágneses mező átkapcsolja a kapcsolót.

22


11. ábra: Kettősműködtetésű munkahenger A közelítéskapcsolók legegyszerűbb esetben reed-relé segítségével működnek. A reed-relé két érintkezőből áll, melyek egy védőgázzal töltött üvegcsőben helyezkednek el. Amikor a permanens mágnessel ellátott dugattyú az érintkezőkhöz ér, azok a mágneses tér hatására zárnak. A reed-relé olcsó, és különböző feszültségeken alkalmazható. Túl nagy légáram esetén azonban a kontaktusok összeragadhatnak, vagy akár tönkre is mehetnek. Emiatt gyakran a tényleges kontaktus mellett egy biztonsági kapcsolás is be van építve. Egy LED mutatja, vajon a kontaktus átkapcsolt-e. Léteznek elektronikus közelítéskapcsolók is: ezek kopásmentesek és gyakorlatilag elpusztíthatatlanok, mivel mechanikai érintkezés nélkül működnek. Azonban ezek valamivel drágábbak a mechanikus kapcsolóknál, és csak bizonyos egyenfeszültségekre kaphatók.

12. ábra: Reed-relé A dugattyú mágnesgyűrűje segítségével azonban tisztán pneumatikus közelítésérzékelőket is működtethetünk. Ezek levegőfelhasználása alacsony, és emiatt kis nyomással működnek. A

23

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ pneumatikus közelítéskapcsolókat robbanásveszélyes környezetben is használhatjuk, azonban ma már egyre ritkábban alkalmazzuk őket. Amennyiben a munkahenger nagy tömegek mozgatását végzi, a dugattyú löketvégi merev ütközése a hengerfedélen károsodást okozhat. Ennek elkerülésére a löketvéghez csillapítást építenek be. A véghelyzet elérése előtt egy fékdugattyú elzárja a hengertérben lévő levegő szabad kiáramlását, így az csak a hengerfedélben elhelyezett fojtó-visszacsapó szelep változtatható keresztmetszetű fojtásán keresztül tud a továbbiakban áthaladni. A keresztmetszet csökkenés következtében a hengertérben a nyomás megnő, így a dugattyú fékezve, lassan éri el a véghelyzetet. A dugattyú ellenkező irányú mozgásakor a beáramló levegő a visszacsapó szelepen keresztül jut a hengertérbe, a csillapítás ilyenkor nem működik. A löketvégi csillapítás hátránya, hogy a henger lassabban éri el a véghelyzetet. A csillapítva megtett út hosszúsága nem állítható. Előfordulhat az is, hogy a dugattyú a légpárnáról visszapattan. A löketvégi csillapítás alternatívája a hengeren kívül elhelyezett ütközéscsillapító. Ez lehet műanyagból készült párna, de hidraulikus lökéscsillapító is. Kisebb hengerek esetén azok belsejében is elhelyezhetünk műanyagból készült gyűrűket, melyek csillapítják a kemény ütközéseket.

13. ábra: Löketvégi csillapítás (Kép: BoschRexroth)

1.5.3 Különleges kettősműködtetésű munkahengerek A dugattyúrúd nélküli hengereknek, mint azt már nevük is elárulja, nincs dugattyúrúdja. A dugattyú a hengeren belül mozog, és mozgását átadja egy a hengeren kívül elhelyezkedő szánnak (csuszkának).

24

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos A dugattyúrúd nélküli hengerek kialakításánál három különböző működési elvet alkalmaznak. A szalaghengernél a dugattyú erejét egy körbefutó szalag viszi át a szánra. A dugattyútérből tömítésen keresztül lép ki a szalag. A henger végeinél a szalag vezetőgörgőkön fordul vissza. Ennél a hengerfajtánál különösen ügyelnünk kell arra, hogy a dugattyú mozgása épp ellentétes a csuszka mozgásával. Ez különösen a véghelyzetek beállítása esetén fontos. A másik típus a tömítőszalagos henger. Ennél a típusnál a henger házán teljes hosszában egy hasíték van. Az erőt egy szán veszi át, amely szilárdan a dugattyúhoz van rögzítve. A szán és a dugattyú közötti rögzítés kívülről van megvezetve, a hengercső hasítékával. A hasíték tömítésére egy acélszalag szolgál, amely a szennyeződésektől védi a hengert. A harmadik lehetőség a mágneses kuplungos henger. Ez a kettős működésű pneumatikus lineáris hajtás egy hengercsőből, egy dugattyúból és a henger csövén mozgatható külső csúszkából áll. A dugattyún és a csúszkán állandó mágnes van. A mozgást a dugattyúról a csúszkára a mágneses kuplung erőzárással viszi át. Mivel nincs mechanikus kapcsolat, nincs szivárgási veszteség.

14. ábra: Szalaghenger (Kép: BoschRexroth) Az ilyen hengerek hátránya, hogy a szánt kívülről ért ütés hatására megszakadhat a kapcsolat a dugattyú és a szán között. A dugattyú mozgatásával azonban ez a kapcsolat ismét könnyedén előállítható. A szokásos kettős működésű hengerekhez képest a dugattyúrúd nélküli hengerek beépítési hossza kisebb. Ez a fajta henger az extrém hosszú löketekhez alkalmazható, akár 10 m lökethosszig. Ezzel egyidejűleg azonban a külső helyigényük alig haladja meg lökethosszukat, így ezeket a hengereket gyakran szűkös helyeken alkalmazzuk. A dugattyúrúd kihajlásától nem kell félni, hiszen itt nincs dugattyúrúd, azonban hosszú hengerek esetén fennáll annak a veszélye, hogy saját súlyuk hatására elgörbülhetnek, ha csak két

25

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ végükön vannak felfüggesztve. Szükséges tehát a megfelelő alátámasztás. Mivel a dugattyúrúd nélküli hengerek dugattyújának mindkét felülete azonos nagyságú, az erő mindkét mozgási irányban azonos. Ha mindkét dugattyúfelületre nyomást kapcsolunk, a henger nem mozdul el. Bonyolultabb felépítésük, és komolyabb tömítésigényük miatt a dugattyúrúd nélküli hengerek általában drágábbak, mint közönséges társaik. Az átmenő dugattyúrudas munkahenger mindkét oldalán dugattyúrúd van. A dugattyú erőkifejtése a szimmetrikus felépítésnek megfelelően mindkét mozgásirányban azonos. A henger mozgásakor az egyik dugattyúrúd előre, míg a másik visszafut. A második dugattyúrudat használhatjuk például kapcsolók kapcsolására. Erre akkor lehet szükség, ha a másik dugattyúrúdon nincs hely a szükséges kapcsoló számára. A dugattyúrúd lehet üreges is. Átvezethetünk rajta folyadékot, például hűtőfolyadékot, de elektronos vezetékeket is, melyeket így nem a henger külső felén kell elhelyeznünk. Egy adott dugattyúátmérőhöz és adott nyomáshoz tartozó erő megnövelése érdekében tandemhengereket használunk. Ebben az esetben kettő – négy hengert kapcsolunk egymás mögé, amikoris a hátsó henger mindig az előtte levő henger dugattyújára támaszkodik. Ennek megfelelően tehát az egész csoport által kifejtett erő növekszik. Lehetséges az is, hogy két egymás mellett elhelyezkedő hengerrel együtt fejtsünk ki erőt. Ez például olyan szánok esetén használatos, ahol a henger és a vezérsín egy csoportot alkot. A két dugattyúra történő felosztás segítségével csökkenthető a szán magassága. A dugattyúrúd csavarodásának elkerülése érdekében vezérsíneket használunk. Ugyanez a hatás elérhető azonban a körtől eltérő dugattyú-keresztmetszetek segítségével is. Az ovális és a négyszögletes keresztmetszetű dugattyúk csavarodásbiztosak, valamint a nyolcszögletű keresztmetszet is biztonságos, és ekkor a dugattyú felülete, és ezáltal az erő is nagyobb, mint a kör keresztmetszetű dugattyúk esetén.

26

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos Egy további különleges hengerforma az ütőhenger. Ennél a hengernél a dugattyúlap oldali térben egy kis teret megtöltünk sűrített levegővel. Ha a henger elindul előre, ez a sűrített levegő nagyon gyorsan áramlik ki a dugattyútérbe, és a hengert nagyobb sebességgel viszi előre. A hengerek gyakran véghelyzettől véghelyzetig mozognak. Akkor, ha a löket során bizonyos pontokon köztes megállópontok akarunk létrehozni, többállású hengereket használunk. Ekkor két, különböző löketű henger dugattyúit erősítjük egymáshoz. Ha mindkét henger előre és vissza mozog, a két külső végpozíciót érik el. Ha azonban csak az egyik henger mozog előre, egy köztes pozíció idézhető elő. A két henger eltérő löketmérete miatt két különböző köztes pozíció is létrehozható.

15. ábra: Többállású henger Lehetséges az is, hogy a hengert úgy állítsuk meg valamely köztes pozícióban, hogy mindkét csonkját lezárjuk. Mivel azonban a levegő összenyomható, a dugattyúrúd, és azáltal maga a dugattyú még ekkor is mozoghat a hengerben. A dugattyúd rögzítéséhez rögzítőegységek szükségesek. Ekkor a dugattyúrúdnak valamivel hosszabbnak kell lennie, mivel át kell haladnia a rögzítőegységen. A rudat egy excenter vagy ferdén lehelyezett gyűrűk tartják. A szorítást sűrített levegővel oldhatjuk fel. Maga a szorítás is történhet sűrített levegő, vagy egy állítható rugó segítségével. A szorítóerőt úgy kell beállítani, hogy a dugattyúrúd terhelés esetén se csúszhasson el.

27

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A dugattyúrúd rögzítése mellett, mely a teljes löket tetszőleges pozíciójában lehetséges, a löketvégi pozíció rögzítése is lehetséges. Egy lefelé előrefutó henger esetén így például megakadályozható, hogy a henger nem a belső sűrített levegő nyomása, hanem valamely külső erő hatására fut előre. Ez megakadályozza tehát a nyomáskimaradás esetén esetlegesen fellépő akaratlan hengermozgást.

16. ábra: Rögzítő egység (Kép: BoschRexroth) A lineáris mozgást kivitelező hengerek mellett léteznek forgó és forgató végrehajtók is. Az egyik lehetőség, hogy a forgatóhenger két összekapcsolt egyszeri működtetésű hengerből áll, melyek ellentétes löketirányuk folytán egymást tolják vissza, de lehet a forgatóhenger egy kettősműködésű munkahenger is, melynek dugattyúrúdja meghosszabbított és fogasléccé alakított. A fogasléc egy fogaskerékhez kapcsolódik, s így az egyenesvonalú mozgás forgómozgássá alakul át a löketiránytól függően jobb- vagy bal irányban. Az szokásos elfordulás legfeljebb 360°. Mint a forgatóhenger, a lapátos henger is korlátozott szögelfordulásra alkalmas. A forgási tartomány a szükséges tömítések miatt általában max. 300°. A tömítési problémák (a lapát éle mentén), és a geometriai kötöttségek (átmérő, szélesség) kis forgatónyomaték elérését teszik lehetővé, de nagy sebességgel. A forgólapátos henger elfordulási szöge általában 90° vagy 180°. Kisebb forgási szögeket kívül elhelyezett ütközési pontok segítségével állíthatunk be. Általában szelepek és billentyűk nyitására és zárására használják őket.

28

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos A légmotor tetszőleges szögelfordulású, sűrített levegővel dolgozó végrehajtó. Egyszerű felépítésük és kis tömegük miatt a légmotorokat többnyire lapátos kivitelben készítik. Működési elvük hasonlít a lapátos kompresszor elvére. A hengeres házban a forgórészt (rotort) excentrikusan csapágyazzák. A rotor radiális irányú hornyaiban páratlan számú lapát helyezkedik el. A lapátokat a hornyok megvezetik, és a centrifugális erő nyomja őket a hengeres ház (sztátor) belső falához.

17. ábra: Forgató végrehajtás Más konstrukciónál a lapátokat a rugóerő szorítja a sztátor belső falához. A motor forgatónyomatékát a bevezetett levegő nyomása és az aktuális lapátfelület határozza meg. A forgómozgást a lapátokra ható különböző nagyságú erők hozzák létre. A forgásirány a levegőáram irányának megfordításával könnyen megfordítható. A lapátos motor kis tömege és egyszerű felépítése miatt gyakran használatos, főként kézi csiszolók és csavarozók esetén. Mint minden pneumatikus végrehajtó, a lapátos motor is túlterhelésbiztos, és terhelt állapotban is teljesen a mozgásmentes állapotig fékezhető. A forgás sebessége fokozatok nélkül állítható. A lapátos motorok azon kevés pneumatikus alkatrész közé tartoznak, melyek ma is olajozott sűrített levegővel működnek. Ma már kevésbé használatosak a radiális és az axiális dugattyús motorok, vagy a fogaskerék motorok. Ezek is mind túlterhelésbiztosak, további előnyük pedig, hogy robbanásveszélyes környezetben is használhatók. A légmotorokat pontosan ezért gyakran használják bányákban. Különösen magas fordulatszámokat turbinás légmotorokkal érhetünk el. A sűrített levegővel működő fogorvosi fúrók 400 000 fordulatot is elérhetnek percenként.

29


18. ábra: Légmotoros csiszológép (Fénykép: AtlasCapco)

30


1.6 Útszelepek A pneumatikus vezérlések jeladókból, vezérlőelemekből és végrehajtókból épülnek fel. A jeladók és vezérlőelemek határozzák meg a végrehajtó működését. Ezeket irányítóelemeknek nevezzük. Az irányítóelemek határozzák meg az áramló levegő útját, mennyiségét és nyomását. Az útszelepek olyan elemek, melyek a sűrített levegő áramlási irányát-, nyitását, zárását határozzák meg. Az elektropneumatikában az útszelepeket csak a hengerek beállítására használjuk. Az útszelepeket csatlakozásaik és lehetséges állásaik száma, valamint működési elve alapján különböztetjük meg. A csatlakozások és a lehetséges állások számát írásban egy ferde vonallal választjuk el. Példa Egy 5 csatlakozással és 2 két lehetséges állással rendelkező útszelep jelölése 5/2-útszelep. Az útszelepek szerkezeti kialakításának tervezésekor meghatározó tényezők az élettartam, a működtetéshez szükséges erő és működtetési mód, a csatlakozási lehetőség és a méretnagyság. A kapcsolási rajzokon a szelepeket jelképi jelölésekkel ábrázoljuk. A jelképek a szelep szerkezeti kialakításáról nem adnak útmutatást, csak a funkciót ábrázolják.

1.6.1 Az útszelepek jelképi ábrázolása A kapcsolási rajzokon a szelepeket jelképi jelölésekkel ábrázoljuk. A jelképek a szelep szerkezeti kialakításáról nem adnak útmutatást, csak a funkcióját ábrázolják. A szelepek kapcsolási helyzetét négyzet ábrázolja. Az egymás mellé rajzolt négyzetek száma mutatja a szelep kapcsolóállásainak számát. A négyszögek a csatlakozások számától függően lehetnek négyzetesek, vagy inkább téglalap alakúak. A pneumatikus útszelepeknek általában két vagy három lehetséges állása van, lehetséges azonban négyállású szelep is. Az ilyen szelepek megfelelnek a háromállású szelepeknek, de rendelkeznek egy további, biztonsági állással is, melybe energia-kimaradáskor maguktól átállnak. A négyzetbe rajzolt vonalak a csatornákat szemléltetik, a nyilak pedig az áramlás irányát mutatják. Az útszelepen a levegő alulról felfelé, vagy fordítva áramlik. Egyszerű, egy irányba mutató nyilak

31

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ egyirányú áramlást jeleznek. A dupla, mindkét oldalon nyílheggyel ellátott nyilak arra utalnak, hogy az útszelepen az adott helyen mindkét irányba áramolhat levegő. A lezárt csatornát a négyzetmezőben keresztvonal jelöli. Ezen a csatlakozón keresztül nem áramolhat levegő a szelepbe. A négyszögek egyikén kívül az útszelep csatlakozásait is feltüntetjük. A csatlakozásokat mindig csak egyetlen négyszöghöz rajzolhatjuk be. A pneumatikában általában kettő-öt csatlakozást használunk. Az útszelep átkapcsolását úgy jelöljük, hogy a négyszögeket jobbra vagy balra eltoljuk, míg a csatlakozások fedik egymást. A kívül jelölt csatlakozás nem tolódik el, így a négyszögektől függően más és más áramlási irány adódik. Kétállású szelepek esetén a csatlakozásokat mindig a jobb oldali, háromállású szelepek esetén a középső négyszöghöz rajzoljuk. Ez alól az egyetlen kivétel, ha a kapcsolás kiindulási állapotában működési állapotban van. Ha egy állapotban kettőnél több csatlakozó kapcsolódik egymáshoz, a nyilakat egy pont segítségével kötjük össze. Ez a pneumatikában azonban ritkán fordul elő.

19. ábra: Az útszelepek alkotóelemeinek jelölése Normális esetben a pneumatikában a szelepek egyik állapotból kapcsolnak a másikba. Léteznek azonban proporcionális szelepek is, melyek a különböző állapotok között fokozat nélkül állíthatók. Ezt az útszelep felett és alatt egy vékony vonal jelöli. A proporcionális

32

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos szelepeket mindig elektromosan vezéreljük. Négy kapcsolási állással rendelkeznek, de ritkán alkalmazzuk őket. Az útszelepekből a felesleges levegő általában közvetlenül a szabadba távozik. Ha ez egy egyszerű nyíláson keresztül történik, csőcsatlakozás nélküli kilevegőző-csatlakozóról beszélünk. Csőcsatlakozással rendelkező kilevegőző-csatlakozóról beszélünk, ha van egy menetes csatlakozó, melybe hangtompító, vagy egy másik vezeték csavarható. A csőcsatlakozás nélküli kilevegőző-csatlakozót egy közvetlenül az útszelep mellé rajzolt háromszöggel jelöljük. A csőcsatlakozással rendelkező kilevegőző-csatlakozót egy nem közvetlenül az útszelep mellé rajzolt háromszög jelöli, melyet vékony vonal köt össze a szeleppel. Ha egy hangtompító is tartozik a rendszerhez, a háromszög helyett a hangtompító jelét is rajzolhatjuk.

20. ábra: Csőcsatlakozásos és csőcsatlakozás nélküli kilevegőzőcsatlakozó

1.6.2 Útszelepek működtetése Az útszelepeket - az alkalmazási módtól függően különbözőképpen lehet működtetni. A működtetés jelét a négyzet függőleges oldala mellett jobbról és balról ábrázoljuk. A tulajdonképpeni működtetés jelét a jel bal oldalára rajzoljuk, a visszaállást pedig, melyet gyakran rugóerő okoz, a jobb oldalra. A működtetési fajtákat négy különböző osztályba soroljuk. Az első csoport a manuális működtetés. Ezek olyan szelepek, melyeket az ember maga működtet. Az ilyen szelepek általános jelölése két vízszintes vonal, melyet egy harmadik függőleges vonal zár le. A függőleges, lezáró vonalhoz rajzolt félkör nyomógombos működtetést jelöl. A kézikaros működtetést egy ferde vonal jelöli, melyen egy kis kör egy csuklót szimbolizál. A lábbal történő, pedálos működtetés ábrázolása is lehetséges. A mechanikus működtetést gépek végzik. Ez a legegyszerűbb esetben egy a szelepből kiálló tapintócsap. Görgők segítségével a szelep működtetési irányához képest keresztirányú mozgások is kihasználhatók. Egy különlegesség az egyirányban-kapcsoló görgő,

33

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ mely az útszelepet csak az egyik irányba működteti. A másik irányba a görgő oldalirányba elhajlik. Az ilyen görgő jelölésekor az erre szolgáló csuklót egy kis kör jelzi. A jobb oldalra a visszaállításhoz szükséges rugót rajzoljuk. A rugó gyakran görgőkkel van kombinálva. A kiinduló állapotukba nem önállóan visszatérő szelepek esetén gyakran használunk reteszt. A reteszt vagy a szelep mellé jobb oldalra rajzoljuk, vagy a kézikar jelölésével kombináljuk. A harmadik csoport a pneumatikus működtetésű szelepek csoportja. Ebben az esetben a szelepet sűrített levegő kapcsolja át. A sűrített levegővel való működtetést egy üres háromszög jelöli, mely a szelep irányába mutat. Egy további, háromszöget tartalmazó négyszög az elővezérlést szimbolizálja. Az elővezérlés egy erősítő, mely a pneumatikus jeleket csekély nyomás segítségével annyira felerősít, hogy a szelep biztosan átkapcsoljon.

21. ábra: Útszelepek működtetése A pneumatikusan működtetett szelepeket vagy egy rugó segítségével, vagy egy második vezérlég-csatlakozással állíthatjuk vissza a kiindulási helyzetbe. A kétállású és két vezérlég csatlakozással rendelkező szelepeket pillanatműködtetésű (impulzus) szelepeknek nevezzük. Általában a két vezérlég-csatlakozás egyenértékű. Vannak azonban olyan alkalmazások, melyek esetén követelmény, hogy az egyik csatlakozás prioritást élvezzen a másik csatlakozással szemben. Az ilyen szelepeket differenciáldugattyús impulzusszelepeknek nevezzük. A jel két oldalán található négyszögek különböző nagyságú felületeket jelölnek. A nagyobb felületre érkező nyomásjel az útszelepre nagyobb erőt fejt ki, így a másik csatlakozással

34

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos szemben ez a csatlakozás prioritást élvez, azaz ennek jele érvényesül. A szelep kiinduló helyzetbe való visszaállítása általában egy rugó segítségével történik. A visszaállítás történhet légrugóval is. Ezt egy, a jobb oldalra rajzolt háromszög jelöli, mely a szelep felé mutat. Az elektropenumatikában az útszelepeket elektromos jelekkel kapcsoljuk. Az ehhez szükséges mágneses tekercset egy ferde vonalat tartalmazó négyszög jelöli. Kisebb szelepeket közvetlenül a mágneses tekercs működtet. Nagyobb szelepek esetén a mágneses tekercs erejét egy előerősítő felerősíti. Az elővezérlés jele a mágnestekercs és a szelep jele között helyezkedik el. A sűrített levegővel történő elővezérlést egy üres háromszög jelöli. Sok útszelep esetén a sűrített levegős elővezérlést maga a szelep látja el energiával. Vannak azonban olyan alkalmazások, amikor ez nem lehetséges. Azért, hogy az elővezérlés mégis működjön, az elővezérlő-szelepet kívülről kell ellátni sűrített levegővel. Ezt jelöli a sűrített levegős elővezérlés háromszögéhez kapcsolódó, vékony vonalként jelzett további csatlakozó. Elektromosan működtetett szelepek kézi segédműködtetéssel is rendelkezhetnek, mely segítségével hibakereséskor, vagy üzembe helyezéskor elektromos áram nélkül is működtethetők. Mivel a kézi segédműködtetést az ember végzi, jele megegyezik a manuális működtetés jelével, melyet az elővezérlés jelére rajzolunk. Ugyanezt az elővezérlés nélküli szelepek esetén közvetlenül a szelep jele mellé rajzoljuk. Az elővezérlés lehet reteszelő is. Ebbe az esetben a jelen egy rovátka látható. A háromállású szelepek esetén a középső pozíciót gyakran egy rugós centírozás segítségével érhetjük el. A két rugó a szelepen jobbról és balról helyezkedik el.

1.6.3 Csatlakozások jelölése A szelepek csatlakozásait korábban betűkkel jelölték, azonban az ISO 5599 érvénybe lépése óta számjegyeket használunk. Az útszelepekhez hasonlóan minden szelepet számokkal kell jelölni. Mivel azonban a pneumatikus komponensek életciklusa nagyon

35

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ hosszú is lehet, előfordulhat, hogy találkozunk betűvel jelölt szelepekkel is. Az energiacsatlakozást az 1-es szám jelöli. A kimenő csatlakozó a 2-es, több kimenő csatlakozó esetén a következő páros szám (tehát pl. 3 kimenő csatlakozó esetén: 2, 4, 6). Hasonlóan a kilevegőzést a 3-as, több esetén a páratlan számok jelölik (tehát pl. két kilevegőző csatlakozás esetén: 3, 5). A nyilak a jelen belül a légáramlás irányát mutatják. A szelep megnevezése a vezérelt csatlakozások számának és a kapcsolási helyzetek számának függvénye. Az útszelepek megnevezésére szolgáló első számjegy a szelep által vezérelt csatlakozó nyílásokra (utakra)-, a második számjegy a meghatározott működési helyzetekre (kapcsolóállásokra) utal. Az 5/2-útszelep esetén kiindulási helyzetben a sűrített levegő mindig az 1-estől a 2-es csatlakozó felé áramlik. Ez a kapcsolóállás akkor is érvényes, ha a jobb oldalon a vezérlég-csatlakozáson nyomás van. Ezért a jobb oldali vezérlő csatlakozót 12-essel jelöljük. A baloldali vezérlőcsatlakozó az útszelepet a másik állapotba kapcsolja át. Most az 1-es energiacsatlakozás a 4-es kimenő csatlakozóval van összekötve. A bal oldali vezérlőcsatlakozót ezért 14-essel jelöljük. A 3/2-útszelep esetén a baloldali kapcsolási állapotban az energiacsatlakozás a 2-es kimentő csatlakozóval van összekötve. Itt ezért a baloldali vezérlőcsatlakozó jelölése 12. A jobboldali állásban ezzel szemben az energiacsatlakozó nem kapcsolódik semelyik másik csatlakozóhoz, így jelölése 10.

22. ábra: Csatlakozások jelölése

36


1.6.4 Útszelepek szerkezeti kialakítása Számos különböző kialakítású pneumatikus útszelep létezik, azonban két alapvető nagy csoportra oszthatjuk őket. Az ülékes szelepeknél a záróelem golyó, tányér vagy kúp. A szelepülék tömítése rugalmas tömítőelemek alkalmazásával egyszerűen megoldható. Leggyakrabban műanyagot alkalmazunk. A sűrített levegő a záróelemet a zárófelületnek nyomja. A tömítés kopása során a záróelem egyre inkább a zárófelület felé nyomódik. Az ülékes szelepek ezért nagyon jól tömítenek, azonban a szelep kapcsolásához a rugóerő, továbbá a tápnyomásból adódó nyomóerő ellenében jelentős működtető erőre van szükség. A nyitott és a zárt alaphelyzet előidézéséhez a működési nyomás hatása miatt különböző szelepkonstrukciók szükségesek. A kapcsolási idő rövid, kis elmozdulással nagy átömlő keresztmetszet nyitására képesek. Az egyszerű konstrukciók nem átlapolásmentesek, azaz az átkapcsolás alatt a sűrített levegő egy része rövid ideig a légtelenítő nyílás felé áramlik. Az ülékes szelepek relatív kis méretűek. Mindenek előtt kis térfogatáramok esetén használjuk őket, például jeladók esetén. Számos különleges típus létezik, melyek az ülékes szelepek egyegy hátrányát küszöbölik ki.

23. ábra: Ülékes szelep (Kép: BoschRexroth) Tolattyús szelepeknél az egyes csatlakozások kapcsolatát körtolattyúk, síktolattyúk vagy forgótányéros síktolattyúk biztosítják. Általában két vagy három kapcsolási állás lehetséges. A körtolattyús szelepeknél sokszor gondot okoz a megfelelő tömítés megoldása. A

37

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ hidraulikában alkalmazott fém-fém tömítés a tolattyú nagyon pontos illesztését teszi szükségessé a szelepház furatában. Ennélfogva a tolattyú és a ház közötti hézag pneumatikus szelepeknél sem lehet nagy, különben nagy lesz a résveszteség. Másik lehetőség, hogy a tömítést a tolattyúkba épített gyűrűkkel, kettős ajakos tömítésekkel, vagy a házban rögzített gyűrűkkel oldják meg. Az acél tolattyús útszelepek élettartama nagyon hosszú. Az olyan útszelepek esetén, melyeket nem rugóval helyezünk vissza az alapállapotba, a súrlódást tömítőgyűrűk segítségével megnövelik, hogy elkerüljük a szelep akaratlan önálló átkapcsolását. Az acél tolattyús útszelepek előállítási költsége a megkövetelt nagy gyártási pontosságok miatt magasabb, mint más tolattyús szelepeké. A fém tömítés miatt előfordulhat, hogy a lezárt csatlakozóhoz is kerülhet kisebb mennyiségű sűrített levegő. Gyakran használunk rugalmas tömítőgyűrűs tolattyús szelepeket. Ezeket a szelepeket gyártáskor a teljes élettartamra elegendő zsírozással látják el, tehát olajozatlan sűrített levegővel működtethetők. A nem tiszta sűrített levegő a rugalmas tömítéssel ellátott tolattyús szelepek esetén a tömítőgyűrűk kopását okozza. Ezért feltétlenül ügyelni kell arra, hogy a sűrített levegő megfeleljen a szelep követelményeinek. A sűrített levegőben található por különösen a modern, kis tömítőgyűrűkkel ellátott szelepeknél okoz komoly élettartam-csökkenést.

24. ábra: Tolattyús szelep (Kép: BoschRexroth) A tolattyús szelepek a konstrukcióból adódóan átlapolásmentesek. A tolattyúnak relatív hosszú utat kell megtennie, hogy a különböző csatlakozásokat egymással összekösse, vagy egymástól elválassza. Azonban lassú működtetéskor a csatlakozások is csak lassan szabadulnak fel.

38


A tolattyús szelepek működtetéséhez nagyon kis erő szükséges, mely nyomásfüggetlen. Rugóval az alapállapotba visszahelyezett szelepek esetén mindenek előtt a rugó erejét kell legyőzni. Rugó nélküli szelepek esetén mindössze a súrlódást kell legyőzni. A tolattyús szelepek csatlakozóik felcserélésével használhatók nyitott vagy zárt alapállapotú szelepként is.

1.6.5 Útszelepek fajtái A szelep megnevezése a vezérelt csatlakozások számának és a kapcsolási helyzetek számának függvénye. Az útszelepek megnevezésére szolgáló első számjegy a szelep által vezérelt csatlakozó nyílásokra (utakra)-, a második számjegy a meghatározott működési helyzetekre (kapcsolóállásokra) utal. Az egyik legegyszerűbb útszelep a 2/2-útszelep. Az ilyen szelepek alapállapota általában zárt. A működtetéskor felszabadul az út a bemenettől a kimenetig. A visszaállítás egy rugó segítségével történik. A legtöbb 2/2-útszelep ülékes szelep, melyek tömítéséről egy golyó vagy egy tányér gondoskodik. Ezek az ülékes szelepek nem működtetett állapotukban visszacsapó-szelepként üzemelnek. Ezért rajzolunk néha a 2/2útszelep jelének zárt állapotot jelző négyszögébe a két lezárás helyett egy visszacsapó szelepet. A 3/2-es útszelepeket egyszeres működésű munkahengerekhez, vagy más útszelepek vezérléséhez alkalmazzák. Alapállapotukban zárt szelepek, melyek működtetésekor a sűrített levegő a hengerhez áramlik, és elmozdítja azt. Ha a 3/2-útszelepet már nem működtetjük, a sűrített levegő a hengerből visszaáramlik az útszelephez, majd azon keresztül a légtelenítő nyíláson át kiáramlik a szabadba. A 3/2-útszelepeket gyakran használják jeladó tagként. A henger helyett ebben az esetben egy pneumatikus működtetésű útszelep vezérlő csatalakozójára kerül nyomás. Így kis 3/2-útszelepek segítségével nagy szelepeket is működtethetünk, illetve a két szelep közötti nagyobb térbeli távolság sem probléma. A főszelep vezérlő csatlakozóihoz vezető vezetékeket vezérlő vezetékeknek nevezzük. A kapcsolási rajzban ezeket a vezérlő vezetékeket szaggatott vonallal jelöljük. Hosszuk nem haladhatja meg a 10 m-t.

39


A 3/2-útszelepek lehetnek ülékes, vagy tolattyús szelepek. Egy különleges forma a kézi működtetésű tolattyús szelep, melyekkel a sűrített levegőt kézzel kapcsolhatjuk. Ehhez egy csődarabon egy perselyt tolunk el. A kapcsolási állástól függően a két csatlakozó egy áramlási csatornán keresztül kapcsolódik egymáshoz, vagy a sűrített levegő bemenet zárt, a másik csatlakozó pedig az elkerülő csatlakozóhoz csatlakozik. Az ilyen kézi működtetésű tolattyús szelepeket főleg a sűrített levegő bekapcsolására használjuk. Nincs kiálló kallantyújuk, és lekapcsoláskor légtelenítik a berendezést.

25. ábra: Kézi működtetésű tolattyús szelep (Kép: BoschRexroth) A kettősműködésű, azaz két energiacsatlakozóval rendelkező hengerek vezérléséhez két kimenő csatlakozóval rendelkező szelepre van szükség. A 4/2-útszelep esetén a két kimenő csatlakozó egyike mindig átmenő. Az útszelep átkapcsolásakor a másik kimenet kerül nyomás alá. A 4/2-útszelepeknek egy közös légtelenítő nyílása van. Az ilyen szelepek gyakran ülékes szelepek. Alapjában véve egy 4/2-es útszelep két 3/2 szelepből építhető fel, melyek egyike alapállapotban nyitott, a másik pedig alapállapotban zárt. A 4/2-es útszelepeknél biztosított, hogy a két alkotószelep egyidejűleg kapcsoljon át. Felismerhető, hogy a kettősműködésű hengereket két 3/2útszeleppel is vezérelhetjük. A két szelep egyidejű kapcsolása miatt a hengert ugyanúgy vezérlik, mint egy 4/2-útszelep. Egy kettősműködésű henger két 3/2-útszeleppel való vezérlése esetén létezik még két további kapcsolási lehetőség. Vagy mindkét 3/2-útszelep nyomás alatt van, ekkor egy normális kettősműködésű henger a különböző méretű dugattyúfelületek miatt előrefut.

40

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos De lehet mindkét 3/2-útszelep nyomásmentes állapotban is. A henger ebben az esetben szabadon mozoghat. Bizonyos speciális kapcsolások esetén ezt a lehetőséget is kihasználják. A pneumatikus 4/2-útszelepek konstrukciójukból kifolyólag gyakran ülékes szelepek. Mivel működtetésükhöz nagyobb erő szükséges, a pneumatikában ritkán alkalmazzák őket.

26. ábra: 4/2 útszelep (Kép: BoschRexroth) A pneumatikában a kettősműködésű hengerek vezérlésére főleg 5/2-útszelepeket használnak. Ezek a szelepek tolattyús szelepek, és két légtelenítő nyílással rendelkeznek. Vannak olyan szelepek is, melyeknél a két légtelenítő nyílás külön fojtható. Mint a többi útszelepet, az 5/2-útszelepet is rugó állítja vissza alapállapotába. Ezeket a szelepeket nevezik monostabil útszelepeknek is. Léteznek azonban olyan útszelepek is, melyek mindkét kapcsolási állapotukban stabilak. Ezeket a bistabil útszelepeket a pneumatikában impulzusszelepeknek nevezzük, mivel a szelep átkapcsolásához elég egy rövid impulzus a két csatlakozó valamelyikén.

27. ábra: 5/2-útszelep (Kép: BoschRexroth) Az impulzusszelepeknek nincs meghatározott alapállapota. Abban a pozícióban maradnak, melybe utoljára kapcsolták őket, ezért gyakran pneumatikus memóriának is nevezik őket.

41

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Sok pneumatikus vezérlés esetén fontos, hogy a jeleket impulzusszelepekben tudjuk tárolni. Ezért az impulzusszelepeket nem csak a hengerek közvetlen vezérlésére, hanem magában a vezérlésben is használják. Mivel a vezérlésben inkább kisebb térfogati áramokat kell kapcsolni, elsősorban kis impulzusszelepeket használnak. Az impulzusszelepek azonban a sűrített levegő bekapcsolásakor állhatnak olyan pozícióban is, hogy a henger azonnal előrefut. Ezért mindenek előtt nagyobb vezérlések esetén szükség lehet arra, hogy a hengerekre eső nyomás bekapcsolása előtt egy visszaállító impulzus segítségével az impulzusszelepeket a kívánt kiinduló helyzetbe hozzuk. Általában az impulzusszelepek dugattyújának két felülete megegyező nagyságú, ezért problémák léphetnek fel, ha az impulzusszelep mindkét vezérlőcsatlakozóján egyidejűleg van nyomás. Ebben az esetben az impulzusszelep nem tud átkapcsolni. Azt az állapotot, amikor egy impulzusszelep mindkét vezérlő csatlakozóján jel van, jelátfedésnek nevezzük. Ezt az állapotot megfelelő vezérléssel el kell kerülni. Használhatunk azonban olyan impulzusszelepeket is, melyek dugattyújának két felülete eltérő méretű. Ebben az esetben a nagyobb felületre érkező jel élvez prioritást. Az eltérő dugattyúméretű impulzusszelepeket differenciáldugattyús szelepeknek nevezzük. Ilyen szelepeket általában csak pneumatikusan vezérelt impulzusszelepek esetén használunk. A pneumatikusan működtetett és rugós visszaállítású szelepek esetén ügyelni kell arra, hogy a vezérlő csatalakozón eső nyomás elég nagy legyen ahhoz, hogy a szelepet a rugóerő ellenében is át tudja kapcsolni. A légrugós visszaállítású útszelepek esetén a légrugó ereje az üzemi nyomástól függ. Ebben az esetben a minimális vezérlő nyomás is az üzemi nyomás függvénye. Az 5/2-útszelepek esetén a két kimenő csatlakozó egyikén mindig van nyomás. Ha egy henger a vezérlés kiindulási állapotában már előrefutott állapotban kell, hogy legyen, elég, ha megcseréljük a két kimenetet. Az 5/2-útszelep esetén a kimeneteket a nyitott és a zárt alapállapot alapján nem különböztetjük meg. Az 5/2-útszelepeket egyszeri működésű hengerek vezérlésére is használhatjuk. Ebben az esetben a szelep egyik kimenetét

42

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos egyszerűen dugóval elzárjuk, a másikat pedig a hengerhez csatlakoztatjuk. Így helyettesíthetünk egy 3/2-útszelepet. Az elektropneumatikában is rugós visszaállítású 5/2-útszelepeket vagy impulzusszelepeket használunk. A szelepek egy vagy két mágnestekerccsel rendelkeznek, bár a két tekercses szelepek már igen drágák. Mivel az elektropneumatikában a jelek tárolása inkább a vezérlés elektromos részében történik, az ilyen vezérléseknél főleg rugós visszatérítésű szelepeket használnak. Az impulzusszelepeknek csak akkor jut szerep, ha a szelepnek az elektromos energia kimaradása esetén is meg kell tartania állapotát. Ilyen eset például, ha bizonyos munkadarabokat szelepek segítségével fogunk be. Az elektromosan vezérelt impulzusszelepek esetén is létezik a jelátfedés problematikája, melyet az elektromos vezérlés kialakításakor figyelembe kell venni. Az 5/3-útszelepek az 5/2-útszelepekhez képest egy további középső állapottal rendelkeznek. A pneumatikus vagy elektromos 5/3útszelepek esetén ezt a középső állást két rugó segítségével lehet kialakítani. Csak a kézikaros működtetésű 5/3-útszelep esetén lehetséges az egyes állapotok reteszelése.

28. ábra: 5/3-útszelep (Kép: BoschRexroth) Az 5/3-útszelep két külső állapota megfelel az 5/2-útszelep két kapcsolási állapotának. A középső állapotot pedig például olyan esetekben használják, ha a henger mozgásának megállítása érdekében mindkét kimenő csatlakozót nyomásmentes állapotba kell kapcsolni. Az 5/3-útszelepek esetén három különböző középállás használatos. Gyakran használják a lezárt középállapotot, amikor mind az 5

43

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ csatlakozó egymáshoz képest zárt állapotban van. Ebben az állapotban lehetséges a henger lökete során annak a véghelyzetektől eltérő helyzetben történő megállítása. Egy másik középállás mindkét kimenő csatlakozót lelevegőzi, mégpedig úgy, hogy összekapcsolja őket a légtelenítő nyílással. Ekkor a henger nyomásmentes állapotban van, és szabadon mozoghat. A harmadik lehetséges középállás a két kimenő csatalakozóra egyidejűleg kapcsolja rá a teljes nyomást. Egy dugattyúrudas henger ebben az esetben kis erővel előrefut. Egyenlő dugattyúfelületű hengerek, pl. szalaghengerek vagy átmenő dugattyúrudas hengerek azonban nem mozdulnak, viszont mindkét dugattyúterükön nyomás van. Vannak olyan sorozatok, melyek már csak zárt középállású 5/3útszelepet tartalmaznak. Ebben az esetben a másik két középállást két 3/2-útszelep segítségével lehet létrehozni.

29. ábra: Az 5/3-útszelepek középállásai

44


1.6.6 Útszelepek elővezérlése Nagy szelepek esetén a kis működtető erő elérése érdekében célszerű elővezérlést alkalmazni. Az elővezérlés a kis működtető erőt annyira felerősíti, hogy az nagy szelepeket is át tud kapcsolni. Elővezérléssel találkozhatunk mechanikus működtetésű szelepeknél is, de főként elektromos úton működtetett szelepek esetén használják, ekkor ugyanis elég kisebb mágneses tekercseket használni. A kisebb mágnestekercsek energiafelhasználása kisebb, és kevesebb hulladékhő keletkezik. Az elővezérlő szelep egy kis 3/2-útszelep, melynek kimeneti csatlakozója közvetlenül a főszelep vezérlő csatlakozójához kapcsolódik. Ha az elővezérlő szelepet működtetjük, annak nyomása a főszelepre hat, melyet magával együtt átkapcsol. Az elővezérlő szelep működtetéséhez szükséges sűrített levegőt a főszelep energiaellátó csatornájából egy keskeny csatornán keresztül vesszük ki. Ezért a főszelep átkapcsolása szempontjából feltétlenül szükséges, hogy az energiaellátás üzemeljen, azaz nyomás legyen a rendszeren.

30. ábra: Elővezérelt útszelep (Kép: BoschRexroth) Az olyan szelepeket, melyek a főszelep energiaellátásból választják le a saját működésükhöz szükséges energiát, önvezérelt szelepeknek nevezzük. Mivel a főszelep átkapcsolásához egy bizonyos minimális nyomásnak kell lennie a rendszeren, az önvezérelt szelepekkel nem kapcsolhatunk kis nyomást, vagy vákuumot a főszelepre.

45

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Idegen vezérlésű szelepek esetén az elővezérlő szelep kívülről, független forrásból kapja a működéséhez szükséges sűrített levegőt, azaz az elővezérlő szelep kimeneti nyomása független a főszelepen eső nyomástól. Így a szelep akkor is átkapcsolható, ha a főszelep energiacsatlakozóján nincs nyomás. Kis nyomások vagy vákuum kapcsolása is lehetséges. Az elővezérlő szelep jelében a külső energiaellátást egy kis, a külső csatlakozót szimbolizáló vonal jelöli. Leggyakrabban azonban önvezérelt szelepeket használunk. Vannak olyan szelepek is, melyeknél lehetséges az elővezérlő szelep energiaellátásának átépítése is. Az ilyen átépítést azonban alaposan kell dokumentálni, hogy még évekkel később, egy esetleges szelepcsere esetén is ismert legyen az átépítés ténye és módja.

31. ábra: Idegenvezérlésű útszelep (Kép: BoschRexroth)

46


1.6.7 Szelephordozó rendszerek Az útszelepek egy adott berendezésben történő elrendezésekor két egymásnak ellentmondó szempont alapján igyekszünk azt végrehajtani: egyrészt az útszelepek legyenek közel a hengerhez, melyet vezérelnek. Ezzel csökken a szükséges vezetékek hossza. Mivel minden löketkor levegővel telítjük a hengerhez vezető vezetékeket, majd leürítjük azokat, rövid vezetékekkel sűrített levegőt spórolunk meg. Azonban a szelepeket gyakran központilag, egymáshoz közel helyezzük el. Ez a karbantartás és hibakeresés szempontjából előnyös. Ekkor azonban hosszabb vezetékekre van szükség. A szelepeket a szelepszigetek kialakításakor először egy alaplapra szereljük, melynek egy központi sűrített levegő bemenete, és egy kimenete van. Így az egész sziget energiaellátása megoldott, a kilépő levegő pedig egy közös hangtompítón keresztül távozik a szabadba. A mágnestekercsek elektromos vezetékei egy elosztóhoz vezetnek, melytől egy nagyobb vezeték megy a kapcsolószekrényhez.

32. ábra: Szelephordozó Az alaplap lehetővé teszi, hogy a sok szelephez csak egy sűrített levegő csatlakozásra van szükség. Ez lerövidíti a szerelési időt, és könnyebben cserélhető.

47

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Egy szelepsziget bővítéséhez vagy további alaplapokra van szükség, vagy a szigetet már eleve szabad tartalék helyekkel tervezték. A szabad helyeket zárólapok zárják le. A szelepszigeteken használatos szelepeket két nagy csoportra oszthatjuk: a csőcsatlakozós és lapcsatlakozós szelepekre. A lapcsatlakozós szelepek esetén a szelep minden csatlakozója lefelé, az alaplap felé mutat. A szelepet így leszerelhetjük anélkül, hogy a vezetékeket le kellene szerelnünk. A csőcsatlakozós szelepeknél a kimenő csatlakozók a szelepből felfelé távoznak. A szelep leszerelése előtt tehát le kell szerelnünk a vezetékeket, majd később újra fel is kell őket szerelnünk. Mivel azonban az ilyen szelepek esetén a csővezetékben a sűrített levegőt nem kell irányváltoztatásra kényszeríteni, azonos méret mellett az ilyen szelepek nagyobb nyomást hordoznak, mint a lapcsatlakozós szelepek.

33. ábra: Szelepsziget lapcsatlakozós szelepekkel Modern szelepsziget-rendszerek esetén nem csak a sűrítettlevegőcsatlakozók közösek, hanem a mágnestekercsek elektromos csatlakozói is. Ez tovább rövidíti a szelepek fel- és leszereléséhez szükséges időt. A szelepsziget oldalán a mágnestekercsek kontaktusai egy sokpólusú csatalakozóval vannak összekötve. Ezt már egyszerűen összekapcsolhatjuk a kapcsolószekrénnyel.

48

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos A sokpólusú csatlakozó helyett lehetséges a buszrendszerek használata is. A rendszer így közvetlenül, egy digitális jel segítségével összekapcsolható egy SPS-sel. A szelepszigetet feloszthatjuk különböző nyomástartományokra. Ekkor a nyomásellátást elválasztó-alkatrészekkel szakítjuk meg. A szigetet ekkor két oldalról két különböző nyomással láthatjuk el. Ha három különböző nyomást akarunk használni, a középső részen egy szelep helyett egy bementi lapot kell használnunk, mely lehetővé teszi a felülről történő energiaellátást. Ilyen bemeneti lapot használunk akkor is, ha a szelephordozót egyszerre nagy mennyiségű sűrített levegővel kell ellátni, vagy ha gyors lelevegőzésre van szükség.

34. ábra: Szelepsziget csőcsatlakozós szelepekkel

1.7 Zárószelepek A zárószelepek olyan irányítóelemek, melyek az áramlást egyik irányban átengedik, másik irányban pedig közel zérus résveszteséggel zárják. Részben más szelepekkel kombinálva használjuk őket.

1.7.1 Visszacsapó-szelepek A visszacsapó szelepek az áramlást egyik irányban lezárják, másik irányban kismértékű nyomáseséssel átengedik. A záróelem kúp, golyó, síklap vagy membrán, melyet általában rugó feszít fészkébe.

49

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Ennek következményeképpen a rugós visszacsapó-szelep akkor is zárva van, ha a rendszeren nincs nyomás. Az egyszerű visszacsapó-szelep két csatalakozással rendelkezik, a levegőt pedig csak az egyik irányban ereszti át. Léteznek azonban nyitható visszacsapó-szelepek is. Ezek rendelkeznek egy harmadik csatlakozással is, melyre vezérlő levegő csatlakoztatható. Ha ezen a csatlakozón nyomás van, a visszacsapó-szelep záróirányában is nyitva van. Nyitható visszacsapó-szelepeket használunk például akkor, ha biztosítani akarjuk, hogy a nyomás alatt álló hengerek egy vezetéktörés esetén se fussanak hirtelen vissza. Speciális, becsavarozható változataikat közvetlenül a hengerbe lehet becsavarni, hogy a henger és a nyitható visszacsapó-szelep között ne legyen vezeték. Így a henger csak akkor futhat vissza, ha a nyitható visszacsapó-szelep vezérlő csatlakozójára nyomás kerül.

1.7.2 Gyorslégtelenítő szelepek A gyorskilevegőző szelepeket a dugattyúsebesség növeléséhez alkalmazzák. Célszerű a gyorslégtelenítő szelepet közvetlenül a henger csatlakozójának közelében elhelyezni. A legjobb hatás azzal érhető el, ha közvetlenül a henger csatlakozójába csavarjuk őket. Ha a bemeneten nyomás van, azaz a hengerhez sűrített levegő áramlik, a mozgó tömítés zárja a kilevegőző csatlakozót, és a levegő az kimenet felé áramlik. Ha a bemeneten a nyomás megszűnik, a kimenet felől történő kiáramlás – a tömítőelem közvetítésével – zárja a bemeneti csatlakozást és a levegő a kilevegőző nyílás felé áramlik.

35. ábra: Gyorslégtelenítő szelep (Kép: BoschRexroth)

50

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos Mivel ekkor a sűrített levegőnek nem az útszelepen keresztül kell távoznia, a hengerteret sokkal gyorsabban tudja elhagyni, azaz nő a dugattyúsebesség. A hirtelen lelevegőzést erős hanghatás kíséri, gyorslégtelenítő szelepeket hangtompítóval látják el.

ezért

a

1.7.3 Váltószelepek A váltószelepnek két egyenértékű bemenete és egy kimenete van. A váltószelepet VAGY-elemnek is nevezik, mivel VAGY logikai funkciót realizál. Ha az egyik bemenetre nyomás kerül, a záróelem (golyó) zárja a másik bemenetet, és a levegő a kimenethez áramlik. Ez megakadályozza, hogy az egyik bemeneten beáramló levegő a másikon kiáramoljon. Ha mindkét bemeneten nyomás van, a záróelem helyzete definiálatlan, a kimeneten azonban van nyomás. Ez a viselkedés a logikai VAGY-nak felel meg. Ha a két bemeneten különböző nagyságú nyomás van, a nagyobb nyomás érvényesül. Váltószelepekből többet is egymás után kapcsolhatunk, hogy több jelet is össze tudjunk kapcsolni egymással. A váltószelepeknek nincs légtelenítő csatlakozójuk. Egy jel kikapcsolása után annak nyomását a megfelelő útszelepen keresztül kell leépíteni.

36. ábra: Váltószelep (Kép: BoschRexroth)

51


1.7.4 Kétnyomású szelep A kétnyomású szelepnek szintén két egyenértékű bemenete és egy kimenete van. A kétnyomású szelepet ÉS-elemnek is nevezik, mivel ÉS logikai funkciót realizál. Ha az egyik bemenetre nyomás kerül, a záróelem (golyó) zárja a szelepet. Ha a másik bemenetre kerül nyomás, a szelep átkapcsol, és ezt a bemenetet zárja. Csak ha egyidejűleg mindkét bemeneten nyomás van, áramolhat a levegő a kimenet felé. Ez a viselkedés a logikai ÉS-nek felel meg. Az ÉS-funkció nem biztonsági funkció, mint azt a sajtológép működéséből ismerhetjük. Ott kétkezes biztonsági kapcsolás szükséges, melynél két gombot kell egy másodpercen belül megnyomni. A kétnyomású szelep jelek közötti logikai kapcsolat kialakítására használatos. Ha a kétnyomású szelep két bemenetén különböző nagyságú nyomás van, a kisebb nyomás érvényesül. Ez mindenekelőtt akkor okozhat problémát, ha több jelet kapcsolunk össze, és így a jelek közül csak a legkisebb nyomással rendelkező érvényesül. Ezért két (vagy több) különböző nagyságú nyomás esetén a jelek összekapcsolásához használjunk pneumatikusan működtetett 3/2útszelepet. A kisebb jel ekkor a szelep átkapcsolását okozza, miközben a nagyobb jel pedig a szelep átkapcsolása után kerül a kimenetre.

37. ábra: Kétnyomású szelep (Kép: BoschRexroth)

52

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos Ha kétnyomású szeleppel impulzusszelepet vezérlünk, sokszor már az a nagyon kis nyomás is elég a szelep átkapcsolásához, ami a kétnyomású szelep átkapcsolásakor a tömítésen keresztül áramlik. Ilyen esetekben használjunk kicsi és mindenek előtt gyorsan kapcsoló kétnyomású szelepeket.

1.8 Fojtószelepek A fojtószelepek (áramirányítók) az átáramló levegő mennyiségét, és ezáltal a pneumatikus végrehajtók sebességét befolyásolják. Ez az áramlási keresztmetszetbe épített fokozatnélküli szűkítéssel valósítható meg. A fojtóknak két csatlakozása van. Beépíthetők a vezetékekbe, vagy közvetlenül a szelepek csatlakozásának menetébe is. A fojtás mértéke a két esetben megegyezik. Két légtelenítő nyílással rendelkező útszelepek esetén a két kimenet két fojtó segítségével egymástól függetlenül befolyásolható. A henger sebessége így tehát a két irányba különböző lehet. Vannak olyan útszelepek is, ahol a fojtók már gyárilag be vannak építve a légtelenítőnyílásba. Az alkatrész jele egy fojtó egy négyszögben. Két egymás felé hajló ív jelzi a szűkítést. A jelen átmenő nyíl az alkatrész állíthatóságát szimbolizálja.

1.8.1 Fojtó-visszacsapószelep Kettősműködésű munkahengerek sebességvezérlésekor a fojtóvisszacsapó szelepeket közvetlenül a henger közelébe célszerű telepíteni, mivel különben a vezetékek további térfogatként hatnak. A leghatékonyabb megoldás, ha a fojtókat közvetlenül a hengerek energiaellátó csatlakozójába csavarjuk be. Ahhoz, hogy a fojtás csak egy irányba hasson, a fojtó mellé, azzal párhuzamosan egy visszacsapó-szelepet is be kell építenünk. A fojtó-visszacsapó szelepeket munkahengerek dugattyúmozgásának sebességvezérlésére használják. Fojtóvisszacsapó szelepnél az átáramló levegőmennyiség befolyásolása csak az egyik áramlási irányban lehetséges, ugyanis ekkor a visszacsapó-szelep lezár és az átáramlás csak a beállított fojtókeresztmetszeten történhet. Ellenkező áramlási iránynál a visszacsapó-szelep nyit, az átáramlás szabaddá válik.

53

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A fojtó-visszacsapószelep jele egy fojtó és egy visszacsapó-szelep jele, melyet pont-vonal vesz körül. Ez arra utal, hogy a két alkotóelem egy alkatrész. A fojtás általában az 1-es csatlakozó felől a 2-es csatlakozó felé irányul. Alapvetően két lehetséges fojtástípus létezik. A beáramló levegő fojtásakor (primer fojtás) a fojtó-visszacsapószelep fojtása a munkahengerbe beáramló levegőmennyiséget befolyásolja. A kiáramló levegő a visszacsapó szelepen szabadon áramlik át. Ez a sebességvezérlési mód a terhelésváltozásokra érzékeny, már a legkisebb változásnál is (pl. a dugattyú egy helyzetkapcsolón halad keresztül) jelentős sebességingadozás jöhet létre. Ezen kívül előfordulhat a slick-slip hatásként ismert „rángatás”. Ez azt jelenti, hogy a henger egy darabon előrefut, majd megáll, amíg ismét elegendő sűrített levegő áramlik a hengertérbe. Emiatt a bemenőági fojtást főleg egyszeres működésű, kis térfogatú munkahengereknél alkalmazzák, melyeknél a rángatást a visszaállító rugó némileg ellensúlyozza. A kiáramló levegő fojtása (szekunder fojtás) esetén a levegő szabadon áramlik a hengertérbe, a fojtás a kiáramló levegőmennyiséget befolyásolja. Ily módon mindkét hengertérben megnő a nyomás (az előbbi esethez viszonyítva), mely a dugattyú merevségét fokozza. A fojtóvisszacsapó szelepnek ez a beépítése kevésbé terhelésérzékeny, és rángatásmentes sebességvezérlést biztosít. Az egyenletesebb mozgás miatt általában a kimenő levegő fojtását alkalmazzuk. A légtelenítő oldalon a fojtás megvalósításához csak nagyon kis hengerek és rövid lökettávolságok esetén nem tud elég nyomás felépülni.

38. ábra: Fojtó-visszacsapószelep (Kép: BoschRexroth)

54


A fojtó-visszacsapószelepek becsavarható típusai esetén ügyelnünk kell arra, hogy a fojtás iránya megfeleljen a fojtás típusának. Mivel a becsavarható változatoknál a csatlakozók nem felcserélhetők, a bemenő és a kimenő levegő fojtásához különböző típusok léteznek. Egy kettősműködésű hengeren soha nem szabad egyszerre alkalmazni a bemenő és a kimenő levegő fojtását, mivel ebben az esetben mindkét fojtó azonos irányba hatna, az ellenkező irány pedig fojtatlan lenne.

1.9 Nyomásirányítók A nyomásirányítók a sűrített levegő nyomását, és ezzel a pneumatikus végrehajtók erejét befolyásolják. Ebbe a csoportba tartozik a nyomásszabályozó szelep is, mely minden előkészítőegységben megtalálható, és a teljes berendezés nyomását állítja be. Ha a berendezés egyes részeit a többinél alacsonyabb nyomással akarjuk működtetni, a nyomásszabályozó szelepeket egyenként is alkalmazhatjuk. A nyomásszabályozó szelepek funkciójukat tekintve nyomáscsökkentő szelepek. Feladatuk a hálózati nyomás ingadozásától független, stabil tápnyomás biztosítása a pneumatikus hengerek és vezérlőelemek számára. A bemenőnyomásnak mindig nagyobbnak kell lennie, mint a kimenőnyomásnak. A nyomáscsökkentő szelepeket a pneumatikában energiamegtakarításra is használják. Különösen nagytérfogatú kettősműködésű hengerek esetén nincs mindig szükség arra, hogy a henger mindkét irányba a teljes lehetséges erőt fejtse ki. Gyakran a hengernek ugyan nagy erővel kell előrefutnia, a visszafutáshoz azonban csak kis erő szükséges. Ebben az esetben a nyomáscsökkentő szelep segítségével a visszafutáshoz szükséges nyomás csökkenthető. Mivel a hengert ekkor alacsonyabb nyomású sűrített levegő tölti ki, a fogyasztása is alacsonyabb. A nyomáscsökkentő szelepek azonban csak egy irányban tesznek lehetővé áramlást, ezért az ellentétes irányú áramlás létrehozása érdekében a nyomáscsökkentő szeleppel egy visszacsapó-szelepet kell párhuzamosan kapcsolni. A nyomáshatároló szelepeket elsősorban, mint biztonsági szelepeket (túlnyomás szelepeket) alkalmazzák. Ezek meggátolják, hogy a nyomás a rendszerben meghaladjon egy előre beállított

55

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ értéket. Ha a szelep bemenetén a nyomás elérte a beállított értéket, akkor az kinyit, és a levegő rajta keresztül a szabadba áramlik. A szelep addig marad nyitva, míg a beépített rugó beállított rugóereje a nyomásból adódó erővel szemben azt le nem zárja. A nyomáskapcsoló működési elve megfelel a nyomáshatároló szelepnél elmondottaknak. A beállított rugóerőnél nagyobb vezérlőnyomás esetén a szelep kinyit. A nyomáskapcsoló szelepeket olyan pneumatikus vezérlésekben alkalmazzák, ahol a kapcsoláshoz meghatározott nyomás eléréséhez van szükség (nyomásfüggő vezérlések). Az elektropneumatikában ezt a feladatot a nyomáskapcsolók veszik át. A nyomás egy membránra hat, mely egy állítható rugót nyom. Ha elérjük a szükséges nyomást, a membrán egy kis kontaktust kapcsol, mely elektromos jelet ad. A nyomáskapcsolókat ezért P/Eátalakítónak is nevezik.

39. ábra: Nyomásirányító szelep (Kép: BoschRexroth)

1.10 További szelepek Időfüggő vezérlések esetén pneumatikus időtagot használunk. Tisztán pneumatikus vezérlések esetén a pneumatikus időszelep 3/2-es rugós alaphelyzetű útszelepet, fojtó-visszacsapó szelepet továbbá légtartályt tartalmaz. Mivel ezek az elemek egy alkatrészt alkotnak, jelüket pont-vonal veszi körül. Ha a vezérlő levegő csatlakozójára nyomás kerül, a vezérlő levegő áthalad egy fojtó-visszacsapó szelepen, melynek fojtókeresztmetszet beállításától függően időegység alatt több, vagy

56

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos kevesebb levegő áramlik a légtartályba. Amikor a légtartályban a rugóerővel szemben létrejön a szükséges levegőnyomás, az útszelep átkapcsol, az időtag pedig jelet ad a kimenetre. A késleltetési idő a légtartályban a kapcsolónyomás eléréséig eltelt nyomásnövekedési idő. Az időtag használható jelek lekapcsolásához is. A szelep ugyancsak 3/2-es rugós alaphelyzetű útszelepet, fojtó-visszacsapó szelepet, valamint légtartályt tartalmaz. A 3/2-es útszelep nyitott alaphelyzetű. A beállított idő elteltével az útszelep megszünteti az összeköttetést a vezérlég csatlakozó és a kimenet között. Az időtartam a fojtócsavar segítségével állítható, a késleltetési idő általában 0-30 másodperc lehet, mely kiegészítő légtartály beépítésével meghosszabbítható. A légtartályhoz manométer csatlakoztatható, mely segítségével követhetjük a nyomás növekedését. Ez elsősorban üzembe helyezéskor és hibakereséskor hasznos. A pneumatikus időtagok pontossága éppen csak kielégítő. Ha hosszabb késleltetési időre vagy nagyobb pontosságra van szükség, pneumatikus-mechanikus időtagot használunk, melyek mechanikus rotorrendszert tartalmaznak. A késleltetési idő elteltével az időtag egy sűrített levegő impulzust bocsát ki. Az idő teltét egy analóg kijelzőn követhetjük. Hasonlóan működnek a pneumatikus számlálók is. Itt a pneumatikus impulzusokat egy mechanikus számláló összeadja és továbbítja a kijelző felé. Az elektropneumatikában az időbeli vezérléshez időreléket használunk. SPS használatakor az időket és a számlálókat közvetlenül a vezérlőprogramban adjuk meg. Bizonyos vezérlések, például mélyhúzógépek esetén emberéletek foroghatnak veszélyben. A munkatérbe való benyúlás komoly sérülésekkel járhat. Ilyen esetekben kétkezes biztonsági vezérlést kell használni. Ekkor előírás, hogy két gombot 0,5 másodpercen belül kell megnyomni. A gomboknak süllyesztettnek kell lenniük, és olyan távolságra kell elhelyezkedniük egymástól, hogy egy kézzel ne lehessen őket egyszerre megnyomni. A két gomb jelének összekapcsolására használhatunk pneumatikus vezérlőegységet is. Ez ebben az esetben egy kis időtagot tartalmaz,

57

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ mely időbeállítása nem változtatható. Ha a kezelő 0,5 másodpercen belül mindkét gombot megnyomja, a kimenetre jel kerül. Mivel a beépített időtag por és olajérzékeny, a sűrített levegő minőségéből adódóan a hibamentes működés nem minden esetben garantálható. Ebből az okból kifolyólag az új előírások szerint a pneumatikus kétkezes biztonsági vezérlések használata egyedül már nem elégséges. A gombok jeleinek logikai összekapcsolása azonban továbbra is történhet pneumatikus úton. Itt is érvényes, hogy az elektropneumatikában a jelek összekapcsolása inkább elektromosan, az SPS-ben történik. Ugyanez érvényes a pneumatikus jeladókra is, melyeket folyamatok vezérlése esetén használunk. Az ilyen vezérlések esetén egy tisztán pneumatikus vezérlés kimeneteit sorban egymás után bekapcsoljuk. Ilyen pneumatikus vezérlésekkel azonban már csak régebbi berendezések esetén találkozunk.

1.11 Jelölések a kapcsolási rajzon A pneumatikus kapcsolási rajz az eszközök jelképeivel a levegő útvonalának kapcsolási rajza. Az energiaellátás (sűrített levegő forrása) alul, a hengerek felül ábrázolandók úgy, hogy előrefutási irányuk jobbra legyen. Minden alkatrészt nyomás alatti állapotban kell megjeleníteni. A hengereket tehát akkor is előrefutott állapotban kell rajzolni, ha kiindulási állapotuk nem az. Mivel a jel alulról felfelé halad, a gombokat és a hengerek segítségével működtetett szelepeket is a kapcsolási rajz alsó részére kell rajzolni. A hengerkapcsoló helyét a hengeren kis vonalakkal jelezzük. A hengerkapcsolók jeleinek a hengeren való elhelyezkedéséhez való hozzárendelése érdekében feltétlenül ügyeljünk a jelölésekre. Az egyes alkatrészek jelölését a DIN 1219-2 rögzíti. A jelölés egy, a pneumatikus kapcsolást jelző számból, egy, az alkatrész jelölésére szolgáló betűből és egy alkatrészszámból áll. Az egyes alkatrészek jelölésére az alábbi betűket használjuk: A S

58

Végrehajtó (Antrieb, németül) Jelfogadó (Signalaufnehmer, németül)

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos V Z

Szelep (Ventil, németül) Egyéb alkatrészek

Az egyes végrehajtókat balról jobbra számozzuk, tehát jelölésük 1A, 2A, 3A, stb. A szelepek számozása alulról felfelé, balról jobbra történik. Tehát az első hengerhez tartozó szelepek jelölése: 1V1, 1V2, 1V3, stb. Ennek megfelelően a második hengerhez tartozó szelepek jelölése: 2V1, 2V2, 2V3, stb. Így a görgők is jelölésük folytán hozzá vannak rendelve ahhoz a hengerhez, melyen találhatók. Más jelölésmódok esetén azokhoz a hengerekhez rendelve jelölik őket, melyeket kimenőjelükkel vezérelnek. Mivel az előkészítő-egység és a sűrített levegő ellátás alkotóelemeit egyik hengerhez sem tudjuk hozzárendelni, első helyen 0-val jelöljük őket. Mivel egyéb alkatrészekről van szó, az előkészítőegység jelölése például 0Z1. Azonban különösen régebbi kapcsolási rajzok esetén előfordulhatnak más jelölésrendszerek is. Lehetséges így például az is, hogy az egyes alkatrészek egyszerűen folyamatosan vannak számozva. A hengereket gyakran Z1, Z2, stb. –ként jelölik1, az adott hengerhez tartozó alkatrészeket pedig két számmal, melyeket egy pont választ el. Minden, az első hengerhez tartozó alkatrész jelölése tehát 1.1, 1.2, 1.3, stb. A számozás itt is alulról felfelé és balról jobbra történik. Néha azt a szabályozó-szelepet, mely a hengert sűrített levegővel látja el, kiemelik. Ekkor annak a kapcsolási rajzban betöltött helyétől függetlenül az első hengernél 1.1-el jelölik. Azokat az alkatrészeket, melyek az energiaellátásban vesznek részt, 0.1, 0.2, 0.3, stb. –ként jelöljük. A számozás sorrendje megegyezik az energiaáram irányával. A jelölésrendszertől függetlenül azonban mindenképpen ügyelni kell a hengerkapcsoló és annak a hengeren való elhelyezkedésének jelölésére, különben nem lehetséges a biztos egymáshozrendelés.

1

Z mint a német Zylinder (henger) szó kezdőbetűje

59


40. ábra: Jelölések a kapcsolási rajzon

60


1.12 Vákuumtechnika Különböző munkadarabok szállítása esetén gyakran használunk szívókorongokat. Így olyan munkadarabokat is szállíthatunk, melyek felülete sima és egyenes, ám ezek nem engedhetik át a levegőt. A szívókorongokat akkor használjuk, ha a mozgatandó munkadarabot mechanikusan nehéz megfogni, mint például az autó szélvédőjét vagy a nyomdákban a hatalmas papíríveket. A szívókorongok alulnyomással működnek. Mivel a környezeti nyomás körülbelül 1 bar, az elméleti legnagyobb alulnyomás is legfeljebb 1 bar lehet. A gyakorlatban az alulnyomás általában 0,60,8 bar. Ezt sokszor a maximálisan elérhető legnagyobb alulnyomás százalékaként adják meg, tehát a szívókorongok alulnyomása általában a vákuum 60-80%-a. A munkadarab csak akkor tud hozzátapadni a szívókoronghoz, ha a környezeti nyomás nagyobb, mint a szívókorong és a munkadarab felülete között uralkodó nyomás. A munkadarabot tartó erő az alulnyomás és a szívókorong hatásos felületének függvénye. Azért, hogy a szívókorong ne feküdjön fel laposan a munkadarab felületére, ami csökkentené a hatásos felületet, a szívókorongok felületén noppok találhatók. Ezek megkönnyítik az alulnyomás lekapcsolása után a korongnak a felületről történő leválasztását is. Az elméletileg lehetséges szívóerő legyen legalább kétszerese a valóban szükséges erőnek. Ha a munkadarabot mozgatás közben erős gyorsulásnak is kitesszük, még nagyobb ráhagyással kell dolgoznunk. A szívókorongokat lapos és teleszkópos szívókorongokra osztják. Az utóbbiak jobban illeszkednek a ferde felületekhez, mint a lapos szívókorongok. Ezzel szemben a lapos szívókorongok merőleges felületeken tapadnak jobban. A teleszkópos szívókorongok ebben az esetben nagyfokú rugalmasságuk miatt elgörbülnének. A teleszkópos szívókorongok használatakor az alulnyomás bekapcsolásakor a teleszkóp összehúzódása miatt emelő erő is fellép, mely esetleg kiválthatja az ezt követő emelési mozdulatot. Több párhuzamosan kapcsolt szívókorong használata esetén fennáll annak a veszélye, hogy egyetlen szívókorong leszakadása esetén a teljes alulnyomás megszűnik, és a munkadarab az összes

61

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ korongról leválik. Ebben az esetben érdemes olyan áramirányító szelepeket alkalmazni, melyek erős áramlás esetén lezárnak. Az áramirányító szelepet a szívókorong után kell beépíteni. Ha egy szívókorong leválik, a nagy légáram zárja az áramirányító szelepet, és a rendszer többi részében megmarad az alulnyomás. Alulnyomást vagy vákuumpumpák, vagy ejektorok hoznak létre. A vákuumpumpát akkor használjuk, ha nagy mennyiségű alulnyomásos levegőt akarunk előállítani. A szívókorongra a megfelelő szelepek segítségével kapcsoljuk. A lokális alulnyomás kialakításához vákuumejektorokat használunk. Ezek is sűrített levegővel működnek, a Venturi-elv alapján. Mivel nincs mozgó alkatrészük, nagy általánosságban kopás- és karbantartásmentesen dolgoznak. Az ejektor esetén a sűrített levegő egy fúvókán áramlik át. A keresztmetszet csökkenés hatására a levegő áramlási sebessége megnő. A nagy sebességgel áramló levegő a szívókorong csatlakozásán vákuumot hoz létre (szívóhatás). Ezt a vákuumot kapcsoljuk a szívókorongra. Az egyszerű ejektorok csak addig generálnak alulnyomást, amíg sűrített levegő áramlik át rajtuk. A sűrített levegő bekapcsolására az ejektorban egy útszelep használható. Egy második útszelep segítségével lehetséges a sűrített levegő szívóvezetékbe való befúvása is. A szívótérbe beáramló levegő a szívókorongban egy nyomáslökést okoz, és ledobja a darabot a korongról. A lelökő impulzust az ejektor típusától függően egy kis tartály is generálhatja, mely a sűrített levegő lekapcsolásakor a levegőt automatikusan vezeti a szívóvezetékbe. Az ilyen ejektorok rendelkeznek egy külön nyomáskapcsolóval is. Ez ellenőrzi az elért alulnyomást, mely ennek megfelelően kapcsolja le a sűrített levegő ellátást. Ha az alulnyomás lecsökken, a nyomáskapcsolón keresztül az ejektor sűrített levegő ellátása ismét bekapcsolódik, és az alulnyomás ismét nő.

62


2 Hidraulika 2.1 Bevezetés A hidraulikán a munkafolyadékok által létrehozott erőket és mozgásokat értjük. Az energiaátvitel közege folyadék. A hidraulika kifejezés a görög „hydor” szóból ered, melynek jelentése „víz”. Jóllehet használható víz is, a hidraulikában mégis főként olajat használunk munkaközegként. A hidraulikát hidrodinamikára és hidrosztatikára osztjuk. A hidrodinamikában az átviteli közeg elsősorban az áramlás, nyomás alig lép fel. Mivel az áramlás energiája mozgási (kinetikus) energia, ezt a területet hidrokinetikának is nevezik. Ezzel ellentétben, a hidrosztatikában egy zárt térben elhelyezkedő folyadék nyomását használjuk fel. Ekkor a hidraulikus folyadék vagy nyugalmi állapotban van, vagy csak kis sebességgel mozog. Tipikus példa a nyomás szivattyúban történő létrehozása, majd ezen erő felhasználása egy henger meghajtására. A nyomást szelepeken keresztül vezéreljük, melyeket kézzel, vagy elektromos úton hozunk működésbe. A repülőgépekben használt hidraulikus berendezéseknek különösen szigorú biztonsági előírásoknak kell megfelelniük.

2.1.1 A hidraulika előnyei és hátrányai A hidraulika az iparban használt számos energiaforma egyike. Itt a pneumatikával, a villamossággal, de mechanikus berendezésekkel is összehasonlítjuk. -

A hidraulikában kis méretű és tömegű alkatrészek segítségével nagy erők és nyomatékok hozhatók létre. Az egyenesvonalú mozgást nagyon könnyű létrehozni. Nyugalmi helyzetből való indulás a legnagyobb terhelés mellett is lehetséges. A sebességek és fordulatszámok széles skálán, fokozat nélkül állíthatók. A mozgásirány egyszerűen megfordítható. Az erőket nyomásmérők segítségével egyszerűen megjeleníthetjük. A túlterhelés nyomáshatároló szelepek segítségével könnyen elkerülhető. Az egyes komponensek térben egymástól távol is elhelyezhetők, ezeket rugalmas csövek kötik össze.

63

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ -

A hidraulikus rendszerek az elektromos vezérlésbe vagy szabályozásba könnyen integrálhatók.

A fenti előnyökkel az alábbi hátrányok állnak szemben: -

-

Az alkatrészek gyártása nagy pontosságot igényel, mely komoly költségeket jelent. A hidraulikafolyadék elszennyeződését szűréssel kell elkerülni. A munkafolyadékot vissza kell vezetni az akkumulátorba. Eltérő hőmérsékletek esetén a munkafolyadék viszkozitása változik. A hidraulikafolyadékot gyakran hűteni kell. A munkafolyadék nagy viszkozitása miatt a nagyobb távolságokra, csővezetéken történő szállítás általában komoly veszteségekkel jár. A munkafolyadék tartalmazhat oldott állapotú levegőt. Ha ebből légbuborékok alakulnak ki, ez egyenetlen mozgáshoz vezet. A hidraulikaolajok gyakran éghetőek. Ha a szigetelés sérüléseinél hidraulikaolaj lép ki, ez veszélyforrás lehet. A nyomási energia tárolása nehézkes.

2.1.2 A hidraulika alkalmazási területei A hidraulikát számos területen alkalmazzák. Az iparban a hidraulikát szerszámgépek esetén elsősorban lineáris mozgatásra és forgómozgás létrehozására használják. A műanyagok feldolgozásakor használt fröccsöntő berendezések esetén a formákat hidraulikusan nyitják és zárják, valamint a műanyag befecskendezése is hidraulikusan történik. A sajtológépek a hidraulikus berendezések segítségével hatalmas erőket idéznek elő. A fent említett telepített hidraulikus alkalmazások mellett mozgó gépek esetén alkalmaznak mobil-hidraulikát is. Az építőiparban a hidraulikának igen sokféle alkalmazását találjuk. A munkák kivételezésén (emelés, befogás, süllyesztés) túl a helyváltoztatás meghajtása is lehet hidraulikus. Számos mezőgazdasági gép szintén hidraulikus meghajtású. Speciális alkalmazások a vízi járművek és a repülőgépek meghajtása.

2.1.3 A hidraulikus berendezések felépítése A hidraulikus berendezések felépítése nagyon sokféle lehet, azonban minden berendezés azonos építőelemekből áll.

64

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos A hidraulikus berendezésekben a szivattyú nyomást épít fel, mely térfogatáramot idéz elő. Túl nagy nyomás esetén kinyit a nyomáshatároló szelep, és a munkafolyadék visszaáramlik a tartályba. A hidraulikus berendezés szivattyúja a hajtómotor mechanikus energiáját hidraulikus energiává (nyomóenergia) alakítja át. Az így létrehozott térfogatáram áramlását az útszelepek irányítják, hiszen ezek befolyásolják a munkahengerek mozgásirányát, illetve a hidromotorok forgásirányát.

41. ábra: Hidraulikus berendezés (Kép: BoschRexroth) A henger erejét nyomásszabályozó szelepek határozzák meg. Minél nagyobb a létrejövő nyomás, annál nagyobb erőt fejt ki a henger. A térfogatáramot áramirányító szelepek változtathatják. A legegyszerűbb esetben erre fojtókat használunk. A térfogatárammal változik a végrehajtó sebessége is. A zárószelepek gondoskodnak arról, hogy a térfogatáram csak egy irányba haladhasson. A fojtók hatását így egy áramlási irányra korlátozhatjuk. A hengerek végül a nyomóenergiát ismét mechanikus energiává alakítják.

2.2 Az energiaellátó rész A nyomóenergiát a szivattyú állítja elő. A hidraulikaszivattyúk felépítése különböző, de mindegyik a térfogat kiszorítás elve alapján működik.

65

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A szivattyú beszívja a nyomófolyadékot és azt a vezetékrendszerbe továbbítja. Az áramló folyadékkal szembenálló ellenállások miatt a rendszerben nyomás jön létre. Ügyelni kell arra, hogy a szívó vezetékekben ne alakuljon ki túlzottan nagy alulnyomás, mivel ebben az esetben a folyadékból gázbuborékok lépnek ki, melyek a nagyobb nyomású helyeken hirtelen összeroppannak. Ezt a folyamatot nevezzük kavitációnak. Az így keletkező nyomáshullámok akár tönkre is tehetik a szivattyút, és a berendezésben rozsdásodást okoznak.

42. ábra: Energiaellátó rész Egy hidraulikus berendezés meghajtása (a kéziszivattyúkon kívül) motorokkal történik (villanymotor, belsőégésű motor). A telepített hidraulikában a szivattyú szükséges mechanikus teljesítményét villanymotor, a mozgó hidraulikában belsőégésű motor adja. A szivattyú felépítése sokféle lehet. Gyakran használunk fogaskerékszivattyúkat. Ezek állandó munkatérfogatú szivattyúk, mert a kiszorított térfogat, amit a fogárok határoz meg, nem változtatható. Léteznek változtatható térfogatáramú szivattyúk is. Vannak olyan szivattyúk is, melyek a térfogatáramot nem maguk szívják fel, így ezeket vagy a folyadéktartály alá kell elhelyezni, vagy eléjük fogaskerékszivattyút kapcsolunk.

2.2.1 Hidraulikus tartály A munkafolyadékot a tartályban tároljuk. A tartálynak elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy a berendezésben található összes folyadékot fel tudja venni. Ezzel egyidejűleg elég folyadéknak kell rendelkezésre állnia ahhoz, hogy az összes munkahengert ellássuk. Különösen az egyszeres működésű hengerek előrefutása igényel

66

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos sok hidraulikaolajat, de a kettősműködésű hengerek esetén is a dugattyútér nagyobb, mint a rúdoldali tér, így az előrefutáskor ezek a hengereknek is szüksége van egy bizonyos mennyiségű többlet olajra. A nyomáskiegyenlítéshez a tartálynak rendelkezni kell légtelenítő nyílással. Így a munkafolyadék kiáramlásakor levegő áramolhat be, és nem alakul ki alulnyomás. A szennyeződések kiszűrése érdekében a légtelenítő nyílást szűrő fedi. Egy másik nyílás a tartály feltöltésére szolgál, melyet szintén szűrő fed. A munkafolyadékot betöltés előtt mindenképpen szűrni kell, hiszen a szennyeződések komoly problémákhoz vezethetnek. A tartályt a terelőlemez két részre osztja. A visszafolyókamrában a visszaáramló folyadék először elérheti nyugalmi állapotát és kiválaszthatja az esetleges légbuborékokat. Szintén ebben a részben rakódnak le a nagyobb szennyeződések is. A folyadék a terelőlemez furatain keresztül kerül a szívókamrába, ahonnan a berendezés ismét felszívja a szükséges mennyiséget. A visszafolyókamra a tartály legmélyebb pontján található, és itt helyezkedik el a leeresztő csavar is. Így a munkafolyadék leeresztésekor (csere) a lerakódott szennyeződés és a kondenzvíz is elhagyja a tartályt. A hidraulikus berendezésekben a fellépő veszteségek a hidraulika olaj melegedéséhez vezetnek, tehát a tartály egy további feladata a munkafolyadék hűtése. Ebből a célból a külső falat gyakran hűtőbordákkal látják el, azonban előfordulhat további, kiegészítő hűtés alkalmazása is. Ha a berendezést alacsony hőmérsékleten is használják, szükség lehet fűtőelemre is. Ennek segítségével a hidraulika olajat a bekapcsolás előtt üzemi hőmérsékletre melegítjük. A hőmérséklet szabályozása érdekében a tartályon érdemes elhelyezni egy hőmérőt. A folyadékszintet egy olajszintmérő, a lehetséges minimális és maximális olajszintet pedig jelzések mutatják. A szivattyú által létrehozott nyomást egy manométer jelzi. A hidraulikus berendezések működése szempontjából a nyomás, a hőmérséklet és a munkafolyadék szintje fontos paraméterek, melyeket rendszeresen ellenőrizni kell.

67


2.2.2 Nyomáshatároló szelep Egy további fontos, és minden hidraulikus megtalálható alkatrész a nyomáshatároló szelep.

berendezésben

A nyomáshatároló szelep eleinte zárva van, és csak akkor nyit ki, ha a nyomás elér egy bizonyos, előre meghatározott értéket. Ekkor a hidraulikus olaj visszafolyik a tartályba, a berendezésben azonban megmarad a nyomás. A nyomáshatároló szelep a berendezést elsősorban a túlnyomás ellen, és ezáltal a károsodástól vagy akár a tönkremeneteltől is védi. A nyomáshatároló szelepen keresztül a teljes, a szivattyú által mozgatott térfogatáramnak vissza kell tudnia áramlania a tartályba. Közvetlen működésű nyomáshatároló szelepeket csak kis térfogatáramoknál alkalmazunk. Nagyobb térfogatáramok esetén elővezérelt nyomáshatároló szelepeket használunk. Az ilyen közvetetten működő nyomáshatároló szelepek esetén a főszelepet egy kisebb szelep elővezérli.

2.2.3 Szűrő A hidraulikus berendezések nagyon érzékenyek a munkafolyadék elszennyeződésére. Ezeket a szennyeződéseket szűrők segítségével távolítjuk el. A szűrőket alapvető a berendezés három pontján építhetünk be. Mindhárom beépítési hely rendelkezik előnyökkel és hátrányokkal is. Ha a szivattyút már az előtartály szennyeződéseitől is védeni akarjuk, szívóági szűrőt használunk, ez azonban az áramlással szemben ellenállást képez. Ezért elsősorban hideg hidraulikus olaj, vagy a szűrő erősebb elszennyeződése esetén a szivattyú előtt annyira leeshet a nyomás, hogy kavitáció lép fel, mely károsítja a szivattyút. A szívóági szűrők ezért elsősorban drótszűrős kivitelben léteznek, és a berendezést főleg a nagyobb méretű szennyeződésektől védik. A szivattyú után beépített szűrőket nyomásoldali szűrőknek nevezzük. Mivel a szivattyú teljes nyomását el kell bírniuk, ennek megfelelően kivitelezésük is igen stabil. A nyomásoldali szűrők relatív drágák, és elsősorban érzékeny alkatrészek, pl. szervószelepek esetén alkalmazzák őket.

68

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos A harmadik lehetőség a visszafolyóági szűrő. Ezeket főleg a tartályba visszavezető csővezetékekbe építik be, és így a térfogatáramot már csak akkor szűrik, ha az már áthaladt a teljes berendezésen. Itt azt feltételezzük, hogy az alkatrészeken való egyszeri átáramlás még nem okoz károkat. A visszafolyóági szűrő felépítése egyszerű, így olcsó. Gyakran egy párhuzamosan kapcsolt, elkerülő visszacsapó-szelep is szerepel mellettük a kapcsolásban. Ha a szűrő túlzottan elszennyeződött, és ezért túl nagy ellenállást képez, kinyílik az elkerülő-szelep, és a hidraulikaolaj a szűrő mellett áramolhat tovább. Lehetséges az is, hogy kisebb szűrőt alkalmazunk, és csak a térfogatáram egy részét szűrjük. Ekkor a teljes olajmennyiséget csak több kör alatt tudjuk megszűrni. A szűrőn fellépő nyomásesést differenciális nyomáskijelzők segítségével mérhetjük. A növekvő nyomáskülönbség a szűrő erősebb szennyeződésére utal. Az elszennyeződés-jelzőket ezért rendszeresen ellenőrizni és a szűrőket azok állapotának megfelelően szükség esetén cserélni kell. Az elszennyeződés-jelző nélküli szűrőket rendszeresen cserélni kell.

2.3 Munkafolyadék Nyomóenergia átvitelére alapvetően minden folyadék alkalmas lenne. Mivel azonban a hidraulikus berendezések munkafolyadékaitól egyéb tulajdonságokat is megkövetelünk, ez a szóba jöhető folyadékok számát jelentősen korlátozza. Részben vizet használnak, mivel nagy mennyiségben és olcsón áll rendelkezésre. Azonban a víz nem biztosítja a mozgó alkatrészek kenését, sőt, elősegíti a rozsdásodást. A hidraulikában megfelelő tulajdonságaik miatt szinte mindig ásványi olajokat használnak. Az olaj keni a mozgó alkatrészeket, hátráltatja a rozsdásodást, a keletkező hőt pedig elvezeti. Számos, különböző tulajdonságokkal rendelkező hidraulikaolaj létezik. Adott alkalmazás esetén olyan olajat kell választanunk, amely az adott követelményeknek leginkább megfelel.

2.3.1 Viszkozitás A munkafolyadék fontos tulajdonsága a viszkozitás. A viszkozitás szót körülírhatjuk úgy is, mint “önthetőség”, és felvilágosítást nyújt egy folyadék belső súrlódásáról, azaz arról az ellenállásról, amelyet

69

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ le kell győzni ahhoz, hogy két szomszédos folyadékréteget egymáson elmozdítsunk. A viszkozitás tehát annak a mértéke, hogy milyen könnyen önthető egy folyadék. A víz viszkozitása kisebb, mint az olajé. Ezt egyszerűen ellenőrizhetjük, ha egy tartályban olajat, egy másikban pedig vizet keverünk. A víz keveréséhez sokkal kisebb erőt kell kifejtenünk. A hidraulikus komponensek mindig valamely adott viszkozitástartományra vannak tervezve, melyet a munkafolyadéknak se alul, se túl nem szabad lépnie. A viszkozitást viszkoziméterrel mérjük, melyből különböző típusok léteznek. A kapilláris viszkoziméter esetén például a folyadék a gravitáció hatására egy vékony csövecskén áramlik át, miközben mérjük egy adott mennyiség áthaladásához szükséges időt. A viszkozitást két részre, dinamikus és kinematikus viszkozitásra osztjuk. A kinematikus viszkozitás értékét úgy kapjuk, hogy a dinamikus viszkozitás értékét elosztjuk a folyadék sűrűségével. A műszaki életben főként a dinamikus viszkozitást használjuk, melynek mértékegysége mm2/s. A régebbi elavult egységeket, a centistoke-ot és a stoke-ot már nem használjuk. A viszkozitás erősen függ a hőmérséklettől. A hőmérséklet növekedésével a viszkozitás csökken. A viszkozitás hőmérsékletfüggését viszkozitás-hőmérséklet diagrammokról olvashatjuk le. Mint azt már korábban is említettük, a hidraulikus komponensek csak adott viszkozitás-tartományban alkalmazhatók, így az üzemi hőmérsékletre is ügyelni kell. A túl kicsi viszkozitás (hígfolyósság) megnöveli a résveszteségeket. A kenőfilm vékony, könnyebben leszakad, ezért a kopásvédelem csökken. Ennek ellenére előnyben részesítik a hígfolyós olajat a sűrűbbel szemben, mert a csekélyebb súrlódás csökkenti a nyomásés teljesítményveszteséget. A hidraulika olajok viszkozitásának értékét 40°C-on határozzák meg, majd ISO osztályokba osztják őket. A számérték ekkor a viszkozitást adja meg. Például egy ISO-VG 46 hidraulika olaj viszkozitása 40°C-on 46 mm2/s. A viszkozitás-hőmérséklet viszony jellemzésére általában a viszkozitási indexet (VI) alkalmazzuk. Kiszámítása a DIN 2209

70

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos szabvány szerint történik. Minél nagyobb egy hidraulikaolaj viszkozitási indexe, annál kevésbé változik a viszkozitása ill. annál nagyobb az a hőmérséklettartomány, amelyben az olaj alkalmazható. A viszkozitás hőmérséklet diagramban a magas viszkozitási index lapos jelleggörbeként jelenik meg. Az értékek normál hidraulika olajok esetén 100 körül, speciális munkafolyadékok esetén 150 körül vannak. A hidraulikaolajok viszkozitás-nyomás viszonya is nagy jelentőséggel bír, mivel az olajok viszkozitása növekvő nyomással nő. Ezt különösen 200 bar nyomás felett kell figyelembe venni. Kb. 350-400 bar-nál a 0 bar-ra vonatkoztatott viszkozitás már megduplázódik.

2.3.2 A munkafolyadékok további tulajdonságai A hidraulikus olajok sűrűsége általában 0,9 kg/dm3 körüli, azaz a hidraulika olaj könnyebb a víznél. Ebből kifolyólag a rendszerben levő víz a tartály alján gyűlik össze, így a leeresztő nyíláson keresztül könnyen eltávolítható. Ügyeljünk arra, hogy a hidraulika olaj sűrűségét tovább, akár 1,4 kg/dm3 körüli értékekre is növelhetjük. A hőmérséklet növekedésével a munkafolyadék térfogata nő. 10 fokos hőmérsékletnövekedés 0,7%-os térfogat-növekedést okoz, tehát a tartályt a tágulást is figyelembe véve kell méretezni. A folyadékok egy további tulajdonság az összenyomhatóság, mely a gázokhoz képest igen csekély. Általában 100 bar nyomásnövekedésenkét 0,7%-al érdemes számolni. A nyomás lecsökkentése után a folyadék az eredeti térfogatára tágul vissza. Az összenyomhatóság mértéke ugyan nagyon kicsi, azonban így is hátrányosan befolyásolja a hidraulikus végrehajtók pontosságát, melyet szabályozás közbeiktatásával tudunk ismét emelni. Ügyelnünk kell azonban arra is, hogy a vezetékek nyomás alatt kitágulnak, ami látszólag növeli az összenyomhatóságból fakadó hatást. A torlódási pont az a hőmérséklet, amikor az olaj a gravitáció hatására már nem folyik. Ha a hidraulikus berendezésnek alacsony hőmérsékletek esetén is megbízhatóan kell működnie, érdemes hígfolyós hidraulika olajat használnunk. Magas hőmérsékleteken sok hidraulika olaj esetén lép fel gyulladásveszély. A gyulladási pont az a hőmérséklet, amikor az

71

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ olajgőzök nyílt láng hatására már meggyulladnak. Normál hidraulika olajok esetén a gyulladási pont 180-200°C körül van. Ennél magasabb hőmérsékletek esetén az olaj már magától meggyulladhat. Magas hőmérsékletek, vagy tűzveszélyes környezet esetén nehezen, vagy egyáltalán nem gyúlékony munkafolyadékokat alkalmazzunk. A munkafolyadék egy fontos feladata a mozgó alkatrészek kenése. Ekkor egy vékony film védi a fém alkatrészeket az egymáson való súrlódástól, mely egyidejűleg csökkenti a súrlódási együtthatót is. Ha például egy hidraulika olaj kenőképessége túl alacsony viszkozitása miatt túl kicsi, a kenőfilm felszakad. Ennek következtében az alkatrész elhasználódik, és hamarabb megy tönkre. Az olajak kenési képességét egymáshoz viszonyítva adják meg. A munkafolyadékok élettartamát azok időállósága határozza meg. A hidraulikus olajok esetén az öregedés az oxigénnel való kapcsolat következménye, amikoris oxidáció lép fel. Az öregedés főleg 70°C felett jelentős, azonban különböző adalékok segítségével a folyamat lassítható. Az öreg olajat annak sötét színéről ismerjük fel. Mivel azonban nehéz meghatározni, mennyi ideig használható még az adott olaj, rendszeresen cserélni kell. Az alkatrészek kenése mellett a munkafolyadék azok rozsdásodását is gátolja. Ekkor azonban ügyelnünk kell arra, hogy a munkafolyadék ne támadja meg a vezetékeket és a tömítéseket. A folyadék cseréjekor is ügyeljünk arra, vajon a különböző folyadékok keverhetők-e. Előfordulhat tehát, hogy egy adott folyadék eltávolítása után az egész berendezést ki kell tisztítani, mielőtt az betölthetjük az új munkafolyadékot. Sok szelep esetén a munkafolyadék közvetlenül körbeáramolja a mágnestekercset, és így elvezeti az ott keletkező hőt. Ha elszakad egy kábel, vagy rövidzárlat alakul ki, a munkafolyadéknak szigetelőként kell viselkednie. Ez azt jelenti tehát, hogy a munkafolyadéknak – lehetőség szerint – nem szabad vezetnie az elektromos áramot.

72


2.3.3 Szennyeződés, levegő és víz a munkafolyadékban A munkafolyadéknak a lehető legtisztábbnak kell lennie. Minél nagyobb a nyomás a berendezésben, annál szigorúbbak a követelmények például a szelepek, vagy más alkatrészek tömítéseivel szemben. A munkafolyadékban található szennyeződések károsítják a tömítéseket, és így a hidraulikus berendezés meghibásodásához vezethetnek. A berendezés működése közben keletkező szennyeződéseket el kell távolítani a rendszerből. A munkafolyadék a szennyezőket visszaszállítja a tartályba, ahol megtörténhet a szűrés. A munkafolyadékok tisztasági osztályait az ISO 4406 rögzíti, mégpedig úgy, hogy a 100 ml-ben található szennyeződés darabkák maximális számát adja meg. A szabványban osztályonként három adat szerepel: a 4 µm-nél, a 6 µm-nél és a 14 µm-nél nagyobb szennyezők maximális száma. A legfeljebb 160 bar-on működő hidraulikus berendezések esetén a követelmény jellemzően a 21/18/13-as tisztasági osztály. A szilárd szennyezők mellett a munkafolyadék tartalmazhat levegőt is, mindaddig azonban, amíg a levegő a folyadékban oldott állapotban található, az a berendezés működését nem befolyásolja. A nem oldott állapotú levegő azonban kis légbuborékokból áll, amit lehetőség szerint el kell kerülni. Egyrészt ez károsan befolyásolja (növeli) az összenyomhatóságot, mivel a légbuborékok légneműek, azaz összenyomhatóak, ami szivattyú és a szelepek működésekor rángatáshoz és zajhatáshoz vezet. Másrészt a levegő sűrítésekor megnő annak hőmérséklete, ami a munkafolyadék gyorsabb öregedéséhez vezet. A hőmérséklet akár annyira is megnőhet, hogy a légbuborékokban található olajgőzök önmaguktól meggyulladnak. A légbuborékok miatt a tartályban hab is képződik. A tartály terelőlemeze azonban a habos folyadékot nem engedi át, így a berendezés már csak nyugalmi állapotú, légbuborékmentes olajat szív ismét fel. A felszívott olajban lévő légbuborékok kavitációt okoznak, ami gyorsan elpusztíthatja a szivattyút. Légpárnák azonban a berendezés feltöltésekor is keletkezhetnek, ezért a magasan elhelyezkedő pontokon légtelenítő nyílások

73

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ találhatók, amelyek rendszerből.

segítségével eltávolíthatjuk a levegőt a

A hidraulikaolajok egy további, nem kívánatos alkotóeleme a víz, ami elősegíti a korróziót és gátolja a kenőfilm kialakulását. A víz különböző módokon kerülhet a munkafolyadékba. Részben akár már a friss olaj is tartalmazhat vizet, de a tartályban is lehet kondenzvíz. A víz a hűtő rossz tömítésein keresztül is bejuthat a munkafolyadékba. A víz a munkafolyadékot zavarossá teszi. Mivel normális esetben nehezebb az olajnál, leül a tartály aljára, így a leeresztő nyíláson keresztül könnyen eltávolítható. Léteznek azonban szintetikus olajak is, melyek sűrűsége hasonlít a víz sűrűségére, tehát ekkor a víz nem ül le a tartály aljára, hanem fátyolt alkot. Nem gyúlékony folyadékok esetén ez a hatás kívánatos, ilyen esetekben víz-olaj emulziót használunk.

2.3.4 Környezetvédelem Már nagyon kis mennyiségű hidraulikaolaj is szennyezi a vizet, ezért lehetőség szerint környezetkímélő munkafolyadékokat használjunk. A növényi olajok kevéssé veszélyeztetik a vizet. Az ú.n. bio-olajok biológiailag gyorsan lebonthatók, és például vízvédelmi területeken használják őket. Ezen kívül léteznek a környezetre nem veszélyes munkafolyadékok is. Természetesen a munkafolyadékok nem lehetnek mérgezőek, a bőrt kontaktus esetén nem irritálhatják, és nem lehet kellemetlen szaguk. Ezekkel a követelményekkel szemben áll a munkafolyadékok ára, melynek lehetőleg alacsonynak kell lennie. Itt azonban nem csak a közvetlen ár, hanem az élettartam is mérvadó. Figyelembe kell venni azt is, mennyibe kerül a folyadék pótlása. A két csoporton belül - hidraulikaolajok és nehezen meggyulladó munkafolyadékok –különböző tulajdonságokkal rendelkező típusok léteznek. A tulajdonságokat az alapfolyadék és a kis mennyiségben belekevert adalékanyag határozza meg. A DIN 51524 és 51525 szabványok szerint a hidraulikaolajokat tulajdonságaiknak és összetételüknek megfelelően osztályokba

74

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos soroljuk. Jelölésükben a H a hidraulikaolajat, a további betűk az alkalmazott adalékanyagot jelölik. A betűjelöléseket a DIN 51517 szerinti viszkozitás-jelölés egészíti ki. H

Ásványi olajok adalékanyagok nélkül. A hidraulikában már alig alkalmazzák HL Ásványi olajok, a korrózió csökkentésére és az öregedés lassítására szolgáló adalékanyagokkal HLP HL-hez hasonló ásványi olajok, kopásgátló adalékokkal HVLP HLP-hez hasonló ásványi olajok, nagy viszkozitásindexszel

Nehezen gyulladó hidraulikafolyadékok HSA HSB HSC HSD

Olaj a vízben emulzió, max. 20 vol.% éghető rész Víz olajban emulzió, max. 60 vol.% éghető rész Víz-glükol oldat Vízmentes szintetikus folyadék

Fontos környezetkímélő munkafolyadékok HETG Növényi olajok HEPG Plyglükolok HEES Szintetikus észter

75


2.4 Szivattyúk A hidraulikus berendezés szivattyúja a hajtómotor mechanikus energiáját hidraulikus energiává (nyomóenergia) alakítja át. A szivattyú beszívja a nyomófolyadékot és azt a vezetékrendszerbe továbbítja. Az áramló folyadékkal szembenálló ellenállások miatt a rendszerben létrejön a nyomás. A szivattyúkat működésük alapján két nagy osztályba sorolhatjuk. Az áramlásdinamikai elven működő szivattyúkban először a folyadék sebessége növekszik, majd ezután a sebességet nyomásnövekedéssé változtatjuk. Így néhány bar nyomást idézhetünk elő. Mivel a hidraulikában ennél lényegesen nagyobb nyomásokkal dolgozunk, általában a térfogat kiszorítás elve szerint működő szivattyúkat használunk. A folyadék beszíváskor relatív nagy térfogatba áramlik be, melyet ezután összenyomunk. Mivel a folyadékok alig összenyomhatók, a folyadék nyomás alatt lép ki a kamrából. Ìly módon több száz bar nyomás is létrehozható. A térfogat kiszorítás elve szerint működő szivattyúknak is léteznek különböző típusai: a berendezéssel szembeni követelmények függvényében különböző konstrukciókat alkalmazunk. A szivattyúkat általában a forgódugattyús és a löketdugattyús osztályokba soroljuk. A forgódugattyús osztály legfontosabb képviselői közé tartoznak a fogaskerekes-szivattyúk, a csavarorsós szivattyúk és a lapátos szivattyúk. A löketdugattyús osztály képviselői közé tartoznak a soros dugattyús, a radiáldugattyús és az axiáldugattyús szivattyúk. Azonban léteznek ezektől eltérő konstrukciók is. A kapcsolási rajzon a szivattyú jele egy kör. A munkafolyadék irányát egy tele háromszög jelöli, ez az irány a kapcsolási rajzon általában lentről felfelé mutat. Két lehetséges haladási irány esetén ezt két ellentétes irányban álló háromszöggel jelöljük. A végrehajtó motorját kettős vonal jelöli. Ívelt nyíl jelölheti a forgás irányát. A térfogatáram állíthatóságát a teljes jelen áthaladó nyíl jelzi. A nyílra a szabályozás módját is rárajzoljuk. A némely szivattyú esetén jelenlevő lékolaj-csatlakozót egy szimbolikus kis tartály jelöli. A szivattyúkkal ellentétben a motorok esetén a háromszög befelé mutat.

76


2.4.1 Fogaskerékszivattyú A fogaskerékszivattyúkat külső és belső fogazású szivattyúkra osztjuk, ám az előbbit használják gyakrabban. A külső fogazású szivattyú felépítése igen egyszerű. A szivattyú robusztus és a szennyeződésekkel szemben relatív érzéketlen. Nagy fordulatszám és viszkozitás tartományban használható, valamint relatív olcsó is. A fogaskerékszivattyúk állandó munkatérfogatú szivattyúk, mert a kiszorított térfogat, amit a fogárok határoz meg, nem, pontosabban csak a fordulatszám változtatásán keresztül változtatható. Elsősorban nagy nyomások esetén előfordulhat, hogy a térfogatáram kis mértékben lecsökken, melynek fő oka a tömítetlenségben keresendő.

43. ábra: Fogaskerékszivattyú A külső fogazású szivattyúk két fogaskerékből állnak, melyek egy házban találhatók. Az egyik fogaskerék hajtott, a másik a fogazás miatt elforog, ha a hajtott kerék forgó mozgást végez. Ha egy fog egy fogárokból kilép, akkor ott térfogat növekedés jön létre, amely a szívótérben vákuumot okoz. A munkafolyadék beömlik ebbe a térbe és a ház fala mentén a nyomótérbe kerül. Ott a kerekek fogainak és fogárkainak találkozása miatt a folyadék kisajtolódik a fog és fogárok létrehozta térből, és a vezetékbe kerül. Középen a két fogaskerék egymásba ér, tehát megakadályozza a folyadék visszaáramlását.

77

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A szívó- és nyomótér közötti közbenső térben (fog-fogárok) lévő folyadék összepréselődik, majd egy kis csatornán keresztül a nyomótérbe kerül, mert a bezárt olaj összenyomásakor nyomáscsúcsok lépnének fel, és ez zajokat, töréseket okozna. Oldalról tömítések nyomják a fogaskerekeket. Az odapréseléshez szükséges erőt a szivattyú által létrehozott odavezetett nyomás adja. Az erő növekedésével tehát nő a szorítóerő is. A konstrukcióból következően adott a szívó- és a nyomóoldali csatlakozás helye, azaz az áramlás iránya nem megfordítható. A veszteségeket a térfogati hatásfok mutathatja meg, mely az effektív és az elvileg lehetséges térfogatáram viszonyának jellemzője. A szivattyú súrlódását a mechanikai hatásfoknál vesszük figyelembe. A külső fogazású szivattyúk egyik hátránya a pulzáló folyadékáram, mely hangképződéssel jár. Ennek oka, hogy a fogak közötti helyek egymás után szabadulnak fel. A pulzálást némiképp tompíthatjuk, ha két szivattyút úgy építünk össze, hogy a fogazatuk egymáshoz képest éppen egy fél foggal van eltolva. Használhatunk ferde fogazatú fogaskerekeket is, ebben az esetben azonban axiális erő lép fel, melyet csapágyakkal kell felvennünk. A belső fogazású szivattyú esetén két eltérő nagyságú fogaskerék helyezkedik el egymáson belül. A nagyobb fogaskerék fogazata befelé irányul, a kisebb fogaskerék pedig úgy helyezkedik el, hogy egy helyen fogai egymásba kapaszkodnak a nagy fogaskerék fogaival. Ezzel szemben egy sarló alakú tér található, melyet általában egy szilárd test tölt ki. Ez a szintén sarló alakú test tömíti a fogak közötti réseket. Ha a fogaskerekek forognak, a két fogaskerék között egy növekvő tér keletkezik. Ide áramlik be a munkafolyadék. Ezt követően a fogaskerekek elhaladnak a sarló alakú elválasztó test mellett. Ekkor a fogak közötti térfogat nem változik. Csak az elválasztó test után kapaszkodnak ismét egymásba a fogak, és ekkor a rendelkezésre álló térfogat csökkenni kezd, majd a folyadék kilép a szivattyúból. Mivel a beszívás és kilépés hosszabb úton történik, szinte pulzálásés hangmentes az áramlás. Azonban az ilyen szivattyú beszerzési költsége is magasabb. Hasonló felépítésű a fogasgyűrűs szivattyú is. Itt a belső fogaskerék pontosan eggyel kevesebb foggal rendelkezik, mint a külső. A fogak mindig érintkeznek, így nincs szükség határoló testre. Mivel a belső

78

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos fogaskerék nem középpontosan helyezkedik el, az egyik oldalon összekapaszkodnak a fogak, miközben a másik oldalon éppen egymással szemben állnak. Ennél a szivattyúnál is először nő, majd csökken a fogak közötti térfogat. Léteznek forgó és álló külső fogaskerekes konstrukciók is. Az álló fogaskerekes verzió esetén a belső fogaskerék a forgás mellett körbe is halad. Ezt gerotornak nevezzük. A konstrukció előnye, hogy kis fordulatszámokkal nagy térfogatáramok érhetők el.

44. ábra: Belső fogazású szivattyú

79


2.4.2 Csavarszivattyú A csavarszivattyút csavarorsó- vagy csigaszivattyúnak is nevezzük. Két vagy három, egy házban elhelyezkedő, ellentétes menetű, csavarformájú orsóból áll. Amint az orsók forogni kezdenek, menetárkonként egy-egy zárt tér indul útnak a nyomásoldal felé. Az egyenletes mozgás folytán a csavarszivattyú egyenletesen szállítja a munkafolyadékot, és nagyon halkan működik. A csavarmenetek számát az elérendő nyomás határozza meg. Minél nagyobb nyomást akarunk elérni, annál több menetre van szükség, mely a résveszteséget is csökkenti. Az orsókra ható axiális erőt kívülről csapágyak veszik fel. Radiális erő alig hat, mivel az alkatrészekre minden oldalról nyomás hat. A fogaskerék-szivattyúhoz hasonlóan a csavarszivattyú is állandó térfogatáramot kelt, a mennyiség változtatása csak a fordulatszám változtatásával lehetséges. A csavarszivattyúkat nagyon magas fordulatszámon is üzemeltethetjük.

45. ábra: Csavarszivattyú (Kép: BoschRexroth)

80


2.4.3 Csúszólapátos szivattyú A csúszólapátos szivattyúknál egy rotor forog egy házban. A rotorban, hasadékokban lapátok helyezkednek el, melyeket forgás közben a centripetális erő kifelé tol. A lapátokat ezen kívül rugók is nyomhatják a házhoz, de van olyan konstrukció is, ahol a szivattyú kimeneti nyomását használják fel a szárnyak házhoz való nyomására.

46. ábra: Csúszólapátos szivattyú (Kép: BoschRexroth) A rotor decentrális elhelyezkedése következtében a lapátok között megnő a hely, ami beszívja a munkafolyadékot. Ezután a helyközök ismét kisebbé válnak, ami a folyadékot a nyomásfelőli oldalra hajtja. Bizonyos konstrukciók esetén a ház ovális kialakítása következtében ez fordulatonként kétszer történik meg. A tengelyt ekkor egyenletes terhelés éri, mivel az egymással szemben fellépő radiális erők kiegyenlítik egymást. A csúszólapátos szivattyúk relatív kevéssé zajosak, hiszen a munkafolyadék továbbítása pulzálásmentesen történik. Az ilyen szivattyúkat főként nagy térfogatáramok és kis nyomások esetén alkalmazzuk. Léteznek azonban kétfokozatú változatok is. Mivel a lapátok a ház falán csúsznak, a lapátos szivattyúk érzékenyek a szennyezők jelenlétére. A csúszólapátos szivattyúkat állandó és változtatható térfogatáramú berendezésekre osztjuk. A térfogatáram a forgó rotor eltolásával változtatható, illetve állandó térfogatáramú konstrukciók esetén ez a rotor rögzített. Szintén nem változtatható a térfogatáram, ha a

81

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ fordulatonkénti kétszeres továbbítást megvalósító konstrukciót használjuk. A berendezés típusától függően a rotort kézzel vagy hidraulikusan tolhatjuk el. Ha a rotort középre állítjuk, a helyközök mérete a fordulat során változatlan marad, tehát a munkafolyadék továbbítása nem történik meg. A rotort minél inkább kimozdítjuk a középhelyzetből, annál nagyobb lesz a térfogatáram. Léteznek olyan konstrukciók is, ahol a térfogatáram iránya a rotor másik oldalra történő eltolásával megfordítható. A térfogatáram változtatása mellett az állítható csúszólapátos szivattyúk nyomása is szabályozható. A kívánt nyomás elérésekor a rotort középre állítjuk, ekkor a berendezés nem továbbít több munkafolyadékot, a nyomás pedig így állandó marad. A nyomás lecsökkenésekor a rotort kimozdítjuk a középállásból, így ismét megindul a folyadék továbbítása.

2.4.4 Soros dugattyús szivattyú A soros dugattyús szivattyú a löketdugattyús szivattyúk csoportjába tartozik. Több, sorba rendezett munkahengerből áll. A hengerek dugattyúját egy bütykös tengely mozgatja. A visszafutáshoz szükséges erőt vagy szintén egy bütykös tengely, vagy rugóerő szolgáltatja. A beszívást és továbbítást szelepek irányítják, így a forgási irány megfordítása nincs hatással a munkafolyadék áramlási irányára. A térfogatáram a dugattyúk elcsavarásával változtatható, mivel ezek éle ferde, mely a dugattyú állásától függően a löket egy hosszabb vagy rövidebb részét köti össze a beömlő nyílással. A soros dugattyús szivattyúkat nagy nyomások és kis térfogatáramok esetén alkalmazzák, elsősorban például a dízelmotorokban az üzemanyag befecskendezésére.

82


2.4.5 Radiáldugattyús szivattyú A radiáldugattyús szivattyúkat konstrukciójuk alapján két nagy csoportra osztjuk. A belső terhelésű szivattyúknál a csillag alakban álló dugattyúk kívül a házra támaszkodnak, és a házban excentrikusan elhelyezett hengerekkel együtt forognak. A hidraulikafolyadékot belülről szívják fel, majd egy fél fordulat után ismét középre nyomják ki. A dugattyúk száma páratlan, így a folyadék továbbítása is egyenletes. A dugattyúk vagy közvetlenül, vagy görgőkön illetve síneken keresztül támaszkodnak a ház falára. A súrlódást a nyomás alatt levő munkafolyadék csökkenti. A ház gyűrűjének eltolásával változtathatjuk a dugattyúk löketének hosszát, és ezáltal a továbbított folyadékmennyiséget is. Ha a dugattyúk pontosan középen találhatók, nem továbbítanak folyadékot. Léteznek olyan konstrukciók is, ahol az ellentétes irányba való eltolással a munkafolyadék áramlásának iránya megfordítható. A ház gyűrűjét kézzel vagy hidraulikusan állíthatjuk.

47. ábra: Radiáldugattyús szivattyú (Kép: BoschRexroth) A külső terhelésű radiáldugattyús szivattyúk esetén a dugattyúk szintén csillag alakban helyezkednek el egy házban, azonban pozíciójuk rögzített és egy középen elhelyezkedő excenter működteti őket. Az excenterrel való kapcsolatot nyomórugók biztosítják. A szívást és a kilökést szelepek vagy tolattyúk vezérlik. A radiáldugattyús szivattyúkat nagyon nagy, több száz bar-os nyomások esetén alkalmazzuk. Az ilyen szivattyúk résolaj csatlakozóval is rendelkeznek, melyen keresztül a tömítetlenségeknél kilépő olaj visszakerül a tartályba, a résolajvezetékben azonban nem lehet nyomás.

83


2.4.6 Axiáldugattyús szivattyú Az axiáldugattyús szivattyúk esetén a két dugattyú vagy párhuzamos, vagy egymással kis szöget zár be. A fentiekhez hasonlóan az axiáldugattyús szivattyúnak is páratlan számú dugattyúja van, ami egyenletessé teszi a folyadék továbbítását. Az axiáldugattyús szivattyúkat általában ferde tengelyes vagy ferde tárcsás kivitelben gyártják. A ferde tengelyes konstrukciónál a dugattyúkat tartalmazó ház a meghajtó tengellyel szöget zár be. Ezzel szemben a ferde tárcsás kivitelnél a dugattyúkat egy ferdén álló tárcsa hajtja.

48. ábra: Ferde tengelyes axiáldugattyús szivattyú A ferde tengelyes kivitelnél a dugattyúk egy forgó dobban helyezkednek el. Maguk a dugattyúk egy golyós csukló segítségével csatlakoznak egy szintén forgó tárcsához. Ekkor a tárcsa forgását a dobnak vagy a dugattyúk, vagy egy további kardáncsukló segítségével adjuk át. Mivel a tárcsa és a dob közötti szögből adódóan a golyós csuklók elliptikus pályán mozognak, a dugattyúk forgás közben enyhén ideoda dőlnek. Így azért, hogy ezen mozgáshoz elég hely álljon rendelkezésre, a dugattyúk kúp alakúak. A dugattyú tartalmazhat azonban egy további golyós csuklót is. A fordulat közben a hengereket tartalmazó dob két vese alakú nyílás mellett halad el, melyeken keresztül a munkafolyadék beszívása és továbbítása irányítható. A rögzített szögű axiáldugattyús szivattyúk állandó térfogatáramú szivattyúk. Állítható szivattyúk esetén a dob szöge, és ezáltal a térfogatáram változtatható. Ha a szöget a középálláson túl is változtatni tudjuk, az áramlás is megfordítható.

84


49. ábra: Ferde tárcsás axiáldugattyús szivattyú A dugattyúk a ferde tárcsás konstrukciók esetén is egy dobban forognak, ahol rugók nyomják őket egy ferdén álló tárcsának, melyhez golyós csuklókkal kapcsolódnak. Maga a tárcsa azonban nem, csak a dugattyúk csapágyazása forog. A munkafolyadék beszívása és továbbításának irányítása ennél a konstrukciónál is azon vese alakú nyílásokon keresztül történik, melyek mellett a dob forgás közben elhalad. A tárcsa szögének változtatásával szabályozható a dugattyúk lökettérfogata, és ezáltal a térfogatáram is.

50. ábra: Sánta tárcsás axiáldugattyús szivattyú Sánta tárcsás axiáldugattyús szivattyúk esetén a dugattyúkat tartalmazó dob nem forog. Viszont forog a ferdén álló tárcsa, ami a dugattyúkat egymás után betolja a dobba. A visszafutás elérésének érdekében a dugattyúkat rugó nyomja a tárcsához. A sánta tárcsa szöge nem állítható, így az ilyen szivattyúk térfogatárama állandó, nem változtatható.

2.5 Munkahengerek és motorok A szivattyúk a mechanikai energiát nyomóenergiává alakítják. A hidraulikus végrehajtók ezt a nyomóenergiát változtatják vissza mechanikai energiává. A lineáris mozgást létrehozó komponenseket hengereknek vagy hidrohengereknek nevezzük. Ezzel ellentétben a motorok forgó mozgást hoznak létre.

85


A végrehajtók vezérlését szelepek végzik, a szivattyúval való összeköttetést pedig csővezetékek biztosítják. Hidraulikus munkahengereket használunk, ha nagy terhek mozgatásához megfelelő nagy erők kifejtésére van szükség. Jellemző alkalmazások például a feszítés és a nyomás. Ilyen esetekben általában kis sebességekre van szükség. A hidraulikus munkahengerek mozoghatnak azonban nagy sebességgel is, ilyen például a fröccsöntő szerszámok bezárásakor használt berendezés.

51. ábra: Különböző működési elvű meghajtók méretének összehasonlítása A hidraulikus gépek nagy teljesítménysűrűséggel rendelkeznek, így hasonló teljesítményű más gépekhez képest kompaktabbak. Azonos teljesítményű gépeket összehasonlítva az elektronos motorok különösen nagy helyigénnyel bírnak. A pneumatikus berendezések méretben az elektromos és a hidraulikus gépek között helyezkednek el.

2.5.1 Egyszeres működtetésű munkahengerek A munkahengereket két csoportra, egyszeres és kettős működésű munkahengerekre osztjuk. Az egyszeres működésű hengereknél a munkafolyadék csak a dugattyúoldalra hat, így a henger csak egy irányban tud munkát végezni. A visszafutáshoz szükséges erőt rugó vagy más külső erő szolgáltatja. A munkahenger általában egy dugattyúból és egy dugattyúrúdból, a hengeres házból és annak két végén két záróelemből áll. Egyszeres

86

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos működésű munkahengerek esetén csak egyetlen csatlakozó áll rendelkezésre a munkafolyadék be- és kiengedéséhez. A munkafolyadék beáramlik a hátsó hengertérbe. A dugattyúnál az ellenerő miatt (súlyterhelés) nyomás épül fel. Ezen ellenerő legyőzése után a dugattyú előrefutási löketet végez. Az erőt a dugattyúrúd adja át a külvilágnak. A henger ereje a dugattyú felületétől és a munkafolyadék nyomásától függ. A henger sebességét a beáramló térfogat sebessége határozza meg. Visszafutási löketkor a hátsó hengertér a csővezetéken és az útszelepen keresztül a tartállyal van összekötve, mialatt az útszelep a nyomóvezetéket lezárja. A visszafutási löketet a saját súly, rugó vagy súlyterhelés hozhatja létre. A kettősműködtetésű hengerek esetén a dugattyú lehet tárcsa jellegű is. Nyomásmentes állapotban a henger külső vagy belső állapotban is elhelyezkedhet. Rugós visszaállítóval rendelkező hengerek esetében a löket rövid, mivel a rugó beépítéséhez térre van szükség, és a rugóerő az út (lökethossz) függvényében változik. Búvárdugattyús hengereknél a dugattyúrúd maga a dugattyú. Itt a dugattyúrúd hengerből való kifutásának megakadályozása érdekében ütközőkre van szükség. Az ilyen hengerek esetén a munkahenger belsejével szemben nem támasztunk különleges követelményeket, mindössze a dugattyúrúd és a ház közötti rés tömítését kell megoldani. A búvárdugattyús hengerek ezért olcsók és könnyen gyárthatók. Búvárdugattyús hengereket munkadarabok emelésére, szorítására, süllyesztésére, hidraulikus felvonóknál, ollós emelőasztaloknál, színpadi emelőknél alkalmazzák. A dugattyúrúdra keresztirányú erő nem hathat, az esetleges ilyen erők fellépésekor sínrendszereket használunk. Az egyszeres működésű hengerek másik kiemelt képviselője a teleszkóphenger. Itt több dugattyú található egymásban, melyek normális esetben egymás után emelkednek ki. A teleszkóphenger hossza nem sokkal nagyobb, mint egy fokozat lökethossza. A teleszkóphengerek általában akár 5 fokozatból is állhatnak, így az összes lökethosszuk nagyon nagy, különösen a munkahenger kiindulási állapotának méretéhez képest. A teleszkóphengerek keresztirányú erőket nem tudnak kezelni.

87

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Teleszkóphengerek esetén sok tömítés szükség, így a gyártási pontossággal szemben támasztott követelmények is szigorúbbak. Ennek megfelelően az ilyen munkahengere ára relatív magas. A teleszkóphenger előrefutása mindig a legnagyobb felületű dugattyú előrefutásával kezdődik, mely a legnagyobb erőt fejti ki. Ezt követi a többi dugattyú, méretüknek megfelelő sorrendben, míg a legkisebb felületű dugattyú is kiemelkedik. A méreteknek megfelelően a teleszkóphenger ereje is fokozatosan csökken. Ezzel ellentétben a csökkenő dugattyúátmérővel a kiemelkedés sebessége változatlan térfogatáram esetén nő. A visszafutás fordított sorrendben történik, azaz először a legkisebb, majd növekvő sorrendben a többi dugattyú húzódik vissza. Ekkor csökkenteni kell a térfogatáramot, különben a dugattyúk véghelyzetüket erős ütközéssel érik el. A teleszkóphengereket billenős teherautók vagy hidraulikus felvonók esetén alkalmazzák. A billencsek esetén az erő úttal való csökkenése kevésbé problematikus, mivel a legnagyobb erőre a billenő felület megemeléséhez van szükség, és az emelkedés során az anyag kiöntése miatt egyre csökken a teher mennyisége, azonban a felvonók esetén a tervezéskor figyelembe kell venni, hogy még a legkisebb dugattyúnak is ki kell tudnia fejteni a maximálisan szükséges erőt. A teleszkóphengerek kettősműködéses konstrukcióban is léteznek. Ekkor a visszafutás nem külső erő hatására, hanem a dugattyúrúdoldal nyomás alá helyezése következtében történik. Ebben az esetben először a legnagyobb felületű henger húzódik vissza. A minden fokozat esetén azonos méretű dugattyúkkal rendelkező teleszkóphengereket egyenletes mozgású teleszkóphengernek nevezzük. Mivel a dugattyúk felületének mérete megegyezik, egyidejűleg emelkednek ki, és az egyik fokozatról a következőre való áttéréskor nem lép felrázkódás.

2.5.2 Kettősműködtetésű munkahengerek A kettősműködésű hengereknél a munkafolyadék mindkét oldali dugattyúfelületre hat, ezért a munkavégzés két irányban lehetséges. A munkafolyadék két csatlakozója közül a kívánt áramlási iránynak megfelelően az egyikre nyomást kapcsolunk, a másik pedig a tartályhoz csatlakozik.

88

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos A hidraulikus munkahengerek a nagy nyomás miatt nagy erőt fejtenek ki, ezért a munkahengerek dugattyúrúdjának átmérője nagyobb, mint az azonos dugattyú-átmérőjű pneumatikus hengereké. A hidraulikus hengerek dugattyújának felülete gyakran kétszerese a dugattyúrúd felőli oldal gyűrűfelületének. Ennek következtében a hidraulikus hengerek ereje azonos nyomás esetén előrefutáskor majdnem kétszerese a visszafutáskor kifejtett erőnek. Ugyanebből az okból kifolyólag a két különböző dugattyúfelület miatt a két oldalon különböző méretű tér adódik, ezért állandó térfogatáram mellett a munkahenger fele olyan gyorsan fut előre, mint vissza.

52. ábra: Kettősműködésű munkahenger Egy speciális kapcsolás segítségével lehetséges, hogy a dugattyúrúd felőli oldal munkafolyadékát előrefutáskor a dugattyútérnek adjuk át. Ekkor ugyan kisebb erőt tudunk kifejteni, azonban megnő az előrefutás sebessége. A nagyobb előrefutási sebességet olyan sürgős előrefutáskor alkalmazzuk, amikor csak kisebb erőre van szükség. Ezen túl lehetőség van arra is, hogy a különböző méretű hengerfelületeket nyomásáttételre használjuk fel. Ha a munkafolyadék nem szökhet ki a dugattyúrúd felőli térből, a felületek arányának függvényében ezen az oldalon megfelelő nagyságú nyomás képződik. Ilyen nagy nyomás alakulhat ki akkor is, ha a hidraulikafolyadék a dugattyúrúd felőli oldalról való kiáramláskor túl erős fojtást szenved el, így erre a csővezetékek és szelepek méretezésekor ügyelni kell.

89

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A dugattyúfelületek eltérő méretének következtében az egyoldali dugattyúrudas munkahengereket differenciálhengereknek is nevezzük. Ezzel szemben az átmenő rudazatú hengereket, melyekben a dugattyú mindkét oldalán található dugattyúrúd, egyenletes mozgású hengereknek is nevezik. Az ilyen hengerek esetén a dugattyú két oldalán a felületek mérete megegyezik, így mindkét irányban azonos erőt fejtenek ki, és azonos térfogatáram mellett a két irányba történő elmozdulás sebessége is megegyezik. Hidraulikus hengerek rendelkezhetnek löketvégi csillapítással is, melyet azért alkalmaznak, hogy a nagy löketsebességet lefékezzék, lassítsák. Ezzel elkerülhető a löketvégi kemény felütközés. A löketvégi csillapítást első sorban nagy hengersebességek vagy nagy mozgatott tömegek esetén alkalmazzák. A dugattyú visszameneti löketénél a hátsó véghelyzet felé a hátsó hengertérből elvezetett folyadék számára egy meghatározott ponttól a keresztmetszet egyre kisebb lesz (csillapítófurat), míg a furat végül egészen elzár. A hátsó hengertér munkafolyadéka ez után egy fojtószelepbe kényszerül. Ezáltal a dugattyúsebesség csökken, és a nagy sebességek okozta zavarok nem lépnek fel. Kimeneti löketnél az olaj akadálytalanul folyik keresztül a visszacsapószelepen és kikerüli a fojtást. A véghelyzet fékezéshez nyomáshatároló szelep szükséges. A fent bemutatott munkahengerek mellett még számos egyedi típus létezik. Az erő növelése érdekében két hengert egymás mögé is kapcsolhatunk. Az ilyen tandemhengerek hossza kb. kétszerese a hasonló lökethosszú egyszerű hengerének, azonban ereje is majdnem kétszerese a másik, azonos átmérőjű henger erejének. Az ilyen konstrukciót akkor használjuk, ha a henger átmérője csak korlátozott méretű lehet, azonban nagy erőkre van szükség. A sebesség növeléséhez gyorshengereket alkalmazunk. Ezek felépítése hasonlít a teleszkóphengerek konstrukciójához, azonban csak két fokozatuk van. A löket első felében csak a gyorsdugattyú fut előre. Ekkor kis erő mellett nagy sebesség érhető el. A teljes dugattyúfelületre csak a munkalöket kezdetén kerül nyomás. Ekkor a henger csekély sebesség mellett a teljes lehetséges erejét kifejti. Az ilyen hengereket például sajtógépekben alkalmazzák.

90

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos Lengő mozgások létrehozásához különleges, lengőszárnyas konstrukciókat alkalmazunk. A lengőszárny egy tengelyen található, melyet mindkét oldalról terhelhetünk nyomással. A lengőmozgás nagyságát a ház határozza meg, általában max. 300° lehetséges. A forgódugattyús henger hasonlít a lengőhengerre, de itt a dugattyú formája íves, mely ívelt hengerben mozog.

2.5.3 Munkahengerek felerősítési módjai Az alkalmazástól függően a hengerek felerősítési módja eltérő lehet. Alapvetően merev és mozgó felerősítési módokat különböztetünk meg. Merev rögzítés esetén a henger munkafolyadékkal történő ellátása csővezetékeken keresztül lehetséges. Mozgó felerősítés esetén tömlőket használunk. A merev felerősítés egy példája a talpas rögzítés. Ekkor a hengert két végénél rögzítjük. Merev rögzítés lehetséges azonban peremmel is, mely vagy csak a dugattyúlap, vagy csak a dugattyúrúd oldalán rögzít. Ha a hengernek elsősorban az előrefutás során kell erőt kifejtenie, a perem elhelyezkedése szempontjából előnyösebb a dugattyúlap felőli oldal. Ezzel szemben a peremet a dugattyúrúd felőli oldalra érdemes rögzíteni, ha a henger elsősorban a visszafutás során fejt ki erőt. Mozgó rögzítés eléréséhez a henger végére egy villás fejet rögzítünk. Ha a henger középen mozgó felerősítéssel van rögzítve, ezt középső csapnak nevezzük. Lengőcsapos rögzítés esetén a lengő mozgás mellett egy kevés oldalirányú mozgás is lehetséges. A dugattyúrúd végén szintén elhelyezhetünk egy villásfejet, vagy egy lengőcsapot. Lehetséges azonban az is, hogy ezek helyett csak egy menet található. Nagy lökettávolságok esetén ügyelnünk kell arra is, hogy a dugattyúrúd ne hajoljon ki. Ilyen esetekben elsőként a hajlítóerőt kell kiszámolnunk, majd ezt a 3,5-ös biztonsági tényezővel megszorozva kiszámítjuk az üzemi terhelést. A hajlító terhelés kiszámításához az Euler-féle vékony rudakra érvényes számítási módszert alkalmazzuk. Ekkor a rögzítés módjától függően kell kiválasztanunk a megfelelő terhelési esetet. A számítást a dugattyúra és a hengerre együtt kell elvégezni.

91

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A hajlító terhelés kiszámítása nem nehéz, és gyakran a gyártók által rendelkezésre bocsátott műszaki dokumentáció által tartalmazott diagrammok segítségével is meghatározható.

53. ábra: Villásfejes hidraulikus munkahenger

2.5.4 Hidromotorok A hidromotorok a végrehajtók közé tartoznak, munkavégző elemek (aktorok). A hidraulikus energiát mechanikai energiává alakítják át, és forgómozgást hoznak létre (forgó hajtások). A hidromotorokat ugyanazon adatok jellemzik, mint a szivattyúkat, melyeket egyes esetekben átalakítás nélkül használhatunk hidromotorként is. Általában azonban a szivattyúkat nem érdemes motorként használni, hiszen a motorok a szivattyúkhoz képest tartalmaznak néhány olyan változtatást, melyek javítják hatásfokukat. A hidromotoroknál lökettérfogat helyett nyelési térfogatról beszélünk. A hidromotorok, a szivattyúkhoz hasonlóan állandó és változtatható munkatérfogatú motorokra oszthatók. Az állandó munkatérfogatú motorok fordulatszáma csak a térfogatáramon keresztül változtatható. Változtatható munkatérfogatú motorok esetén a fordulatszámot önmagában is változtathatjuk, mégpedig sokkal szélesebb tartományban, mintha a fordulatszámot a térfogatárammal szabályoznánk. A hidromotorokat fordulatszám alapján gyors és lassú futású motorokra osztjuk. A percenként 500 fordulatnál lassabb motorokat lassú futásúnak nevezzük. Fogaskerék-motorok segítségével nagyon magas, percenként több ezer fordulatos fordulatszámok érhetők el. Nyelési térfogatuk állandó, felépítésük pedig nagyban hasonlít a fogaskerék-szivattyú felépítésére. A fogaskerék-motorok egy vagy két forgásirányú konstrukcióként is léteznek. Két forgásirány esetén a belső tömítések felépítése szimmetrikus. Az egy forgásirányú motorok esetén a tömítések a nyomásviszonyoknak megfelelően vannak kialakítva, tehát az alacsony és a nagy nyomású oldal nem felcserélhető.

92


A motor forgásának elindításához a nagynyomású csatalakozóra nyomást helyezünk. Ez hat a fogaskerekekre, és így a tengelyen forgatónyomatékot kelt. A tömítetlenségek miatt keletkező résolajat egy külön csatlakozón keresztül visszavezetjük a tartályba. Az axiáldugattyús motorok felépítése is hasonlít a hasonló szivattyúk felépítéséhez. Motorként a ferde tengelyes és a ferde tárcsás konstrukciót is használják. A fordulatszámot és a forgatónyomatékot a tárcsa ill. tengely szögének változtatásával állíthatjuk, és így a forgás irányának megfordítása is lehetséges. Az axiáldugattyús motorok nagyon kompaktak, és például lassan mozgó építőgépek mozgatásánál használják őket. Ebben az esetben a motor közvetlenül a kerekeket hajtja meg, közbeiktatott váltórendszer nélkül. Radiáldugattyús motorok esetén a szivattyúkhoz hasonló módon ezek lehetnek külső vagy belső terhelésűek is. Ha a dugattyúk belülről az excenterre támaszkodnak, a motor dugattyúnként és fordulatonként csak egy löketet hajt végre. Az alternatív konstrukció esetén a dugattyúk belülről egy hullámos házra támaszkodnak. A súrlódás csökkentése érdekében a dugattyúk végein görgők helyezkednek el. Ebben az esetben a dugattyúk fordulatonként több löketet is végrehajtanak, így ezek a motorok inkább alacsony fordulatszámok esetén alkalmazhatók. A radiáldugattyús motorok nyelési térfogata állandó. Előfordulhat azonban, hogy a dugattyúk felét kikapcsolhatjuk, ekkor a kétszeres fordulatszámot, ám fele akkora forgatónyomatékot érhetünk el.

54. ábra: Gerotor (Kép: BoschRexroth) A lassú futású motorok közé tartozik továbbá a gerotor, ami leginkább egy belsőfogazású fogaskerék-szivattyúra hasonlít, melynél a belső fogaskerék a külsőnél eggyel kevesebb foggal

93

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ rendelkezik. A nyomás bekapcsolásakor a belső fogaskerék a külső fogaskeréken „sántán” legurul. A belső fogaskereket a hajtótengellyel egy kardántengely köti össze. A fogaskerék teljes fordulatakor a hajtótengely csak egy foggal halad tovább. A gerotorok felépítése kompakt, és nagyon robusztus. Állandó nyelési térfogatuk nagy, így kis fordulatszámok mellett is nagy forgatónyomaték érhető el. Gyártótól függően más hidromotorkonstrukciók is lehetségesek. A csúszólapátos szivattyúkhoz hasonló felépítésű motorok esetén a forgatónyomatékot a lapátokra nehezedő nyomás hozza létre.

2.6 Csövek és tömlők A munkafolyadékot a szivattyútól a fogyasztóig elsősorban merev csővezetékeken keresztül szállítjuk. Tömlőket csak mozgó alkatrészek összekapcsolásakor használunk. A csövek és tömlők használatának elkerülése érdekében a különböző alkatrészeket, így pl. általában a szelepeket közvetlenül egymáshoz kapcsoljuk. Az ilyen, láncolatnak nevezett összekapcsolási mód esetén a munkafolyadék az egyik alkatrészből a következőbe furatokon keresztül jut el. A csövekre és tömlőkre belső és külső erők is hatnak. Mindenek előtt ellent kell állniuk a szivattyú által létrehozott nyomásnak, azaz megfelelő falvastagsággal kell rendelkezniük. A méretezésnél arra is ügyelni kell, hogy nyomásáttétel után a szivattyú által létrehozott nyomást meghaladó nyomás is felléphet. A hőtágulás, illetve a lengésekből adódó erők tovább növelik a terhelést, mivel feszültségek nem alakulnak ki. Mellőznünk kell a túlzottan kis hajlítási sugarakat is. Általánosságban érdemes minden hajlítást és keresztmetszet-változást elkerülni, mivel ezeken a helyeken mindig nyomásveszteségek lépnek fel. A legmagasabb pontokon elhelyezett légtelenítő nyílások a rendszerből a levegő eltávolítását teszik lehetővé. A csővezetékek átmérőjének meghatározásakor az átlagos áramlási sebességet kell figyelembe vennünk. A legtöbb csővezetéken a szivattyú által továbbított teljes térfogatáram áthalad. Az áramlási sebesség optimális esetben 4-7 m/s között van. Magasabb sebességek lehetőleg csak nagyobb nyomás esetén forduljanak elő.

94

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos A kavitáció elkerülése érdekében a szívóoldali vezetékekben az átlagos áramlási sebesség ne haladja meg az 1 m/s-ot. Ebből az okból kifolyólag a szívóoldali vezetékek átmérője általában nagyobb, mint a nyomóoldali vezetékeké. A tartály irányába haladó visszafolyó-vezetékek áramlási sebessége kb. 3 m/s legyen. A vágógyűrűs csatlakozás egyszerű megvalósítása miatt a leggyakrabban alkalmazott toldási mód. A hollandi anya meghúzásakor egy vágógyűrű a csatlakozóvég belső kúpjába zömül. A csőnél így egy tömített csatlakozás jön létre. Nagyobb csővezetékek esetén általában peremes csatlakozásokat hoznak létre. Csőhajlatok segítségével forgó alkatrészeket kapcsolhatunk össze. Ekkor a fellépő erőket egy csapágy veszi fel, így a tényleges mozgáshoz csak kis erőkre van szükség. A tömlők hajlékony vezetékek, amelyek mozgó részeket kötnek össze, de kedvezőtlen térbeli elhelyezés esetén (különösen a mozgó hidraulikában) is alkalmazzák őket. Az ún. lélek szintetikus gumiból, teflonból, poliészter- elasztomerből, perbunánból vagy neoprénből készülhet. A nyomásviselő egy szövetanyag amely acélhuzalból, poliészterből vagy rayonból készül és a nyomás nagyságától függően egy, vagy többrétegű. A borítóréteg kopásálló gumi, poliészter, poliuretánelastomer vagy egyéb anyag. A mechanikus károsodások elleni járulékos védelemként a tömlőket külső spirál vagy szövet veheti körül. Amint a tömlőkre nyomást kapcsolunk, enyhén kitágulnak, ami összességében a hidraulikus berendezés megnövekedett engedékenységéhez vezet, de fogaskerék-szivattyúk esetén ezt a hatást a lengések csillapítására használják.

55. ábra: Tömlők szerelési szabályai A gyorscsatlakozóval a kötések gyorsan létrehozhatók és oldhatók. Gyorscsatlakozók léteznek mechanikus visszacsapó-szeleppel ellátva, vagy anélkül. A visszacsapó-szelep lehetővé teszi a kötés

95

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ oldását nyomásmentes állapotban is anélkül, hogy a folyadék kifolyna, azonban megoldani is csak ilyyen állapotban szabad őket. A tömlőket hajlatok nélkül kell vezetni, nem szabad őket se megcsavarni, se húzó igénybevételnek kitenni. A túl szűk hajlítási sugarak elkerülése érdekében a tömlők lehetőség szerint egy kicsit lógjanak.

96


2.7 Útszelepek Az útszelepek olyan hidraulikus elemek, amelyek a hidraulikus berendezésben a folyadék átfolyási útját megváltoztatják, nyitják vagy zárják. A munkavégző elem mozgásiránya és megállítása általuk vezérelhető. Az útszelepeket felépítésük szerint ülékes és tolattyús szelepekre osztjuk. A tolattyús szelepek közé tartoznak például a hosszanti és a forgótolattyús szelepek, azonban manapság már inkább az előbbieket alkalmazzák, melynek fő oka, hogy ezek elektromágnesek segítségével jobban vezérelhetők. A hosszanti tolattyús szelep egy vagy több egymással összefüggő tolattyúból áll, melyek egy hengeres furatban axiális irányban mozognak. Tolattyús szelepekkel ezen tolattyúk mozgatásával tetszőlegesen sok csatlakozó csatorna nyitható, egymással összeköthető, vagy zárható. A hosszirányú tolattyús szelepnél a működtetésnek csak a súrlódást és a rugóerőt kell legyőznie. A létrejövő nyomás okozta erők a szemközti felületeken kiegyenlítődnek. Ennek megfelelően a vezérléshez csak kis elektromágnesekre van szükség. A tolattyúház csatlakozóinak megfelelő kialakításával elérhető, hogy egyszerre több térfogatáramot is kapcsolni lehessen.

56. ábra: Ülékes szelep A tolattyút illesztési játékkal kell beépíteni. Az illesztési játék következménye az állandó résáram, ami a szelepnél térfogatveszteséget okoz. Azért, hogy a tolattyú ne szoruljon, a furat falának palástfelületén körbefutó hornyokat hoznak létre. A tolattyú eltolásakor csak folyadéksúrlódás lép fel. Mivel a tolattyús szelepek

97

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ nem teljesen tömítettek, a szennyezett hidraulikaolajból szennyrészecskék kerülnek a tolattyú és a furat közé. Viszont az ilyen szelepek érzékenyek a szennyeződésekre. Hatásuk olyan, mint a dörzspapíré, és megnövelik a furatot. Ennek következménye a résolaj-mennyiség növekedése, de a beszoruló részecskék a szelep elakadásához is vezethetnek. Ülékes szelepeknél a zárótest golyó, kúp vagy ritkán tányér alakú, amelyet egy rugó az ülékre nyom. A szelep akkor nyit, ha a zárótest felemelkedik. A kapcsolandó nyomásnak mindig a rugó erejével azonos irányból kell érkeznie. Ha egy ülékes szelepre a nem megfelelő irányból kapcsolunk nyomást, a zárótest a rugóerővel szemben kiemelkedne, és a szelep nem működne. Mivel a szelepre nehezedő nyomás a szelep zárt állapotában a zárótestet a rugóerővel együtt az ülékhez nyomja, az ilyen szelepek különösen jól zárnak. A záróerő a nyomással együtt nő, így az ülékes szelepek gyakorlatilag szivárgásmentesek. Ennek ellenére az ülékes szelepeket inkább egyszerűbb esetekben, kevés csatlakozás esetén alkalmazzák. Az ülékes szelepek a tolattyús szelepekhez képest érzéketlenek a finom szennyeződésekre, mivel itt a ház és a szelep között nincs csúszó mozgás. Azonban a nagyobb szennyezők beragadhatnak az ülék és a zárótest közé, aminek következtében a szelep enyhén szivároghat.

2.7.1 Az útszelepek jelölése Az útszelepeket két számjeggyel jelöljük, melyeket egy ferde vonal választ el egymástól. A ferde vonal előtt áll a csatlakozások, utána pedig a kapcsolási állások száma. A hidraulikában a legtöbb útszelep négy csatlakozással és kettő vagy három kapcsolási állással rendelkezik. Ezek tehát ennek megfelelően 4/2-, ill. 4/3útszelepek. Lehetséges azonban más kombináció is. Egy kimenet elzárásával például a 4/2-útszelepből 3/2-útszelepet csinálhatunk. A pneumatikával ellentétben a csatlakozásokat betűkkel jelöljük. A nyomáscsatlakozót P betűvel, a négy csatlakozós útszelepek két energiaellátó csatlakozóját A és B betűkkel, a visszafolyó vezetéket pedig T-vel jelöljük. Az útszelepeket egymás után rajzolt négyzetekkel jelölik. A négyzetek száma megadja a szelep lehetséges működési helyzeteinek számát, és beleírjuk a megfelelő kapcsolási állapotot, azaz egy a-t vagy b-t is. Három kapcsolási helyzet esetén a

98

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos középső négyzetben 0-t írunk. A két szélső helyzetbe ezen a kapcsolási helyzeten keresztül lehet átkapcsolni. A szelep működtetés nélküli helyzetét alapállapotnak nevezzük. Két kapcsolási helyzet esetén ez általában a jobb oldali, három esetén a középső négyzet. A hidraulikában három kapcsolási állapotú útszelepek esetén különböző középhelyzetek létezhetnek. Egy motor vagy henger megállításához zárt középhelyzetet alkalmazunk. Ebben az esetben a csatlakozások egymáshoz képest zárt állapotban vannak. Folytonos működésű szivattyú esetén azonban ennek továbbra is a teljes nyomást létre kell hoznia. A térfogatáram a nyomáshatároló szelepen keresztül visszajut a tartályba. Mivel a nyomás továbbra is megvan, más fogyasztókat is elláthatunk. Az átfolyó középhelyzet esetén ezzel ellentétben az energiaellátó csatlakozó a tartály csatlakozójával van összekötve, azaz a szivattyú a térfogatáramot szinte nyomásmentes állapotban szállítja vissza a tartályba. A két meghajtó csatlakozás a zárt középhelyzethez hasonlóan zárva van. A nyomásmentes átfolyás miatt alacsonyabb az energiafelhasználás, így a munkafolyadék is kevésbé melegszik. Nyomásmentes átfolyás esetén azonban más fogyasztók számára nem áll rendelkezésre nyomás. Ez kiküszöbölhető, ha több átfolyó középhelyzetű szelepet kapcsolunk egymás után, azonban ekkor akkor lépnek fel problémák, ha egyidejűleg több fogyasztót kapcsolunk be. Egy további középhelyzet esetén a négy csatlakozóból három össze van kapcsolva, tehát mindkét kimeneti csatlakozásra egyszerre kerülhet nyomás, vagy egyszerre kapcsolódhatnak a tartályhoz is. Ezt a helyzetet lebegő középhelyzetnek nevezzük. Léteznek olyan középhelyzetek is, ahol mind a négy csatlakozó összekapcsolódik. Több mint négy csatlakozóval rendelkező szelepek esetén további középhelyzetek is lehetségesek.

2.7.2 A kapcsolási állások túlfedése Egy szelep átváltási viselkedését (sebességét) a tolattyú túlfedése határozza meg. Azonban a csatlakozások gyors nyitásánál vagy zárásánál a térfogatáramban nemkívánatos nyomáscsúcsok léphetnek fel.

99

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Emiatt a vezérlőélek csapokkal és rovátkákkal vannak ellátva, így átkapcsoláskor a térfogatáram lassabban gyorsul fel, mint az éles vezérlőélek esetén. A szeleptolattyú eltolásával különböző csatalakozások szabadulnak fel, illetve zárulnak be. A túlfedés kifejezéssel ezek sorrendjét jelöljük. Pozitív, negatív és nulla túlfedést különböztetünk meg.

57. ábra: Szeleptolattyú túlfedése (Kép: BoschRexroth) Pozitív túlfedés esetén átváltáskor rövid ideig az összes csatlakozás egymástól el van választva. A nyomás nem omlik össze. A nyomáscsúcsok miatt átváltási ütések léphetnek fel, az átváltás határozott, kemény. Ezzel ellentétben negatív túlfedéskor átváltáskor rövid ideig az összes csatlakozás össze van kötve egymással, a nyomás rövid ideig leesik (a teher süllyed). Ez csökkenti a nyomáscsúcsokat. A nulla túlfedés nagy gyártási pontosságot igényel. Ekkor a csatlakozások nyitása és zárása egyidejűleg történik. Ez gyors átváltásnál, rövid kapcsolási utaknál fontos. A szeleptolattyú túlfedésének grafikus ábrázolása vezérlési diagrammok segítségével történik. A pozitív és negatív túlfedést gyakran mint további középhelyzetet, egy kiegészítő négyzettel jelöljük.

2.7.3 Útszelepek működtetése Az útszelep helyzete többféle módon változtatható meg. Az alkalmazástól függően a működtetés lehet kézi, gépalkatrészek segítségével mechanikus, mágnestekercsekkel elektromos, pneumatikus vagy hidraulikus. Kisebb útszelepek esetén a vezérlés közvetlenül, a nagyobb szelepeknél a vezérlőjel elővezérlő

100

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos egységen való felerősítésével közvetett módon történik. Ez leginkább az elektromosan működtetett szelepekre jellemző. A kézi működtetésű szelepek gyakran kézikaros kialakításúak. Az ilyen, kétállású szelep visszaállításához rugó szükséges. Ha a szelep három kapcsolási állású, nem működtetett állapotban a rugó a szelepet középhelyzetben tartja. Karos működtetésű szelep létezhet reteszelő berendezéssel, ekkor a szelep megtartja pozícióját, a visszaállítás pedig ismételt karmozgatással történik. A mechanikus működtetésű szelepek gyakran görgős kialakításúak. Itt egy gép mechanikus alkatrésze, egy csap vagy hasonló alkatrész nyomja meg a görgőt, ami átváltja a szelepet. Az alaphelyzetbe való visszaállítás rugó segítségével történik. Szelepet hidraulikus vagy pneumatikus nyomással is működtethetünk, mely az útszelepen egy kis dugattyút nyom meg. Mivel a hidraulikában a pneumatikánál lényegesen nagyobb nyomással dolgozunk, a hidraulikus működtetésű szelepek esetén kisebb dugattyúfelületre van szükség, mint pneumatikus esetben. Elektromos működtetésű szelepeket elsősorban automatizált berendezésekben használnak. Kétállású szelep esetén elég egy mágnestekercs, ám háromállású útszelepek esetén már két tekercset kell használnunk. A szelepet rugó segítségével állítjuk vissza kiinduló- vagy középhelyzetébe. Egyenáramú mágnesek esetén az áramfelvétel független a foglalat állásától, tehát a tekercs nem éghet le, ha a szeleptolattyú beragad. Maga a kapcsolás puhán történik, azonban a kapcsolási idő valamivel hosszabb, mint a többi megoldás esetén. Az egyenáramú mágnesek élettartama hosszú, segítségükkel számos kapcsolás megvalósítható. Váltóáramú mágnesek a löket elején több áramot vesznek fel, tehát a löket kezdetekor az erő nagyobb, mint később. Ebből adódóan a kapcsolási idő rövid, azonban a tolattyú beszorulása esetén fennáll a tekercs leégésének veszélye. A nedves mágnestekercseket a hidraulikafolyadék mossa körül, ez tehát gátolja a korróziót, és a keletkező hő is könnyen elvezetésre kerül. A hidraulikafolyadék súrlódása következtében a mágnesek puhábban kapcsolnak, azonban ügyelni kell arra, hogy a mágnesek ellent tudjanak állni a berendezésben uralkodó nyomásnak.

101


58. ábra: Elektromos működtetésű útszelep (Kép: BoschRexroth) Száraz mágnestekercsek esetén a szelep átkapcsolására szolgáló tapintó csap környékét gondosan szigetelni kell. Ennek következménye, hogy a csap működtetéséhez nagyobb erőre van szükség. Robbanásveszélyes környezetben speciális, a szükséges engedélyekkel rendelkező mágnestekercseket kell alkalmazni. Az elektromos működtetésű szelepek esetén lehetséges a kézi segédműködtetés is, ebben az esetben elektromos energia nélkül is átkapcsolható. A kézi segédműködtetés használatakor ügyelni kell arra, hogy a végrehajtók ne végezzenek nemkívánatos mozgást.

2.8 Zárószelepek A zárószelepek a térfogatáram átfolyását az egyik vagy mindkét irányban lezárják. Ha a szelep mindkét irányban zár, mint például golyós zárószelepek esetén, a vezeték teljesen el van zárva. Az ilyen zárószelepek ezért inkább az útszelepek közé tartoznak. Az egy irányban záró szelepek lezárásának abszolút résolajmentesnek kell lennie, ezért ezeket a szelepeket mindig ülékes kivitelben készítik. A másik irányban az áramlásnak lehetőleg akadálymentesnek kell lennie. Az ilyen szelepeket nevezik általában visszacsapó-szelepeknek. A visszacsapó-szelepeknél egy zárótest (általában golyó vagy kúp) nyomódik az ülékhez, melyet egy rugó szorít oda. A szelepet az átfolyási irányban a térfogatáram kinyithatja, ekkor a zárótest a rugóerő legyőzése után az ülékről felemelkedik. Ehhez kiviteltől függően 0,5-5,0 bar nyomás szükséges. Záróirányban a rugó gondoskodik a szelep zárásáról, azonban az erő nagyobb része a berendezésben uralkodó nyomásból származik. A beépítés iránya tetszőleges. A rugó nélküli

102

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos zárószelepek esetén azokat mindig csak merőlegesen építsük be, mivel a zárótest csak ebben az esetben fekszik fel teljesen az ülékre. A visszacsapó-szelepeket gyakran használják a forgótolattyús útszelepek tömítetlenségének kiküszöbölésére. Így megakadályozható például az emelt terhek lesüllyedése. A visszacsapó-szelepek áramlásirányító szelepekkel való párhuzamos kapcsolása segítségével az áramlásirányító szelepek hatása egy irányra korlátozható, mivel az ellentétes irányban a térfogatáram a visszacsapó-szelepen keresztül akadálymentesen halad át. Szintén visszacsapó-szelepeket használnak több szivattyú összekapcsolásakor is, melyek itt a valamely szivattyúról érkező esetleges visszaáramlást akadályozzák. Visszacsapó-szelepek segítségével a vezetékek vagy tartályok kiürülése is megakadályozható. A visszacsapó-szelepek egy különleges típusát szűrőkkel párhuzamosan használják. Ha a szűrő túlzottan szennyezetté válik, előtte nagyobb nyomás épül fel, mely a rugóerő ellenében kinyitja a visszacsapó-szelepet, a térfogatáram pedig a szűrő megkerülésével továbbhaladhat. Ilyenkor azonban a munkafolyadék szűrése elmarad. Zárt körökben a visszacsapó-szelepek gondoskodnak arról is, hogy a szivárgás miatt elvesztett munkafolyadék pótlódjon.

59. ábra: Nyitható visszacsapó-szelep (Kép: BoschRexroth) A visszacsapó-szelepek záró hatására azonban bizonyos alkalmazások esetén csak időszakosan van szükség. Ha például egy visszacsapó-szelep egy teher nemkívánatos leereszkedését

103

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ akadályozza meg, az irányított leeresztés esetén nyitva kell lennie. Ilyen esetekben nyitható visszacsapó-szelepet használunk. Hidraulikus sajtógépek esetén nyitható visszacsapó-szelepeket ú.n. utánszívó szelepekként alkalmaznak, melyek segítségével előrefutáskor a tartályból nagy mennyiségű olaj kerülhet a berendezésbe. Visszafutáskor az olaj visszakerül a tartályba. A tényleges sajtolási művelet közben az utánszívó szelep zárva van. Sok esetben a szelep nyitása hidraulikusan történik. A nyitáshoz egy további energiacsatlakozóra kerül nyomás, mely egy dugattyúra hat, mely a zárótestet egy tapintó csap segítségével felemeli az ülékről. Ez megszünteti a záróhatást. Egy kettősműködésű munkahenger nyitásához mindig az ellentétes csatlakozóhoz vezető vezetékből származtatjuk a nyomást. A kettősműködésű munkahenger két vezetékének nyitásához szükséges két nyitható visszacsapó-szelep egy házba is beépíthető. A nyitható visszacsapó-szelepeket közvetlenül a munkahengerek csatalakozásaiba is be lehet csavarozni. Ilyen esetben, ha eltörik egy cső, a henger nem haladhat tovább. Ilyen csőtörés-biztos megoldásokra van szükség például felemelhető platformok esetén. A közvetlenül vezérelt nyitható visszacsapó-szelepek nagyon gyorsan nyitnak, és azonnal nagy áramlási keresztmetszetet szabadítanak fel, ami a berendezésben nyomási vagy relaxációs ütéseket okozhat. Ennek elkerülése érdekében elővezérelt nyitható visszacsapó-szelepeket használunk. Az elővezérlés először egy kis keresztmetszetű nyílást szabadít fel, melyen keresztül lassan csökken a nyomás. A nagy keresztmetszetű főszelepet csak ezután nyitjuk ki. A vezérlés lehetővé teszi a nyitható visszacsapó-szelep kis nyomással való vezérlését is. A nyitható visszacsapó-szelepek nem csak hidraulikusan, hanem mechanikusan vagy elektromosan is működtethetők. Ennek ellenére a nyitás funkciója megegyezik, csak annak vezérlési módja tér el. A logikai kapcsolásokat megvalósító szelepeket is a zárószelepekhez soroljuk. Váltószelepek esetén két visszacsapószelepet foglalunk össze egy darab két bemenettel és egy kimenettel rendelkező elemmé, melyben egy szabadon mozgó zárótest található.

104

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos Ha az egyik bemeneten nyomás van, a zárótest zárja a másik bemenetet, azonban a kimenet felé szabad az áramlás. Ha mindkét bemeneten van nyomás, a nagyobb nyomás kerül a kimenetre. Egyenlő nagyságú bemeneti nyomások esetén a zárótest helyzete nem meghatározható, azonban a kimeneten ekkor is van nyomás. A váltószelep ezen működését nevezzük VAGY-funkciónak.

105


2.9 Nyomásirányító szelepek A nyomásirányító szelepek feladata, hogy a hidraulikus berendezésben, és annak egy részében a nyomást vezéreljék és szabályozzák. Funkciójuk szerint a nyomásirányító szelepeket két csoportra osztjuk: a nyomáshatároló szelepek nyomás nélkül zárt állapotban találhatók, és csak egy adott nyomásérték elérése és túllépése esetén nyitnak. Ez a nyomáshatároló szelep előtti nyomást befolyásolja. A nyomáscsökkentő szelepek nyomás nélkül nyitott állapotban vannak, és csak a beállított nyomás elérésekor zárnak. Ez a nyomáscsökkentő szelep utáni nyomást állítja be.

2.9.1 Nyomáshatároló szelepek Minden hidraulikus berendezésben található legalább egy nyomáshatároló szelep, mely az energia-előállító részben a szivattyú túlnyomástól való védelméről gondoskodik. Az ehhez a szelephez vezető vezetékszakasz semmiképpen nem lehet zárható, és ugyanez érvényes a tartályhoz vezető nyomáshatároló szelephez vezető vezetékre is.

60. ábra: Közvetlen nyomáshatároló szelep (Kép: BoschRexroth) Folyamatos működésű szivattyúkkal rendelkező hidraulikus berendezések esetén, ha a fogyasztók nem vesznek ki térfogatáramot, a teljes, a szivattyú által továbbított térfogatáramnak a nyomáshatároló szelepen keresztül kell tudnia visszajutnia a tartályba. Ekkor a szivattyú által létrehozott nyomóenergia hővé

106

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos alakul, azonban a nyomáshatároló szelep a berendezés nyomását a beállított értéken tartja. A kis nyomáshatároló szelepek közvetlen hatásúak. Konstrukciójukat illetően lehetnek ülékes vagy tolattyús szelepek is. Mindkét típusnál olyan felületre hat a nyomás, melynek egy rugó ereje tart ellent. Amint a nyomóerő meghaladja a rugóerőt, a szelep kinyit. A rugóerő állításával különböző nyitónyomás értékek állíthatók be. A szelep belengését egy csillapító henger vagy különböző fojtási helyek gátolják meg. Az ülékes konstrukció előnye, hogy az ilyen szelepek nagyon gyorsan nagy keresztmetszetet szabadítanak fel, és ezért a reakcióidejük nagyon rövid. Ezzel ellentétben a tolattyús szelepekkel finomabb vezérlés lehetséges, mivel a tolattyún található rovátkák a térfogatáramnak eleinte csak lassabb átáramlását teszik lehetővé. A közvetlenül ható nyomáshatároló szelepek esetén nagyobb térfogatáramoknál erősebb rugóra van szükség, ezért itt nagyobb erők hatnak, így maga a szelep mérete is nagyobb. Ebből kifolyólag nagyobb térfogatáramok esetén elővezérelt nyomáshatároló szelepeket használunk. Az elővezérelt nyomáshatároló szelep egy főszelepből és egy elővezérlő szelepből áll. A főszelep szeleptestére az egyik oldalról nyomás nehezedik, ami egy kis fojtón keresztül jut át a másik oldalra úgy, hogy a két nyomóerő kiegyenlíti egymást. Azonban egy rugó zárva tartja a szelepet. Mivel zárt szelep mellett a szeleptesten az erők kiegyenlítik egymást, a rugónak csak kis erővel kell rendelkeznie. A főszelep rugóoldalán a nyomást egy közvetlenül vezérelt nyomáshatároló szelep korlátozza. Ez az elővezérlő szelep akkor nyit ki, ha a nyomás túllépi az előre beállított értéket. Mivel a főszelep szeleptestének fojtóján keresztül csak kis mennyiségű munkafolyadék áramolhat be, ott lecsökken a nyomás. Az így kialakult nyomáskülönbség hatására a szeleptest eltolódik, és a szelep kinyit. Az elővezérlő szelepen átáramló munkafolyadék a szelep fő visszafolyási áramával visszajut a tartályba. Ha azonban

107

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ előfordulhat, hogy a vezetékben nyomás épül fel, megváltozik a beállított elővezérlési nyomást. Ennek elkerülése érdekében az elővezérlő szelep térfogatáramát külön kell visszavezetni a tartályba. Vannak olyan nyomáshatároló szelepek, melyek segítségével ez megoldható. Távvezérlés esetén az elővezérlő szelep a főszeleptől térben távolabb is elhelyezkedhet. Ekkor a főszelep általában a hidraulikus berendezés közelében, az elővezérlő szelep pedig az operátor által könnyen elérhető helyen található. A két szelep kapcsolatát egy kis keresztmetszetű csővezeték biztosítja.

61. ábra: Elővezérelt nyomáshatároló szelep (Kép: BoschRexroth) Ha az elővezérlő szeleppel egy útszelepet kapcsolunk párhuzamosan, az útszelep kinyitásával csökkenthetjük a vezérlőnyomást, és ezáltal a főszelep is kinyit. Így például egy kis útszeleppel nyomásmentes átfolyásos kapcsolást hozhatunk létre. Folyamatos működésű szivattyúk esetén, ha éppen nincs szükség nyomásra, a munkafolyadék így komolyabb energia-befektetés nélkül juttatható vissza a tartályba. Több, különböző vezérlőnyomású, párhuzamosan kapcsolt elővezérlő szelep segítségével a főszelepen a megfelelő nyomás állítható be. Az elővezérlő szelepeket az előző példához hasonlóan itt is kis útszelepekkel kapcsoljuk be és ki. Elméletileg lehetséges több főszelep mindössze egy elővezérlő szeleppel történő vezérlése is, azonban a főszelepek az egymásrahatás következtében ekkor könnyen lengésbe jönnek.

108


A nyomáshatároló szelepek a nyomás korlátozása mellett más feladatokat is elláthatnak. Jóllehet az ilyen szelepek önálló megjelöléssel rendelkeznek, felépítésük alig különbözik a nyomáshatároló szelepek felépítésétől. Az ellentartó (fékező-) szelep egy olyan nyomásirányító szelep, ami a munkahengerből visszaáramló hidraulikaolajat tartja nyomás alatt. Mivel a kifolyó munkafolyadéknak a henger elhagyása előtt először egy bizonyos nyomást kell felépítenie, a dugattyú mindkét oldalán van nyomás. Ezt hidraulikusan feszített állapotnak nevezzük. A dugattyú hidraulikusan feszített állapotát elsősorban a dugattyúrúdra ható húzóerő esetén alkalmazzuk, így elkerülhető a munkahenger kontrollálatlan mozgása. Az ellentartó szeleppel párhuzamosan visszacsapó-szelepet kell kapcsolni, hogy az ellentétes irányban a munkafolyadéknak ne a nyomásirányító szelepen kelljen átáramolnia. Az ellentartó szelepek részben kikapcsolhatók. Csak akkor kapcsoljuk be őket, ha szükségünk van az adott funkcióra, így az ellennyomás áthidalásából adódó teljesítményveszteséget korlátozni tudjuk. A nyomáshatároló szelepet követő szelepnek (rákapcsoló szelep, nyomásrákapcsoló szelepnek) nevezzük, ha a nyomást csak egy bizonyos határérték túllépése után engedi tovább a következő elemre. Így például egy munkahenger csak akkor futhat előre, ha már megfelelő nagyságú nyomás épült fel, azaz elég erőt tud majd kifejteni. Az ellenirányú áramlás megakadályozása érdekében a követő szelepekhez is kapcsolunk párhuzamos visszacsapó-szelepet. A követőszelep bekapcsolása történhet külön vezérlőcsatlakozón keresztül is. Az ilyen külső vezérlésű követőszelepek funkciójukban hasonlítanak a 2/2-útszelepkre, azonban ezekkel ellentétben a kapcsoláshoz szükséges vezérlőnyomásuk állítható. A követőszelep belső vezérlésű, ha a vezérlőnyomás a követőszelephez vezető vezetékből származik. A külső vezérlésű követő- (nyomásrákapcsoló) szelephez hasonló a nyomáslekapcsoló szelep, mely a beállított nyomás túllépésekor a hidraulikakör egy részét a tartályra kapcsolja. Ennek a résznek visszacsapó szeleppel történő - leválasztása mellett a rendszer maradék része tovább működik. Tipikus példa: egy két-szivattyús

109

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ rendszerben a kisnyomású szivattyút a lekapcsoló-szelep segítségével a beállított nyomás elérésekor a nagynyomású szivattyúszelep segítségével a beállított nyomás elérésekor a nagynyomású szivattyúról a tartályra kapcsolják. Hasonló kapcsolás alkalmazható az akkumulátor feltöltésekor. Amint a tárolóban elértük a kívánt nyomást, a nyomáslekapcsoló szelep a szivattyút nyomásmentes átfolyásra kapcsolja. A munkafolyadék akkumulátorból való távozását egy visszacsapószelep akadályozza meg.

2.9.2 Nyomáscsökkentő szelepek A nyomáscsökkentő szelepek a bemenő nyomást egy előre megadott kimeneti nyomásra redukálják. Ezeket csak akkor alkalmazzák, ha egy berendezésben különböző nyomások szükségesek. Így nem szükséges több szivattyú alkalmazása. A nyomáscsökkentő szelepek esetén, éppúgy, mint a nyomáshatároló szelepeknél a kisebb típusok közvetlen vezérlésűek, míg a nagyobb térfogatáramok esetén használt szelepek elővezéreltek. Konstrukciós elvük általában tolattyús, így a fellépő résolaj elvezetéséhez külön vezeték szükséges. A résolaj főáramba való bevezetése nem lehetséges, mivel ez a szelep előtt és után is nyomás alatt van. A nyomáscsökkentő szelepek működéséhez előttük a beállítottnál nagyobb nyomásra van szükség. Tehát a kimeneti nyomás soha nem lehet nagyobb, mint a szelepre ható nyomás. Ha a bemeneti nyomás kisebb, mint a beállított nyomás, ez változatlanul kerül a kimenetre. A közvetlen vezérlésű szelepek egy tolattyúval rendelkeznek, melynek egyik oldalára a kimeneti nyomás, míg a másik irányba az állítható erejű rugó hat. Alacsony kimeneti nyomás esetén ez a rugó nyitva tartja a szelepet, és csak a szelep utáni nyomás megnövekedésekor nyomódik össze a rugó, ami a szelep bezárulásához vezet. Az elővezérelt nyomáscsökkentő szelepek esetén a kimeneti nyomás egy fojtási helyen keresztül kerül a tolattyú másik oldalára. Mivel a két nyomóerő kiegyenlíti egymást, nyomásmentes állapotban a szelep nyitva tartásához csak egy kis mechanikus rugóra van szükség.

110

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos Elővezérlő szelepként egy kis nyomáshatároló szelepet használunk, mely a rugót körülvevő tér nyomását korlátozza. Ha a nyomás meghaladja a beállított értéket, ez a szelep kinyit. Mivel a tolattyúra még mindig hat a kimeneti nyomás, a főszelep bezár, tehát a nyomáscsökkentő szelep mögött nem nőhet tovább a nyomás.

62. ábra: Elővezérelt 2-utas nyomáscsökkentő szelep (Kép: BoschRexroth) A nyomáscsökkentő szelepeket általában 2- vagy 3-utas szelepekként gyártják. A 2-utas szelep esetén először a szelep kimenetén csökken a nyomás. Ha azonban ez külső behatások eredményeként ismét nőne, ezt a nyomást már nem lehet leépíteni. A 3-utas konstrukció esetén létezik egy harmadik csatlakozó, mely a tartályhoz vezet, és melyen keresztül a túlnyomás leépíthető. Így tehát a kimenet nyomáscsökkentő szelepe további nyomáshatároló szelepként működik.

2.10 Áramlásirányító szelepek Az áramlásirányító szelepeket henger sebességének, vagy motor fordulatszámának csökkentésére használják. Mivel mind a sebesség, mind a fordulatszám a térfogatáramtól függ, ezt kell csökkenteni. Előnye a térfogatáram, és ezáltal a sebesség fokozat nélküli állíthatósága. Hátrány azonban, hogy a térfogatáram csökkentésével a nyomóenergia egy része hővé alakul, melynek következménye a munkafolyadék hőmérsékletének emelkedése.

111

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Az áramlásirányító szelepek felépítése nagyon egyszerű. Jóllehet a térfogatáram csökkentésekor energiaveszteség lép fel, mégis gyakran használják őket. A térfogatáram változtatható állítható szivattyúk segítségével is. Az állandó térfogatáramú szivattyúk mindig azonos mennyiséget szállítanak. Ha ezt a csökkenő sebesség miatt a fogyasztó nem használja, a térfogatáramot az áramlásirányító szelep szétosztja. A térfogatáram azon része, melyre nincs szükség, vagy a hidraulikus berendezés nyomáshatároló szelepén keresztül egyenesen visszaáramlik a tartályba, vagy az áramlásirányító szelep irányítja át ugyanide. A két legfontosabb áramlásirányító szelep a fojtószelep és az áramlásállandósító szelep. A fojtószelepek felépítése egyszerű, azonban a beállított térfogatáram a fojtószelep előtti és mögötti különböző nagyságú nyomás hatására változik. Ezzel szemben az áramlásállandósító a különböző differenciális nyomásokat kiegyenlítik, a térfogatáramot pedig állandó értéken tartják. Az áramlásállandósító szelepek is tartalmaznak fojtót, melynek viselkedése a munkafolyadék hőméréséletének, és ezáltal viszkozitásának változásával változik. Ezért a konstrukciónak olyannak kell lennie, hogy a viszkozitás változásának hatása lehetőleg minimális legyen. A fent említett két típuson kívül az áramlásirányító szelepek közé tartoznak az áramlásosztó szelepek is. Ezek a szelepek a térfogatáramot általában két egyenlő részre osztják fel. Ez lehetővé teszi például, hogy két munkahenger annak terhelésétől függetlenül szinkronizáltan előrefusson.

2.10.1

Fojtószelepek A fojtószelepek átfolyási ellenállást jelentenek. Ez az ellenállás függ az átfolyási keresztmetszettől és ennek geometriájától, valamint a munkafolyadék viszkozitásától. Az átfolyási ellenálláson átáramláskor a súrlódás és az áramlási sebesség növekedése miatt nyomáscsökkenés lép fel. A térfogatáram annál nagyobb, minél nagyobb a nyomáskülönbség a fojtón, és minél kisebb a munkafolyadék viszkozitása. Ha a fojtó keresztmetszete nem változtatható, akkor ezt állandó fojtónak nevezzük. A fojtási helyek általában inkább hosszúkásabbak és cső alakúak. A rövid fojtási helyeket blendének nevezzük.

112


Annak érdekében, hogy a fojtás lehetőség szerint független legyen a viszkozitás változásától, a fojtási helyek kör keresztmetszetűek, mivel ennél az alaknál a legnagyobb a felület és a kerület aránya. Minél hosszabb a fojtási hely, a fojtás annál inkább függ a viszkozitástól, ezért általában blendéket használunk. Alapvetően mindig ügyelni kell arra, hogy a fojtási keresztmetszetet ne tömíthessék el szennyeződések. Az állítható fojtószelepekben tűfojtót használnak. A kúp alakú tű részlegesen elzárja a kör alakú nyílást, tehát csak egy gyűrű alakú felület marad szabadon. Ekkor ugyan megmarad a kör keresztmetszet, azonban kis nyílások esetén a fojtás finom állítása nehézkes. Ezen túl a kis nyílást a szennyezők is könnyebben eltömítik. Háromszög keresztmetszet esetén a fojtó fojtási keresztmetszete különösen lassan és finoman állítható. Ez egy vezérlődugattyú eltolásával történik, melyben egy rovátka található. Itt az elszennyeződés veszélye számottevően kisebb, mint az előző esetben. Az ilyen fojtókat finomfojtónak is nevezik. A háromszögön kívül négyszög keresztmetszet is lehetséges. A fojtók a térfogatáramot mindkét irányban korlátozzák. Egy visszacsapó-szelep párhuzamosan kapcsolásával a fojtás alkalmazható csak az egyik irányra is. Ezt a kombinációt nevezzük fojtó-visszacsapószelepnek.

63. ábra: Fojtó-visszacsapószelep (Kép: BoschRexroth)

113

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A munkahengerek gyorsított üzemmódról normál üzemmódra történő átváltása is történhet fojtók segítségével. Ebben az esetben a szelepeket mechanikus úton, görgők segítségével kapcsoljuk. Ekkor a lassabb sebességre való átkapcsolás nem annyira hirtelen, mint az útszelepekkel történő kapcsolás esetén. Ha egy munkahenger fojtott állapotban fut előre, és a löket alatt megváltozik a henger szükséges ereje, a henger előtti nyomás is megnő. Ekkor csökken a fojtón eső nyomáskülönbség, és csökken az átáramlás. Ha változó terhelések esetén az ilyen sebességváltozások nemkívánatosak, nem használhatunk fojtót.

2.10.2

Áramlásállandósító szelepek Az áramlásállandósító szelepek a végrehajtó változó terhelésekor megakadályozzák a térfogatáram változását. Csak egy irányba haladhat át rajtuk áramlás, ezért mindig egy visszacsapó-szeleppel vannak párhuzamosan kapcsolva. Ha arra van szükség, hogy az áramlásállandósító szelep a térfogatáramot mindkét irányban befolyásolja, négy visszacsapó-szelepből egyenirányító kapcsolást kell létrehoznunk. Az áramlásállandósító szelepek is tartalmaznak állítható fojtót, melyet mérőfojtónak nevezünk. Ezen felül az áramlásállandósító szelepben található még egy mozgó szabályozó fojtó is, ez a nyomásmérő. A 2-utas áramlásállandósító szelepek esetén a mérő és a beállító szelep egymás után állnak. A 3-utas konstrukció esetén a két fojtó egymással párhuzamos. A 2-utas áramlásállandósító szelepek esetén a mérő és a szabályozó szelep sorrendje tetszőleges lehet. A szelep nyugalmi állásban nyitott. Ha folyadék járja át, a beállító fojtó előtt bemenő nyomás jön létre. A beállító fojtónál nyomásesés keletkezik. Azért, hogy a nyomáskülönbség állandósító egyensúlyban maradjon, a másik oldalra rugót kell beépíteni. A beállító fojtón keresztül ez a rugó hozza létre a konstans nyomáskülönbséget. Ha a fogyasztó terhelésnövekedése a szelep kimenetére jut, akkor a nyomáskülönbség állandósító annyival csökkenti az ellenállást, amennyivel a terhelés nőtt. Amíg a nyomásszabályozó szelepen nem áramlik át munkafolyadék, a szabályozó szelep nyitva van. Üresjáratban a nyomáskülönbség állandósító a rugó segítségével egyensúlyban van. A szelep egy meghatározott ellenállást jelent, ezt az ellenállást a beállító fojtó a kívánt térfogatáramnak megfelelően

114

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos állítja be. Ha a szelep kimenetén a nyomás nő, a beállító fojtón változik a nyomáskülönbség, mely a tolattyú felületére hat. Az ebből keletkező erő a rugóerővel együtt a nyomáskülönbség állandósítóra hat. A nyomáskülönbség állandósító addig nyit, míg az erők ismét egyensúlyba kerülnek, és ezzel a beállító fojtónál a nyomásesés ismét eléri az eredeti értéket. A 2-utas áramállandósítónál a nem szükséges térfogatáramot a fojtószelephez hasonlóan, a határolón keresztül a tartályba vezetik.

64. ábra: 2-utas áramállandósító szelep A 3-utas áramállandósító hasonló módon működik, azonban itt a felesleges térfogatáram a harmadik csatlakozón keresztül visszakerül a tartályba. Mivel a 3-utas áramállandósítónál térfogatáram-osztás történik, a nem szükséges térfogatáramot nem kell a megszokott módon a nyomáshatároló szelepen keresztül visszavezetni a tartályhoz. A szivattyúnak csak a végrehajtóhoz és a nyomásszabályozó szelephez szükséges nyomást kell létrehoznia, így a munkafolyadék kevésbé melegszik fel. A 3-utas áramállandósítókat azonban csak a fogyasztó bevezető csatlakozójába építhetjük be. Több 3-utas áramállandósító párhuzamos kapcsolása nem lehetséges.

2.10.3

Áramosztók Az áramlásosztó szelepek a térfogatáramot általában két egyenlő részre osztják fel. Ez lehetővé teszi több fogyasztó egyidejű kiszolgálását, még ha ezek különböző tereléseket is okoznak. Az áramosztóban általában középállásban egy szabályozó dugattyú helyezkedik el, melynek két felületére a két kimeneti nyomás hat. Az

115

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ egyik kimeneti nyomás megnövekedésekor a dugattyú eltolódik, így a nagyobb nyomás oldalán nagyobb kimeneti nyílás áll rendelkezésre, miközben a kisebb nyomás oldalán csökken a kimeneti nyílás. A térfogatáramok tehát kiegyenlítődnek. A térfogatáram megosztása két, megegyező nyelési térfogatú és tengelyekkel mechanikusan összekapcsolt hidromotor segítségével is lehetséges. A térfogatáram megosztása lehetséges több 2-utas áramállandósító segítségével is.

2.11 Akkumulátorok A gázokkal ellentétben a folyadékok alig összenyomhatók. Ha egy nyomás alatt álló folyadékot egy tartályba töltünk, alig tudunk energiát tárolni, tehát a folyadék a tartályból való kivezetéséhez ismét energiára van szükség. Gyakran gáz segítségével gyakorlunk nyomást a folyadékra, azonban a gáz folyadékba oldódása elkerülése érdekében a két közeget egymástól el kell választani. Ez vagy egy elasztikus membrán, egy tömlő, vagy egy dugattyú segítségével történhet. A folyadék kiemelésének másik lehetősége a szükséges erő rugó vagy egy test súlya folytán való kifejtése. A munkafolyadékot itt szintén egy szabadon mozgó dugattyúrúd nélküli dugattyú választja el a környezetétől, mely egy henger alakú tartályban mozog. Az ellenerőt egy megfelelően nagy súly adja, azonban az ilyen akkumulátorokat ebben az esetben természetesen csak függőlegesen lehet beépíteni. Más a helyzet, ha az ellenerőt egy mechanikus rugó fejti ki, azonban ennek ellenére ezt az akkumulátortípust ritkán használják.

2.11.1

Az akkumulátor feladatai A hidraulikus berendezésekben a szivattyúk egy a konstrukciójuk által adott térfogatáramot továbbítanak. Ha azonban csak rövid időre van szükség nagy térfogatáramokra, a szivattyúnak ezt is tudnia kell továbbítani, miközben a maradék időben erre a mennyiségre nincs is szükség. Kisebb szivattyúk használhatóságának érdekében az alacsonyabb térfogatáram-igény során telik az akkumulátor. Ha hirtelen nagyobb térfogatáramra van szükség, ez az igény innen fedezhető. A kisebb

116

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos szivattyú energiaigénye kisebb, így a munkafolyadék is kevésbé melegszik. Az akkumulátor feltöltésének másik módja a fékező hidromotor használata. Az akkumulátor másik feladata a nyomás hosszú ideig állandó értéken tartása. Például egy munkadarab befogása vagy feszítése esetén ekkor nem a szivattyúnak kell folyamatosan fenntartania a nyomást. Az esetlegesen fellépő tömítetlenségekből adódó folyadékveszteség is az akkumulátorból pótolható. Szintén az akkumulátorok feladata a tartaléknyomási munkafolyadék rendelkezésre tartása. Vészhelyzetben, például az energiaellátás kimaradásakor ezáltal a hidraulikus berendezés még egy darabig működésképes marad. A szivattyú ugyan már nem hoz létre nyomást, azonban az akkumulátor segítségével a munkahengerek mozgatása még lehetséges. Bizonyos szivattyúk a térfogatáram pulzálását okozzák, de a szelepek gyors kapcsolásakor is előfordul a munkafolyadék hirtelen gyorsítása és fékezése, ami nyomáslökéseket okoz. Ezeket az akkumulátor legyengíti. Az akkumulátor hidraulikus rugóként is használható, mely köteleket vagy láncokat feszít ki. Az akkumulátor a zárt rendszerekben fellépő, a hőmérséklet változásából adódó térfogatváltozásokat is kiegyenlíti.

2.11.2

Dugattyús akkumulátor A dugattyús akkumulátornál a dugattyúrúd nélküli dugattyú egy hengeres csőben mozog. Ez a dugattyú választja el a munkafolyadékot a dugattyú másik oldalán található gáztól. A hengeres akkumulátor két ellentétes lapos felületén egy-egy csatlakozó található. Az egyik csatlakozón keresztül áramlik be és ki a munkafolyadék, míg a másik csatalakozó a gáz oldalán van, és annak utántöltésére szolgál. Lehetséges egy különálló gáztartály csatlakoztatása is. A gáz minden esetben nitrogén. Ugyan a dugattyús akkumulátor tetszőleges orientációval beépíthető, mégis a függőleges elrendezést részesítik előnyben. Ebben az esetben a munkafolyadék csatlakozója alul helyezkedik el, így a dugattyúra nem ülhet ki szennyeződés, ami a tömítések elhasználódását vonná maga után.

117


Az akkumulátor feltöltésekor a szabadon mozgó dugattyú eltolódik, és összenyomja a gázt. Fordítva pedig amint annak csatlakozója kinyílik, a gáz nyomja ki a folyadékot az akkumulátorból. A dugattyú eltolásakor a súrlódás mellett a dugattyú tehetetlenségét is le kell győzni, ezért kis térfogatáramok esetén a dugattyú rángathat. Ezt a henger belső felületének különösen finom megmunkálásával csökkenthetjük. A dugattyús akkumulátorok nagy nyomás és nagy térfogatáramok esetén alkalmasak. Léteznek olyan konstrukciók is, ahol a dugattyú pozícióját, tehát ezáltal az akkumulátor telítettségi állapotát kifelé egy dugattyúrúd jelzi, így ennek megfelelően a szivattyúk kapcsolása is vezérelhető. A belső felület igényes megmunkálása miatt a dugattyús akkumulátor drágább, mint más akkumulátortípusok.

2.11.3

Tömlős és membrános akkumulátor A tömlős akkumulátor szintén egy henger alakú tartályból áll, melynek sík felületei le vannak kerekítve. A tartály belsejében egy nitrogénnel töltött, rugalmas tömlő található. Amíg az akkumulátorban nincs folyadék, a tömlő belülről kitölti a tartályt. Ha a tartályba munkafolyadék áramlik, a tömlő, és a benne található gáz összenyomódik. Mivel ekkor a tömlő térfogata csökken, a tömlő eredeti méretének helyét most folyadék töltheti ki. Ha a folyadék elhagyja a tartályt, a tömlő ismét kitágul.

65. ábra: Tömlős akkumulátor (Kép: BoschRexroth)

118

Folyadékok - Jegyzet ________________________________________________________________Minos A munkafolyadék csatlakozóját egy speciális berendezés védi, mely megakadályozza a tömlő csatlakozóba való behatolását. Emellett a tömlő is rendelkezik egy csatlakozóval, melyen keresztül nitrogén tölthető be vagy ki. A tömlő térfogat-változásakor fellépő súrlódás nagyon csekély, és a tömlő tömege is kicsi, így az akkumulátor feltöltése ill. leeresztése szinte tehetetlenségmentesen történik. A tömlős akkumulátorokat elsősorban függőlegesen építik be, az energiacsatlakozó alul, a tárolásra alkalmas térfogat pedig középen található. A membrános akkumulátor hasonlít a tömlős típusra, azonban itt a munkafolyadék és a nitrogén elkülönítéséről egy a tartályt két részre osztó membrán gondoskodik. A membrános akkumulátor gömb alakú, a membrán pedig körülbelül a tartály felénél helyezkedik el, itt kapcsolódik a tartály falához. Az akkumulátor telítettségi állapotától függően a membrán az egyik vagy a másik irányba tágul. A membrános akkumulátor tetszőleges orientációval beépíthető. Az ilyen akkumulátorokat főként kis tárolandó térfogatok esetén alkalmazzák.

2.11.4

Gáztöltésű akkumulátorok feltöltése A gáztöltésű akkumulátorok töltése mindig nitrogén, mivel más gázok, pl. levegő vagy oxigén használatakor robbanásveszély áll fenn! Az akkumulátor normál használatakor a gáz mennyiségét nem változtatjuk, mivel a tömítetlenségekből adódó nitrogénveszteség csekély. Azonban üzembe helyezés előtt, és javítás, karbantartás után ellenőrizni kell a gáznyomást. Előfordulhat, hogy az új akkumulátor szállításakor a töltőnyomás túl alacsony. Az üres tartály esetén uralkodó gáznyomást előfeszítési nyomásnak nevezzük. Az akkumulátor töltéséhez a munkafolyadék nyomásának ezen nyomásértéket meg kell haladnia. Az előfeszítési nyomást úgy határozhatjuk meg, hogy a tartályt teljesen feltöltjük, majd lassan leengedjük. A munkafolyadék nyomása lassan csökken, mígnem hirtelen lezuhan. Ebben a pillanatban zárja el a tömlő vagy a membrán a kimeneti csatlakozót, így több folyadék nem hagyhatja el a tartályt. A hirtelen nyomásesés előtti nyomás megfelel az előfeszítési nyomásnak.

119

Folyadékok - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Az akkumulátor minimális üzemi nyomása akkora legyen, hogy a munkafolyadék kb. 10%-a legyen a tartályban. Ezzel elkerülhető, hogy a tömlő vagy membrán zárószelepe működésbe lépjen. A tartály töltésekor a gáz összenyomása hatására ennek nyomása is nő, így a töltési nyomás is emelkedik. Ebből adódik tehát egy maximális üzemi nyomás, amit a szivattyúnak el kell tudnia érni. A tárolt munkafolyadék hasznos térfogata a minimális és maximális üzemi nyomás különbségségéből adódik. Ha a minimális és maximális nyomás különbségsége kicsi, a gáztérfogatot egy külső tartály csatlakoztatásával bővíthetjük. Ez az akkumulátor töltési nyomásának kismértékű emelkedéséhez vezet, és az akkumulátor tovább tölthető. A hasznos tárolási térfogat változhat, ha az akkumulátort túl gyorsan töltjük vagy ürítjük. Ebben az esetben a gáz nyomásával párhuzamosan annak hőmérséklete is változik. Erre az akkumulátor tervezésekor ügyelni kell. A gáztöltésű akkumulátorok nyomás alatt álló tartálynak számítanak, így az üzemi nyomás ellenőrzése céljából mindig rendelkezésre kell állnia egy manométernek. Ezen kívül szükség van egy biztonsági- és túlnyomásszelepre is, melynek vezetéke nem lehet elzárható.

120

Mechatronika Modul 4: Elektromos meghatók És vezérlések





Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos

Tartalom 1

A villamosság alapjai ......................................................................................... 7 1.1 Bevezetés.................................................................................................. 7 1.1.1 A villamosság alkalmazási területei .................................................... 7 1.1.2 Energia- és meghajtástechnika .......................................................... 8 1.1.3 Irányítástechnika ................................................................................ 8 1.1.4 Elektronika ......................................................................................... 9 1.1.5 Híradástechnika ............................................................................... 10 1.1.6 A villamosság története .................................................................... 10 1.2 Feszültség, áram és ellenállás ................................................................. 13 1.2.1 Elektromos töltés, feszültség............................................................ 13 1.2.2 Elektromos áramerősség ................................................................. 16 1.2.3 Elektromos ellenállás ....................................................................... 18 1.2.4 Fajlagos elektromos ellenállás ......................................................... 19 1.3 Elektromos teljesítmény, munka .............................................................. 20 1.4 Elektromos áramkörök ............................................................................. 21 1.4.1 Soros és párhuzamos kapcsolás...................................................... 23 1.4.2 Mérőműszerek kapcsolása............................................................... 25 1.5 Egyenfeszültség ...................................................................................... 27 1.6 Váltakozó feszültség ................................................................................ 28 1.6.1 Induktív és kapacitív terhelés ........................................................... 30 1.7 Elektromos kapcsolások ábrázolása ........................................................ 34 1.7.1 Elektromos alkatrészek .................................................................... 34 1.7.2 Kapcsolási rajzok ............................................................................. 36 1.8 Elektromos alkatrészek............................................................................ 39 1.8.1 Kapcsolók és gombok ...................................................................... 39 1.8.2 Végállás-kapcsoló ............................................................................ 42 1.8.3 Nyomáskapcsoló.............................................................................. 45 1.8.4 Jelzőberendezések .......................................................................... 45 1.8.5 Relék és kontaktorok........................................................................ 47 1.9 Egyszerű alapkapcsolások....................................................................... 49 1.9.1 Elektromos öntartás ......................................................................... 49 1.9.2 Léptetőlánc ...................................................................................... 50 1.9.3 Pneumatikus és hidraulikus kapcsolási rajzok .................................. 51 1.10 Védelem .................................................................................................. 53 2 Programozható logikai vezérlők (PLC)............................................................. 55 2.1 Bevezetés................................................................................................ 55 2.1.1 A PLC története................................................................................ 56 2.1.2 A huzalozott programozású és a programozható logikai vezérlők összehasonlítása............................................................................................. 58 2.1.3 A PLC-k előnyei és hátrányai ........................................................... 59 2.2 A PLC felépítése...................................................................................... 60 2.2.1 PLC-k típusai ................................................................................... 60 2.2.2 A PLC működése ............................................................................. 64

3

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ 2.2.3 Program futása................................................................................. 66 2.3 A digitális technika alapjai ........................................................................ 67 2.3.1 Bitek és byte-ok................................................................................ 68 2.3.2 Számrendszerek .............................................................................. 69 2.3.3 Bináris számrendszer....................................................................... 69 2.3.4 Hexadecimális számrendszer........................................................... 71 2.3.5 BCD számrendszer .......................................................................... 72 2.3.6 Egész számok.................................................................................. 74 2.3.7 Lebegőpontos számok ..................................................................... 75 2.4 Bináris kapcsolat...................................................................................... 76 2.4.1 ÉS-kapcsolat.................................................................................... 77 2.4.2 VAGY-kapcsolat............................................................................... 78 2.4.3 Negációs .......................................................................................... 79 2.4.4 Azonosság ....................................................................................... 80 2.4.5 NAND (ÉS-NEM).............................................................................. 81 2.4.6 NOR (VAGY-NEM)........................................................................... 82 2.4.7 Inhibíció............................................................................................ 83 2.4.8 Implikáció ......................................................................................... 84 2.4.9 Ekvivalencia ..................................................................................... 85 2.4.10 XOR (Antivalencia)........................................................................... 86 2.4.11 Logikai tároló.................................................................................... 87 2.4.12 Kapcsolás algebra............................................................................ 89 2.5 PLC programozása .................................................................................. 92 2.5.1 Strukturált programozás ................................................................... 92 2.5.2 Változók deklarálása ........................................................................ 94 2.5.3 Utasítások ........................................................................................ 95 2.5.4 Utasításlista AWL............................................................................. 96 2.5.5 Létradiagram (KOP) ......................................................................... 97 2.5.6 Funkcióterv (FBS) ............................................................................ 98 2.5.7 Lefutó nyelv (AS).............................................................................. 99 2.5.8 Strukturált nyelv (ST).......................................................................100 2.5.9 Időtag..............................................................................................101 2.5.10 Számláló .........................................................................................102 2.5.11 Tárolóelem ......................................................................................103 2.5.12 Lépésláncok....................................................................................104 3 Elektromos hajtások .......................................................................................105 3.1 Bevezetés...............................................................................................105 3.2 Elektromos és mágneses mező ..............................................................106 3.2.1 Elektromos mező ............................................................................106 3.2.2 Mágneses mező..............................................................................107 3.2.3 Indukció...........................................................................................109 3.3 Az áramellátás alapjai.............................................................................111 3.3.1 Áramfejlesztés.................................................................................111 3.3.2 Az áram szállítása és elosztása ......................................................112 3.4 Transzformátorok....................................................................................113 3.4.1 Ideális transzformátor......................................................................113 4

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos 3.4.2 Valódi transzformátorok ..................................................................115 3.5 Forgó villamos gépek..............................................................................117 3.5.1 Bevezetés .......................................................................................117 3.5.2 Háromfázisú gépek .........................................................................118 3.5.3 Forgatónyomaték és teljesítmény....................................................119 3.6 Aszinkron motorok ..................................................................................120 3.6.1 Rövidre zárt forgórész .....................................................................121 3.6.2 Egyfázisú váltakozó áramú rövidre zárt forgó résszel rendelkező motorok 122 3.7 Kommutátoros motorok...........................................................................124 3.7.1 Egyenáramú motorok gerjesztése...................................................126 3.7.2 Univerzális motorok.........................................................................128 3.7.3 A kommutátoros motorok lehetséges hibái......................................129 3.8 Egyéb motorok........................................................................................131 3.8.1 Szinkron motor ................................................................................131 3.8.2 Léptető motor..................................................................................133 3.9 Forgó mezős motorok vezérlése .............................................................135 3.9.1 Háromfázisú motorok indító kapcsolásai .........................................136 3.9.2 Kommutátoros motorok vezérlése ...................................................140 3.10 A motor védelme.....................................................................................142 3.10.1 Szigetelőanyagok osztályozása ......................................................144 3.10.2 Üzemmódok....................................................................................145 3.11 Üzembiztonság .......................................................................................146 3.11.1 Óvintézkedések...............................................................................147 3.11.2 Hibavédelem (érintésvédelem)........................................................148 3.11.3 Elektromágneses kompatibilitás (EMC) ...........................................149

5

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________

6


1 A villamosság alapjai 1.1 Bevezetés A villamosság minden olyan alkalmazási területet magába foglal, mely az elektromos áram és az elektromos és/vagy a mágneses mező bármilyen formáját alkalmazza. Ide tartozik az elektromos áram előállítása, átadása és alkalmazása, amikor az elektromos áramot nem csak gépek meghajtására használjuk, hanem a mérés-, szabályozás- és vezérléstechnika területein is. Szintén elektromos áramot használunk a számítógépekben, és a híradástechnikában. A modern gépek és berendezések működése elektromos áram nélkül elképzelhetetlen, így a műszerész / technikus számára is hasznos, ha alapvető ismeretekkel rendelkezik az egyes elektromos komponensek működésével kapcsolatban. Ide tartozik például az elektromos kapcsolási rajzok ismerete és értelmezésének képessége is. Léteznek olyan alkatrészek is, melyek több különféle energiaforrást is használnak. Sok szelep például elektromosan működtetett, azonban folyadékok vagy gázok révén mechanikus végrehajtókat vezérel. Általánosan érvényes, hogy 50 V váltakozó-, vagy 120 V egyenfeszültség felett az emberi testen átfolyó áram már veszélyes, és komoly sérüléseket okozhat, ezért ennek a veszélynek mindig tudatában kell lenni! Az ilyen veszélyes feszültségekkel való munkavégzéshez külföldön gyakran különleges képesítés és engedély szükséges1. Kis feszültségen mindenki végezhet munkálatokat. Ezért a gyakorlatok során mindig 24 V egyenfeszültséget használunk.

1.1.1 A villamosság alkalmazási területei A villamosságot klasszikusan erősáramú és gyengeáramú területre osztjuk2. Az erősáramú villamosságot manapság energiatechnikának és meghajtástechnikának nevezzük. A 1

Például Németországban. Németországban. Magyarországon a gyengeáram kifejezést nem csak a híradástechnikára értjük. A méréstechnika lehet erősáramú is, még akkor is, ha ma már a mérőrendszer kimenetén kis feszültség jelenik meg. Az elektronika és ezen belül a folyamatirányítás is a gyengeáramú csoporthoz tartozik. A hajtásokat inkább egyenáramú és váltakozó áramú gépekként ismerjük. Itthon az automatizálástechnika helyett az irányítástechnika az összefoglalója a vezérlés- és szabályozástechnikának.(A lektor) 2

7

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ giatechnikának és meghajtástechnikának nevezzük. A gyengeáramú terület mára híradástechnikává alakult. A villamossághoz tartozik továbbá időközben az elektromos méréstechnika és a szabályozástechnika, valamint az elektronika is. Az egyes részterületek azonban gyakran összeérnek, átfedésben vannak, így a határok elmosódottak. A technika fejlődésével pedig egyre több új részterület fejlődik ki. Manapság már szinte minden folyamat lényeges része valamilyen elektromos berendezés vagy vezérlés.

1.1.2 Energia- és meghajtástechnika A korábban erősármú villamosságként ismert területet időközben energiatechnikának nevezik, és a villamos energia létrehozásával, átvitelével és átalakításával foglalkozik. Az energiatechnikához tartozik a nagyfeszültség-technika is. A legtöbb esetben a villamos energiát mechanikus energia forgó generátorokban történő átalakításával hozzuk létre. Az energiatechnikához tartozik azonban a meghajtástechnika is, ami a villamos energia fogyasztóival foglalkozik. A meghajtástechnikát korábban szintén erősáramú villamosságként tartották számon. Ez a terület az elektromos energiát mechanikus energiává konvertáló elektromos berendezésekkel foglalkozik. Az ilyen gépek jellegzetes képviselői a szinkron-, az aszinkronés az egyenáramú gépek. A kisebb meghajtók között azonban még számos további típus létezik. A meghajtástechnikában jelenleg a lineáris motorok kifejlesztésén is dolgoznak. Az ilyen motorok a villamos energiát közvetlenül lineáris mechanikai mozgássá alakítanák, tehát ebben az esetben a forgó mozgáson keresztül lineáris mozgássá való konvertálás lépése elmaradhatna.

1.1.3 Irányítástechnika Az automatizálás-technikában egy vagy több manuális lépést automatizálunk, illetve felügyelünk. Ehhez a mérés-, vezérlésés szabályozástechnika módszereit alkalmazzuk. A szabályo-

8

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos zás- és vezérléstechnika területén elsősorban digitális technikát alkalmazunk. Az irányítástechnika egyik fő területe a szabályozástechnika, hiszen valamilyen szabályozás szinte minden műszaki rendszerben található. Az irányítástechnika mindennapi életben megtalálható egyszerű alkalmazásaira példa a vasaló vagy mosógép hőmérsékletszabályozása. Ennél lényegesen komplikáltabb szabályozásra van szükség ipari robotok működtetése esetén. További alkalmazásra példa a motorok fordulatszámának szabályozása. A járművekben is találhatunk példát a szabályozástechnikára: ilyen például a motorok vezérlése, vagy a futómű stabilitásszabályozása is. A vegyiparban a különböző folyamatok szabályozása szintén az irányítástechnika szép példája. A villamosság különböző alterületei részben fedik, és ki is egészítik egymást. Mivel az automatizálás-technikában sok elektromos meghajtó által létrehozott mozgásra van szükség, a meghajtástechnika is fontos terület. Ugyanígy, a meghajtástechnika szempontjából az elektronika fontos részterület, hiszen a meghajtókat vezérelni és szabályozni kell.

1.1.4 Elektronika Az elektronikus építőelemek, pl. a kondenzátorok, tekercsek és félvezetőelemek (diódák, tranzisztorok) fejlesztése, gyártása és alkalmazása a villamosság elektronika alterületéhez tartozik. Az elektronika mikroelektronika része a félvezetőelemekből felépülő integrált áramkörök fejlesztésével és előállításával foglalkozik. Ide tartoznak a jelek egyszerű összekapcsolására szolgáló építőelemek, de a számítógépek processzorai vagy a hozzájuk tartozó grafikus kártya processzora is. A digitális technika szintén az elektronika részterülete, ide tartoznak a klasszikus logikai kapcsolások, melyeket ma tranzisztorok segítségével hoznak létre. A digitális technika számos vezérlés alapja, így kapcsolódik az automatizálás-technikához is.

9


1.1.5 Híradástechnika A korábban gyengeáramú villamosságként ismert területet ma híradástechnikának, és információ- és kommunikációtechnikának nevezzük. A híradástechnika feladata az információ elektromos impulzusok vagy elektromágneses hullámok formájában történő továbbítása a küldőtől egy vagy több feladó felé. Ekkor a küldőt és a feladót információforrásnak és információfogadónak nevezzük. Az információt a veszteségek minimalizálásával kell továbbítani, mivel ez a fogadó oldalán javítja az információ felismerhetőségét. A híradástechnika egy fontos területe a jelfeldolgozás, például a szűrés, de az információ kódolása és dekódolása is nélkülözhetetlen.

1.1.6 A villamosság története A villamosság kezdetben, az első az elektromossággal kapcsolatos felfedezések idején még a fizika része volt. Azonban Thomas Alva Edison és Werner von Siemens munkásságának köszönhetően a villamosság önálló tudományággá nőtte ki magát. 1752-ben Benjamin Franklin feltalálta a villámhárítót. Kísérleteinek eredményeit 1751-1753 között publikálta. 1792-ben Luigi Galvani elvégezte híres békacombos kísérletét, mely inspirálta Alessandro Volta-t, aki 1800-ban megépítette a Volta oszlopot, amit az első működő elemnek tekinthetünk. 1820-ban Hans Christian Ørsted egy mágneses tű elektromos árammal történő elfordításával kísérletezett. Szintén 1820-ban André Marie Ampère kísérletei bebizonyították, hogy két árammal átjárt vezető egymásra erőt fejt ki. Őreá vezethető vissza az elektromos áram és az elektromos feszültség fogalma.

10

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az elektromos és mágneses mezőkkel kapcsolatos kutatásokhoz sokban járult hozzá Michael Faraday is. Tőle származik a térerővonal fogalma. Faraday munkájára építve James Clerk Maxwell az elektromágnesesség elméletét elektrodinamikává bővítette, és megalkotta annak matematikai megfogalmazását is. 1864-ben Maxwell nyilvánosságra hozta a róla elnevezett Maxwell Egyenleteket, melyek a villamosság alapját képezik. 1860-ban Philipp Reis a Friedrichsdorf-i Garnier Intézetben feltalálta a telefont, mely lehetővé tette az elektromos beszédátvitelt. Abban az időben azonban senki sem figyelt fel a találmányra. Az első gazdaságilag használható telefont 1876-ban Alexander Graham Bell készítette az Egyesült Államokban, és csak ezt a készüléket sikerült sikerre vinni. Werner von Siemens az úgynevezett erősáramú villamosság egyik úttörője volt. 1866-ban felfedezte a dinamoelektromos elvet, majd ebből kifejlesztette az első generátort. Ekkor vált az elektromos energia nagy mennyiségben felhasználhatóvá. 1879-ben Thomas Alva Edison feltalálta a szénszálas izzót, mely ezután számtalan lakásba vitt fényt. Ezzel a villamosság az élet egyre több területének kezdett szerves részévé válni. Edisonnal szemben, aki inkább az egyenáram híve volt, Nikola Tesla és Michail von Dolivo-Dobrowolsky megalkották a váltakozóáram elvének alapjait, és így a mai energiaellátást is megalapozták. A világ első villamosmérnöki szaka 1883-ban indult a Darmstadti Műszaki Főiskolán. 1885-ben és 1886-ban az angliai University College London és az Egyesült Államok-beli University of Missouri további önálló villamosmérnöki tanszékeket hoztak létre. Az itt végzett mérnökök hatalmas területek áramosítását tették lehetővé. 1884-ben Heinrich Rudolf Hertz-nek sikerült a Maxwell Egyenletek kísérleti igazolása, mellyel bizonyította az elektromágneses hullámok létezését, és ezáltal lefektette a mai vezeték nélküli kommunikáció alapjait. Megszületett a híradástechnika.

11

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ 1896-ban Guglielmo Marconi továbbította az első vezeték nélküli rádió üzenetet, mégpedig 3 km-es távolságra. Az ő munkáján alapszanak az első adó- és vevőkészülékek, melyek 1900tól már a kereskedelmi forgalomban is kaphatók voltak. Az első rádiócsövet, egy diódát 1905-ben John A. Fleming készítette. Az azt követő évben egymástól függetlenül Robert von Lieben és Lee De Forest is kifejlesztette a triódát, ami mint erősítőcső, megadta a szükséges lökést a rádiózásnak. A televíziózás alapjait 1926-ban John Logie Baird fektette le, aki egyszerű eszközökkel megépítette az első mechanikus, Nipkow-korongon alapuló televíziókészüléket. 1928-ban már a színek átvitele is lehetségessé vált. Ebben az évben jött létre az első transzatlanti adás is: Londonból New York-ba. Manfred von Ardenne 1931-ben bevezette a katódsugárcsövet, s így az elektromos televízió hamar elfoglalta az így már elavulttá vált Nipkow-korongos televíziók helyét. A világ első működő, Z3 nevű számítógépét 1942-ben Konrad Zuse készítette. 1943-ban John Presper Eckert és John Mauchlyn elkészítették az ENIAC-ot, mely az Electronic Numeric Integrator and Computer (Elektromos Numerikus Integrátor és Számítógép) kifejezésből származik. Az ezzel megkezdődött számítógép-korszak számítási kapacitása lehetővé tette teljesen új technológiák kifejlesztését, így például ezáltal vált lehetséges a holdutazás is. A tranzisztort 1947-ben az Egyesült Államok-beli Bell Labororatóriumban William B. Shockley, John Bardeen és Walter Brattain fejlesztették ki, mely lehetővé tette a félvezetők kifejlesztését, és megalapozták számos alkatrész igen kompakt kivitelezését. További, fontos lépes volt ebbe az irányba az integrált áramkörök kifejlesztése, mely a mai mikroprocesszorok alapja. A világ első ipari robotját 1958-ban G. C. Devol és J. Engelberger építette az Egyesült Államokban. 1960-ban a General Motors használt először ilyen robotokat, melyek ma az irányítástechnika fontos komponensei. Az ipari robotok ma már sok iparágban, így például az autóiparban is nélkülözhetetlenek.

12

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos 1968-ban az Intel nevű cégnél dolgozó Marcian Edward Hoff kifejlesztette az első mikroprocesszort. A mikroprocesszor első kivitelezése 1969-ben az Intel 4004-volt, egy 4 bites proceszszor. 1973-ban az első 8-bites processzor, az Intel 8080 tette lehetővé az első személyi számítógépek létrehozását. Fontos digitális tárolóeszköz a Compact Disc (kompaktlemez), melyet CD-ként ismerünk, és melyet 1978-ban a Philips fejlesztett ki. 1982-ben a Philips és a Sony együttműködésének eredményeként létrejött az első audió CD. 1985-től a CDROM-okon már digitális információ is tárolható. A Honda 1996-ban mutatta be az első működő humanoid robotot, a P2-t, majd 1997-ben a P3-at. Ennek továbbfejlesztése a kb. 1,20 m magas Asimo, mely ellentétben a 210 kg-os P2-vel már csak 43 kg-ot nyom. Ezek a humanoid robotok teszik világossá a villamosság és az elektronikus komponensek, valamint a mechanikus alkatrészek összjátékát. Ezen különböző tudományterületek összekapcsolását nevezzük mechatronikának.

1.2 Feszültség, áram és ellenállás 1.2.1 Elektromos töltés, feszültség Az elektromosság oka az atomok felépítésében található. A Bohr-féle atommodell szerint a pozitív töltésű atommag körül negatív töltésű elektronok köröznek. Minden kémiai elem atommagja eltérő számú pozitív töltésű protont tartalmaz. Az atommagban szintén fellelhető neutronok nem rendelkeznek elektromos töltéssel. Alapesetben pontosan annyi elektron köröz az atommag körül, ahány protont az tartalmaz. Az alábbi ábrán 14 elektron látható, ami a szilíciumnak felel meg. Kifelé a töltések kiegyenlítik egymást, az atom tehát elektromosan semleges. Ha a külső elektronokat leválasztjuk az atomról, két különböző potenciál alakul ki. Az atommag pozitív töltésű, és ionnak nevezzük. Az elektronok töltése negatív.

13


1. ábra: Atommodell A külső elektronok leválasztásához munkát kell végezni. Ez a munka az elektromos feszültség, mely a leválasztás utáni eltérő potenciálok között kialakul. Ezen elektromos feszültség jele U, mértékegysége a Volt [V]: elektromos feszültség = elvégzett munka / leválasztott töltések U=W/Q Az elektromos feszültséget gyakran egyszerűen csak feszültségnek nevezzük, azonban nem keverendő össze az anyagokban ébredő mechanikai feszültségekkel. A Q töltésmennyiség mértékegysége a Coulomb [C]. A legkisebb lehetséges töltésmennyiség az elemi töltés (e), azaz egyetlen elektron töltése. Ez az elemi töltés: e = 1,602 · 10-19 C A töltések szétválasztására különböző módszerek léteznek: -

Mechanikai súrlódás Különböző anyagok dörzsölésekor az egyik anyagról leváló elektronok átkerülhetnek a másik anyagra. Ez történik például, ha egy lufi egy pulóverhez dörzsölődik. Fémes tárgy megérintésekor a töltéskülönbség kiegyenlítődik, melyet kellemetlen kis áramütés formájában észlelünk.

-

Indukció Indukció akkor jön létre, ha mágneses mezőben vezetőt mozgatunk. Ekkor feszültség indukálódik. Az indukció al-

14

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos kalmazásai közé tartoznak az erőművek generátorai, de az autó áramfejlesztője vagy a kerékpár dinamója is. -

Kémiai reakció A töltések elektrokémiai szétválasztásának egyik leggyakrabban használt példája az elem és az akkumulátor. Az akkumulátor újratölthető, tehát alkalmas az elektromos energia tárolására.

-

Fényhatás Fény, vagy általában véve elektromágneses sugárzás hatására szintén létrejöhet töltésszétválasztás. Ezt a folyamatot elsősorban a napelemek hasznosítják.

-

Nyomás Nyomás hatására a piezo kristályokban feszültség ébred. Az így létrejövő feszültség nagyon nagy, és szikraként kisülhet. Ezt a hatást öngyújtókban használjuk ki. Ugyan a létrejövő feszültség nagyon nagy, a kis elektromos áram miatt a piezo kristályok nem veszélyesek.

-

Hőhatás Két vezető anyag határfelületén hő hatására feszültség keletkezik. Ez a feszültség azonban nagyon kicsi. Ezt a hatást rézből és konstantánból készült termoelemek segítségével hőmérsékletmérésre használjuk.

A töltéseket továbbá elektromos mező segítségével is szét lehet választani. Példa Elemek és akkumulátorok fontosabb feszültségértékei: 1,2 V 1,2 V 1,5 V 2,0 V 3,7 V

Nikkel-kadmium akkumulátor (felépítése azonos az elemével) Nikkel-fémhidrid akkumulátor (felépítése azonos az elemével) Cink-szén elem (olcsó elemek) Ólomakkumulátor (autó akkumulátora) Lítium-ion akkumulátor (laptopok, mobiltelefonok)

Európában a feszültséget nagysága alapján három csoportra osztjuk: - Kisfeszültség

15

50 V váltakozó feszültségig, vagy 120 V egyenfeszültségig


- Alacsonyfeszültség 1000 V váltakozó feszültségig, vagy 1500 V egyenfeszültségig - Nagyfeszültség

1000 V váltakozó feszültség, vagy 1500 V egyenfeszültség felett

Példa További fontosabb feszültségértékek: 24 V 230 V 500 V 750 V 15000 V 380000 V ség)

Vezérlőfeszültség (pl. PLC) Hálózati feszültség (háztartások) Villamosok (egyenfeszültség) Berlini S-Bahn (egyenfeszültség) Vasút (váltakozó feszültség) Nagyfeszültségű vezetékek (váltakozó feszült-

Az egyen- és váltakozó feszültség közötti különbségről a későbbiekben lesz szó.

1.2.2 Elektromos áramerősség A szétválasztott töltések a kiegyenlítődés és ezáltal a semleges atomok létrehozása irányába törekszenek. A kiegyenlítődés akkor lehetséges, ha a különböző potenciálokat elektromos vezetővel kötjük össze. A töltéskiegyenlítődéskor a vezetőn elektromos áram folyik. Az áramerősség az adott idő alatt áthaladó töltések mennyisége. Az elektromos áramerősség jele I, mértékegysége az Ampère [A]: elektromos áramerősség = töltésmennyiség / idő I=Q/t Az elektromos áramerősség a nemzetközi mértékegységrendszer (SI) egyik alapegysége. A töltésmennyiséget Coulomb [C] helyett Ampèrsekundum-ban [As] is mérhetjük. Ekkor: 1 As = 1 C Mivel 1 As-nyi töltésmennyiség nagyon csekély, a gyakorlatban Ampèrórát [Ah] használunk. Ekkor:

16


1 Ah = 3600 As = 3600 C Példa Egy autó akkumulátorából 15 órán keresztül 4 A áramot veszünk ki. Ez mekkora töltésmennyiségnek felel meg? Q=I·t Q = 15 óra · 4 A Q = 60 Ah Az akkumulátorból 60 Ah-t vettünk ki. A műszaki áramirány az áramforrás pozitív pólusától a negatív pólus felé mutat. Ez a megállapodás azokból az időkből származik, amikor még nem ismerték a folyamatok pontos menetét, hiszen fizikai szempontból az elektronok a negatívtól a pozitív pólus irányába haladnak. Azonban mivel a változtatás hatalmas munkát igényelne, ez a konvenció továbbra is a fenti módon van érvényben. Az ember nem rendelkezik olyan érzékszervvel, mely érzékelné az áram folyását, így ezt csak műszerek segítségével tudjuk megállapítani. Ezen túl áram jelenlétére utalhatnak az alábbi jelek is:

17

-

Hőhatás Ha egy vezetőn áram halad át, ez felmelegszik. Ez gyakran nem kívánatos, mivel a melegedés energiaveszteséget jelent, azonban vannak olyan alkalmazások is, ahol szándékosan ezt a hatást használjuk ki (pl. elektromos fűtés, vízforraló).

-

Mágnesesség Minden árammal átjárt vezető körül mágneses mező alakul ki. Ezt a hatást az elektromotorokban használjuk fel, de alkalmazzuk relék működtetésére mágnestekercsekben vagy elektromosan vezérelt szelepek esetén is. Ekkor az elektromos energia mechanikai energiává alakul. A mágneses mező nem kívánatos jelenlétét elektroszmognak nevezzük.

-

Kémiai hatás Akkumulátorok töltésekor az elektromos energia kémiai energiává alakul, majd az akkumulátor használatakor az ellentétes folyamat játszódik le. A víz hidrogénre és oxigénre

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ való felbontása is történhet elektromos energia segítségével. Ezt elektrolízisnek nevezzük. -

Fényhatás Az izzólámpában az elektromos áram annyira felmelegíti a vezető szálat, hogy az fényt bocsát ki. A vezető elégésének megakadályozása céljából az izzólámpa búrája védőgázzal van megtöltve. Más fényforrások esetén, például kisülőlámpáknál egy gáz atomjainak és molekuláinak külső elektronjait elektromos mező gerjeszti, melynek hatására ezek fényt bocsátanak ki.

-

Fiziológiai hatás Az elektromos áram az emberre is hatással van. A fizioterápiában a folyamatok serkentése érdekében kis áramokat használnak, azonban a nagyobb áramokat mindenképpen el kell kerülni. Az emberre már 30-50 mA-es áramerősség is halálos!

1.2.3 Elektromos ellenállás Ha egy vezetőn áram halad át, a vezető ellenállást képez. Ellenállásmentes áram csak az abszolút nullpont közelében, szupravezetőkben lehetséges. Az elektromos ellenállás anyagfüggő, jele R. Az ellenállást az anyag fajlagos ellenállása [ρ] és az áram által átjárt test keresztmetszetének felülete [A] határozza meg: Ellenállás = Fajlagos ellenállás · Hossz / Keresztmetszet R=ρ·l/A Az elektromos ellenállás mértékegysége az Ohm [Ω]. Az elektromos feszültség, az elektromos áram és az elektromos ellenállás összefüggését az Ohm-törvény írja le: Ellenállás = Feszültség / Áram R=U/I Ez meghatározza tehát azt is, hogy egy adott ellenállás esetén mely áramerősség halad át a vezetőn: Áramerősség = Feszültség / Ellenállás

18

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos I=U/R Az áram tehát nagyobb, ha nagyobb a feszültség, vagy ha kisebb az ellenállás. Egy áramkör több alkotóelemből épül fel. A vezetők ellenállása nagyon kicsi, a fogyasztóé pedig nagy. Ha az áramkörben nem lenne fogyasztó, az áram folyásának alig szabna határt valami. Ezt az állapotot nevezzük rövidzárnak, mely a nagy áramok miatt, ha ezt nem védi biztosíték, a vezető pusztulásához vezet. Példa Az emberi test ellenállása kb. 1000 Ω. A testen 50 V feszültség mellett mekkora áram folyik át? I=U/R I = 50 V / 1000 Ω I = 50 mA 50 V esetén az emberi testen már életveszélyesen nagy, 50 mA áram halad át. Ugyan a bőr is rendelkezik átmeneti ellenállással, az 50 V feletti feszültség már életveszélyes.

1.2.4 Fajlagos elektromos ellenállás Egy anyag ellenállása annak fajlagos ellenállásától függ. A fajlagos ellenállás jele ρ, mértékegysége Ωm. Szintén használatos a szemléletes [Ωmm2/m] mértékegység. A fajlagos ellenállás képlete: Fajlagos ellenállás = Ellenállás · Keresztmetszet / Hossz ρ=R·A/l A fajlagos ellenállás reciprokát elektromos vezetőképességnek nevezzük. A fajlagos ellenállás hőmérsékletfüggő. Fémes vezető esetén az ellenállás a hőmérséklet növekedésével nő. A fajlagos ellenállás táblázatokban megadott értéke 20°C-ra vonatkozik. Az anyagfüggő hőmérsékleti együttható segítségével a fajlagos ellenállás más hőmérsékletekre is kiszámítható.

19

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ Példa Néhány anyag fajlagos ellenállása 20°C-on [Ωmm2/m]-ben megadva: Alumínium Réz Ezüst Grafit Szilícium Porcelán

0,0278 0,0175 0,0159 8,0 640 · 106 1020

1.3 Elektromos teljesítmény, munka Az elektromos teljesítmény az elektromos feszültség és az áramerősség szorzata. Jele P, mértékegysége a Watt [W]. Elektromos teljesítmény = Feszültség · Áramerősség P=U·I Példa Egy 230 V-os izzólámpa teljesítménye 60 W. Mekkora az izzón átfolyó áram? I=P/U I = 60 W / 230 V I = 0,26 A Az izzón 0,26 A folyik keresztül. Az elektromos teljesítmény független az időtől. Az elektromos munkát a teljesítmény és az idő szorzataként kapjuk. Jele W, mértékegysége Wattsekundum [Ws]. Elektromos munka = Teljesítmény · Idő W=P·t W=U·I·t A [Ws] helyett egységként Joule-t [J] is használunk. Azonban az 1 J munka igen csekély, ezért gyakran kilowattórát [kWh] alkalmazunk. 1 kWh = 3 600 000 J

20


A mechanikához hasonlóan a munka és az energia egysége itt is megegyezik. Példa Egy fűtőberendezés 2200 W teljesítményt vesz fel, és 230 Vos hálózati feszültségről működik. 24 óra alatt mennyi energiát használ fel? W=P·t W = 2200 W · 24 h W = 52 kWh A berendezés 24 óra alatt 52 kWh energiát használ fel.

1.4 Elektromos áramkörök Ha egy feszültség két pólusát összekötjük, áram folyik, és a töltések kiegyenlítődnek. Ha a két pólus összekapcsolása elágazás(oka)t is tartalmaz, az áramok és feszültségek a különböző ágakon eltérőek lesznek. Gustav Robert Kirchhoff állította fel a két róla elnevezett szabályt, mely több elektromos áram és feszültség hálózatbeli viselkedését írja le. Kirchhoff első törvénye a csomóponti törvény. Ezen szabály szerint egy csomópontba bemenő áramok összege megegyezik a kifelé folyó áramok összegével. A csomópontba befelé folyó áramok előjele így eltér a kifelé folyó áramok előjelétől, tehát összegüknek nullát kell eredményeznie. I1 + I2 = I3 + I4 + I5 vagy I1 + I2 - I3 - I4 - I5 = 0 A csomóponti törvény egy áramkör minden elágazásában teljesül.

21


2. ábra: Csomópont Kirchhoff második törvénye huroktörvény néven ismert. Ez a törvény azt mondja ki, hogy bármely zárt (elágazás nélküli) hurokban a hálózati (áramköri) elemeken - adott körüljárási irány mellett - eső feszültségek előjelhelyesen vett összege nulla.

Tehát: U1 + U2 = R1 · I + R2 · I + R3 · I vagy U1 + U2 - R1 · I - R2 · I - R3 · I = 0 Példa Egy autó ólomakkumulátora hat darab 2 V-os cellából áll. Mekkora az összefeszültség? Uössz = 6 · 2 V Uössz = 12 V Az ólomakkumulátor eredő feszültsége 12 V.

3. ábra: Áramkör

22


1.4.1 Soros és párhuzamos kapcsolás A soros és párhuzamos kapcsolású áramkörök több fogyasztót, azaz pl. izzólámpát, relék vagy szelepek tekercseit tartalmaznak. A feszültség és az áram a Kirchhoff-törvényeknek megfelelően oszlik meg. Soros kapcsolás esetén a fogyasztók egymás után helyezkednek el, és minden alkotóelemen ugyanakkora áram folyik. Ha minden lámpa azonos ellenállással rendelkezik, egyenlő feszültség esik rajtuk. Eltérő ellenállások esetén a kisebb ellenállású elemen kisebb feszültség esik, mint a nagyobb ellenállású elemen. A feszültségek eredője azonban megegyezik a feszültségforrás feszültségével. Több fogyasztót tartalmazó soros kapcsolás esetén ezeket feszültségesésüknek megfelelően kell kiválasztani. A képen látható példa esetén tehát 24 V-os lámpák csak halványan, vagy egyáltalán nem világítanának, hiszen egy 24 V-os feszültségforrásra vannak sorba kapcsolva.

4. ábra: Soros kapcsolás Éppen ezért érdemes egy áramkör egy ágában csak egy fogyasztót elhelyezni, melyet egy vagy több érintkező vagy kapcsoló vezérel. Az áramkörben lehetnek azonban észrevétlen fogyasztók is, például egy elhasználódott kapcsoló vezethet ellenállásnövekedéshez, ezáltal pedig feszültségcsökkenéshez. Ekkor a felhasználónak a feszültségforrás feszültségéből csak egy kisebb rész jut, ami hibás működéshez vezethet.

23

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ Két izzólámpa párhuzamos kapcsolásakor az áram oszlik két egyenlő részre. Mindkét lámpán azonos, a feszültségforrással megegyező feszültség esik. Ha több, eltérő ellenállású fogyasztót kapcsolunk egymással párhuzamosan, az áramok vagy feszültségek eltérően oszlanak meg. A nagyobb ellenállású fogyasztón kisebb áram folyik át, mint a kisebb ellenállású fogyasztón. Az egyes áramok kiszámítása az Ohm-törvény és a Kirchhoff-törvény alapján történik.

5. ábra: Párhuzamos kapcsolás Soros kapcsolás esetén az egyes alkatrészek ellenállásait öszszeadjuk: Rössz = R1+ R2 Ezzel ellentétben párhuzamos kapcsolásnál az egyes ágak áramai adódnak össze: Iössz = I1+ I2 A párhuzamos kapcsolás eredő ellenállást az alábbiak szerint számítjuk: 1 / Rössz = 1 / R1+ 1 / R2 Példa Egy 6 V-os villanykörtét egy teherautó áramkörébe akarjuk bekapcsolni. A teherautó tápfeszültsége 24 V. Az izzó kiégésének elkerülése érdekében a lámpa elé sorosan egy előtét ellenállást is beépítünk. A lámpán 3 A áram folyjon. Mekkora legyen az előtét ellenállás? A lámpa ellenállása 6 V esetén: R1 = U / I

24

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos R1 = 6 V / 3 A R1 = 2 Ω

Ahhoz, hogy 24 V mellett 3 A folyjon, az összellenállás értéke: Rössz = U / I Rössz = 24 V / 3 A Rössz = 8 Ω Az előtét ellenállás értéke tehát soros kapcsolás esetén: Rössz = R1+ R2 R2 = Rössz – R1 R2 = 8 Ω - 2 Ω R2 = 6 Ω Az előtét ellenállásnak tehát 6 Ω-osnak kell lennie ahhoz, hogy a lámpa ne égjen ki.

1.4.2 Mérőműszerek kapcsolása Feszültségméréskor a műszert a mérendő feszültségforrással párhuzamosan kell kapcsolni. Ha az áramkörben csak egyetlen fogyasztó található, akkor egyidejűleg a fogyasztón eső feszültséget is mérjük. Ha az áramkörben több fogyasztó is található, egy adott fogyasztón eső feszültséget úgy mérjük, hogy a készüléket a mérendő egyetlen fogyasztóval kötjük párhuzamosan. A párhuzamos kapcsolás miatt most az áram egy része a műszeren folyik át. Annak érdekében, hogy ne befolyásoljuk túlságosan a mérendő fogyasztón átfolyó áramot, a műszeren csak kis áram folyhat, azaz a mérőműszernek nagy belső ellenállással kell rendelkeznie. Egy mérőműszerrel különböző nagyságú feszültségeket kell tudnunk mérni, így maga a műszer kis ellenállású, a mérési tartományhoz szükséges eredő ellenállást pedig különböző előtét ellenállások bekapcsolásával változtathatjuk.

25


A mérési tartomány általában egy tekerhető kapcsoló segítségével választható ki. Ökölszabály, hogy a méréseket a mérési tartomány felső harmadában végezzük. Ismeretlen értékek esetén először magas értéket állítsunk be, majd innen kezdve lassan csökkentsük a mérési tartományt, amíg megjelenik a keresett érték. A feszültség mérésére szolgáló készülékeket voltméternek nevezzük.

6. ábra: Mérőműszerek kapcsolása Az áram méréséhez a mérőműszert az áramkörbe egyszerűen beillesztjük. Az áram befolyásolása elkerülése érdekében a műszer saját ellenállásának kicsinek kell lennie. Az áram mérésére szolgáló műszert amperméternek nevezzük. Különösen nagyobb váltakozó feszültségek mérése esetén az ampermétert csiptetőkkel is csatlakoztathatjuk, így a műszer beillesztéséhez nem kell megszakítani az áramkört. A feszültség és áramerősség mérésére is használható mérőműszereket multiméternek nevezzük. A különböző mérési tartományokat a különböző előtét ellenállások bekapcsolásával realizáljuk. Feszültségméréskor a különböző ellenállásokat magával a műszerrel sorba, áramméréskor pedig párhuzamosan kapcsoljuk. Multiméteres méréskor ügyeljünk arra, hogy feszültségméréskor ne árammérési tartomány legyen beállítva. Az árammérő nagyon kis ellenállása miatt a műszeren nagyon nagy feszültség esik, mely annak pusztulásához vagy a biztosítékok leolvadásához vezet.

26


7. ábra: Multiméter Az ellenállásokat az áramkörön kívül mérjük. Az ehhez szükséges műszert ohmméternek nevezzük. A mai multiméterek szinte mind digitális kijelzővel rendelkeznek, és gyakran más elektromos mennyiségeket is tudnak mérni.

1.5 Egyenfeszültség Az egyenfeszültség amplitúdója állandó, és a feszültségforrás polaritása változatlan. Az egyenáram feltétele az egyenfeszültség. Az egyenfeszültséget galvánelemekben, azaz elemekben és akkumulátorokban hozzuk létre. Generátorok váltakozó feszültséget állítanak elő, melyből pulzáló egyenfeszültséget csak egyenirányító segítségével hozhatunk létre. Az egyenfeszültség jele az egyenlőségjel. Például a 24 V= a 24 V egyenfeszültséget jelöli. Angol nyelvterületen az egyenáramot „direct current”-nek nevezik, rövidítése DC.

27


8. ábra: Egyenfeszültség

1.6 Váltakozó feszültség Az egyenfeszültséget elsősorban kis feszültségek esetén használjuk, így például a vezérlések gyakran 24 V egyenfeszültséggel működnek, a személygépkocsikban 12 V egyenfeszültséget alkalmazunk. Az egyenfeszültség hátránya, hogy az ilyen kis feszültségértékekkel nem lehet nagy teljesítményt átadni. Nagy energiamennyiségek szállításakor nagyon nagy feszültségre van szükség, hogy az áramerősség ne legyen túlzottan nagy. Azonban az egyenfeszültség sajnos nem emelhető egyszerűen. Ezért nagy feszültségek esetén általában váltakozó feszültséget alkalmazunk. A váltakozó feszültség nagysága és polaritása periodikusan változik, és előnye, hogy transzformátorok segítségével könnyen alacsonyabb vagy magasabb értékre alakítható át. Így például a távvezetékekben hatalmas feszültség uralkodik, és adott teljesítmény továbbításakor mégis kisebb áramok folynak, mint kisebb feszültségek esetén. A vezeték ellenállásából adódó elkerülhetetlen veszteségek így minimalizálhatók.

28


9. ábra: Váltakozó feszültség A váltakozó feszültség gyakran szinuszos, de létezik fűrészfog, háromszög vagy négyszögjelű moduláció is. A váltakozó feszültség esetén általában nem a csúcsfeszültséget adják meg, hanem az effektív értéket. A szinuszos jel effektív értékét az alábbi módon számítjuk ki: Effektív érték = Csúcsértek / √2 Ueff = Ucs / √2 Példa A háztartási váltakozóáram effektív értéke 230 V. Mekkora a csúcsfeszültség? Ueff = Ucs / √2 Ucs = Ueff · √2 Ucs = 230 V · √2 Ucs = 325 V A háztartásokban fellelhető váltakozó feszültség csúcsértéke 325 V. A váltakozó feszültség jele „~”. 230 V~ például a háztartásokban fellelhető 230 V effektív értékkel rendelkező váltakozó feszültséget jelöli. A váltakozó feszültség polaritása szabályosan változik, a változás sebessége a frekvencia. Jele f, mértékegysége Hertz [Hz]. 1 Hz frekvencia 1 másodperc alatt egy hullámot jelent.

29

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ Európában a váltakozó feszültség frekvenciája 50 Hz, ÉszakAmerikában azonban 60 Hz. A német vasút 16 2/3 Hz frekvenciát használ. Angol nyelvterületen a váltakozóáramot „alternating current”nek nevezik, rövidítése AC.

1.6.1 Induktív és kapacitív terhelés Az Ohm-törvény alapvetően váltakozó feszültség esetén is érvényes, azonban érdemes külön kitérni a kondenzátorok és tekercsek viselkedésére. Egyenfeszültség esetén csak ohmos ellenállások lépnek fel, azonban váltakozó feszültségnél a tekercsek induktív, a kondenzátorok pedig kapacitív ellenállással rendelkeznek. A tekercsben az önindukció következtében feszültség keletkezik, mely az árammal ellentétes irányba hat. Ezt nevezzük induktív ellenállásnak. Ennek következtében az áram fázisa φ szöggel megnő. Veszteségmentes tekercs esetén a feszültség fázisa az áramhoz képest 90°-kal siet. A tekercsek L induktivitását Henry-ben [Vs/A] adjuk meg. Egy kondenzátor egyenáram esetén csak addig vesz fel áramot, amíg az fel nem töltődik, és a fegyverzeteken a teljes feszültség meg nem jelenik. Váltakozó feszültség esetén a kondenzátor folyamatosan áttöltődik, tehát előbb áram folyik, majd feszültség alakul ki. Veszteségmentes kondenzátor esetén a feszültség fázisa az áramhoz képest 90°-kal késik. A kondenzátorok kapacitását Farad-ban [F] adjuk meg. Váltakozó feszültség esetén a munka és energia kiszámítása elméletileg ugyanúgy történik, mint egyenfeszültség esetén, ez azonban csak akkor igaz, ha kizárólag ohmos ellenállások vannak jelen. A számításhoz ebben az esetben az effektív értékeket használjuk. Amint egy áramkörben tekercsek, tehát motorok vagy elektromágnesek, illetve kondenzátorok találhatók, korrigált számítást kell alkalmaznunk. Mivel az induktivitás és a kapacitás az áram

30

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos és a feszültség között fáziseltolódást okoznak, a feszültség és az áramerősség csúcsértékei már nem egyidejűleg lépnek fel. Ha ekkor a feszültség és az áram effektív értékeit szorozzuk össze, a látszólagos teljesítmény értékét kapjuk: Látszólagos teljesítmény = Feszültség · Áram PL = U · I A látszólagos teljesítmény mértékegysége [VA]. Az így kiszámított látszólagos teljesítmény azonban nagyobb a valós teljesítménynél. A valós teljesítménytől való eltérést a φ teljesítménytényező segítségével vesszük figyelembe. A legtöbb motor és más gép esetén ez az érték a típusjelzés mellett van feltüntetve. A valós teljesítményt hatásos teljesítménynek nevezzük, és az alábbi képlet alapján számítjuk: Hatásos teljesítmény = Feszültség · Áram · cos φ P = U · I · cos φ A hatásos teljesítményt Watt-ban [W] adjuk meg. A látszólagos és a hatásos teljesítmény közötti különbséget meddő teljesítménynek (Q) nevezzük, egysége a [Var]. A φ teljesítménytényező segítségével érthetővé válik az is, hogy a hatásos és a meddő teljesítményt összeadva nem a látszólagos teljesítményt kapjuk, hiszen most geometriai öszszeadásról van szó, ahol a hatásos és a meddő teljesítmény egy derékszöget zárnak be, a háromszög átfogója pedig a látszólagos teljesítmény.

31


10. ábra: Hatásos és látszólagos teljesítmény Példa Egy elektromotor teljesítménytényezője cos φ = 0,85. 230 V hálózati feszültség esetén effektív 3,5 A áramot vesz fel. Mekkora a motor hatásos és meddő teljesítménye? P = U · I · cos φ P = 230 V · 3,5 A · 0,85 P = 684,25 W

A hatásos teljesítmény 684,25 W. A 0,85 koszinuszából adódó szög 31,79°. Ennek szinusza 0,527, tehát a meddő teljesítmény: Q = U · I · sin φ Q = 230 V · 3,5 A · 0,527 Q = 224,2 Var A meddő teljesítmény tehát 224,2 Var. A számítást a Pitagorasz tétel segítségével is el lehet végezni. Váltakozó feszültség esetén a teljesítmény jelöléseivel megegyező módon jelöljük az ellenállásokat is. A teljes ellenállást látszólagos ellenállásnak nevezzük, mely a vezető ohmos és a meddő ellenállás geometriai összege.

32

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az ohmos ellenállás és a meddő ellenállás geometriai összegzése a fentiekkel megegyező módon, egy derékszögű háromszög segítségével történik. A φ szög az ohmos és a meddő ellenállás arányát adja meg. Nagy φ esetén az ohmos ellenállás elhanyagolható. A gyakorlatban azonban meddő ellenállások soha nem egyedül lépnek fel, hiszen nem létezik veszteségektől mentes áramkör. A meddő ellenállások tehát mindig ohmos ellenállásokhoz kapcsolódnak, melyeken valóban esik teljesítmény. Az alábbiakban felsorolunk néhány példát ohmos és induktív ellenállást is tartalmazó ellenállást: -

Motorok Transzformátorok Fluoreszcens és kisülő lámpák hagyományos ballaszttal, kiegyenlítés nélkül

Néhány példa ohmos és kapacitív ellenállást is tartalmazó ellenállásokra: -

Kapcsoló hálózati alkatrészek (például számítógépekben) Frekvenciafordítók

Áramfejlesztő generátorokban a váltakozó feszültséget gyakran három tekercsben hozzák létre, melyek fázisa egymáshoz képest 120°-al el van tolva. Így három különálló váltakozó feszültség keletkezik, melyek egymáshoz képest egyharmad periódussal vannak eltolódva. Ezt nevezzük háromfázisú áramnak. Kis fogyasztók a három fázist külön-külön is felhasználhatják, azonban nagyobb motorokat egyidejűleg mindhárom fázissal hajtunk meg. A vezérléstechnikában sok szelepet mágneses tekercsek segítségével működtetünk. Ezeket a tekercseket egyen- vagy váltakozó feszültséggel is meghajthatjuk. Mivel a tekercsek váltakozó feszültségű meghajtás esetén ohmos ellenállásuk mellett induktív ellenállással is rendelkeznek, nagyobb meghajtó feszültségre van szükség. Például váltakozó feszültségű meghajtás esetén 48 V-ra van szükség, míg ugyanezt a mágnestekercset egyenáram esetén 24 V-al tudjuk meghajtani. 33


Ha azonban egy 48 V váltakozó feszültségre tervezett tekercset 48 V egyenfeszültséggel hajtunk meg, rajta a hiányzó induktív ellenállás miatt nagyobb áram halad át. Ezáltal a tekercs erősebben felmelegszik, így csak rövid ideig használhatjuk. Ezen túl ügyelni kell arra is, hogy az ellenállás a frekvenciától is függ. Egy mágnestekercs tehát a 60 Hz-es amerikai hálózaton nagyobb ellenállással rendelkezik majd, mint az európai 50 Hz-es hálózatban.

1.7 Elektromos kapcsolások ábrázolása A villamosságtanban az elektromos kapcsolások grafikus megjelenítését kapcsolási rajznak nevezzük. Az kapcsolási rajz nem veszi figyelembe az egyes elemek valós formáját és elrendezését, mindössze az elektromos funkciók és áramirányok absztrakt megjelenítése. A kapcsolási rajzok már egy gép vagy berendezés tervezésének elején elkészülnek, és később a karbantartás és javítás során is szükség van rájuk.

1.7.1 Elektromos alkatrészek Az egyes alkatrészeket a hozzájuk rendelt betűkkel jelöljük, mely elé mínuszjelet is írhatunk. Ha biztosak lehetünk abban, hogy a betű egy alkatrészt jelöl, a mínuszjelet el is hagyhatjuk. A berendezés megnevezése további jelzésblokk, mely előtt egyenlőség jel (=) áll. A beépítés helyét a megjelölés előtt álló „+” jel jelöli. Fontos jelölések: A B

F H K M P S X

Alkatrészcsoport (erősítő, átalakító) Nem-elektromos – elektromos, vagy elektromos – nem-elektromos átalakító (hengerkapcsoló, érzékelő, nyomáskapcsoló) Védőberendezések (biztosítékok, biztosíték-relék) Jelzőberendezések (optikus vagy akusztikus) Relék (időrelék is) Motorok Mérőműszerek Kapcsolók (gombok, kapcsolók) Klemnik, dugók

34

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Y

elektromosan működtetett mechanikus berendezések (mágnestekercsek)

Az alkatrészeket feszültségmentes és nem működtetett állapotukban tüntetjük fel. Ez alól kivételt képeznek a mechanikusan működtetett kapcsolótagok. Az alkatrészek jelölése szimbólumuk alatt vagy mellette balról helyezkedik el. A csatlakozások megjelöléseit a csatlakozók fölé vagy mellettük jobbra írjuk. Példák: Relék csatlakozói Jelzők csatlakozói Klemnik csatlakozói Elektromotorok csatlakozói

:A1 és :A2 :X1 és :X2 :1, :2 és további számok :u, :v, :w

Az alkatrész számától jobbra állhat egy további betű is, mely az alkatrész funkciójára vonatkozó kiegészítő információt tartalmaz. Ilyenek például: Időfunkció Segédfunkció Főfunkció Számlálási funkció

T A M C

11. ábra: Elektromos alkatrészek, példák

35


1.7.2 Kapcsolási rajzok A különböző alkatrészek egymáshoz való viszonyát kapcsolási rajzon tüntetjük fel. A részletes, minden részletre kiterjedő kapcsolási rajzot áramút-rajznak nevezzük. A részletes ábrázolású áramút-rajz esetén a főáramkört és a vezérlő áramkört külön ábrázoljuk. Fent, vízszintes vonalként ábrázoljuk az áramsín, melyek a különböző potenciálokat mutatják. Az egyes áramsínek jelölése tőle balra, felette pedig a feszültség értéke található. Az egyes áramutak merőlegesen helyezkednek el, az áram fentről lefelé halad, tehát a fogyasztók helyezkednek el legalul. Az áramút-rajzos ábrázolás nincs tekintettel se a térbeli elhelyezkedésre, se az egyes alkotóelemek összetartozására.

12. ábra: Részletes áramút-rajz A részletes áramút-rajzok a kapcsolások fejlesztésekor és azok megértésekor használatosak. Egy adott kapcsolás kivitelezésére, az alkatrészek összekapcsolására ez a rajz kevésbé alkalmas. Az összefüggő ábrázolású áramút-rajzok esetén a fő- és a vezérlő áramkört egymásba rajzoljuk.

36

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az összefüggő alkatrészeket itt együtt ábrázoljuk. A mechanikus összeköttetést szaggatott vonal jelzi. A tényleges térbeli elhelyezkedést az ilyen összefüggő ábrázolású áramút-rajzok sem veszik figyelembe. Ezen ábrázolás esetén az áttekinthetőség hamar elveszhet, ezért csak egyszerű áramkörök esetén alkalmazzák. Alkalmazási területe például a gépjárművek kapcsolásainak ábrázolása.

13. ábra: Összefüggő ábrázolású áramút-rajz Az áramút-rajz egyik változata az áttekintő kapcsolási rajz, mely esetén többpólusú vezetékeket is csak egyetlen vonal jelöl. Így tehát a párhuzamosan futó vezetékeket a rajzban egy vonallá foglaljuk össze, hogy a párhuzamos vonalak számát csökkentsük. A párhuzamosan futó vezetékék számát keresztirányú vonalak és számok adják meg. Ezt elsősorban sok három- és ötpólusú vezetéket tartalmazó kapcsolás esetén használják. Komplex rendszerekben így csak az alkatrészek közötti legfontosabb kapcsolatokat jelenítjük meg, Az ilyen kapcsolási rajzokat főleg installációk és energiaellátás kivitelezése esetén használják.

37


14. ábra: Áramút-rajz, áttekintő kapcsolási rajz A bekötési rajz az alkatrészeket a drótozás szempontjából ábrázolja. Az egyes alkatrészeket egységként ábrázoljuk, tehát a belső kapcsolatok, melyek az egységen belül találhatók kifelé nem ábrázolandók. A bekötési rajzhoz további rajzok is tartoznak, mint például a kábelrajz, a csatlakozók rajza és a kábellisták, valamint a klemnik beosztásának feltüntetése. A villamosság területén még számos különböző tervet és rajzot használnak, ilyen például a blokkvázlat, a funkciódiagram és az elrendezési rajz.

15. ábra: Áramút-rajz, bekötési rajz

38


1.8 Elektromos alkatrészek 1.8.1 Kapcsolók és gombok Jelek bevitelére különböző jelbeviteli eszközöket használunk. Jelet létrehozhatunk azonban közelítéskapcsolóval vagy bemeneti átalakító segítségével is. Az elektromos vezérlést gombokkal és kapcsolókkal működtetjük. A gomb használata után visszaáll kiindulási állapotába. Ezzel szemben a kapcsoló a következő átkapcsolásig megtartja állapotát. A gombokat, mint jelbeviteli eszközöket felépítésük szerint az alábbi csoportokra osztjuk: nyomógomb, reteszelhető vagy nem reteszelhető választó kapcsoló, gomba fejű nyomógomb, ütőkapcsoló forgatva kireteszeléskor kódolással vagy anélkül, és kulcsos kapcsoló. Az áramkörben betöltött funkciójuk szerint ezek lehetnek záró-, nyitó vagy váltóérintkezők. A gombok vagy kapcsolók kontaktusait, melyek működtetéskor összekapcsolódnak, záróérintkezőnek nevezzük. Ezzel szemben a nyitóérintkező működtetéskor megszakítja az áramkört. Záró érintkezőt időnként az angol jelölésből származó NO-val (normal opend, azaz alapállapotban nyitott), nyitóérzékelőt pedig NC-vel (normal closed, alapállapotban zárt) jelöljük. A záró- és nyitóérintkező kombinációja egy középső kontaktussal rendelkezik. Ezt nevezzük váltóérintkezőnek, melyet két áramkör közötti átkapcsolásra alkalmazunk, ám szükség esetén használhatjuk nyitó- vagy záróérintkezőként is. A nyitóérintkező kontaktusait az 1 és 2, a záróérintkező kontaktusait pedig a 3 és 4 számjegyekkel jelöljük. Mivel a váltóérintkező a záró- és nyitóérintkező keveréke, a középső érintkezőt 1-essel jelöljük. A 2-es a nyitóérintkezőt, a 4-es pedig a záróérintkezőt jelöli. A gomb vagy kapcsoló működtetését szimbólumok jelzik, melyeket szaggatott vonal köt össze a tényleges kontaktussal. Különleges eset a vészkikapcsoló, azaz az a sárga alapon vörös, gomba alakú gomb, melynek könnyen elérhetőnek kell 39

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ lennie. Ezek vészhelyzetben azonnal áramtalanítják a berendezést. A vészkikapcsoló nyitóérintkező, melyet a gomb megnyomásával szakítunk meg. A visszakapcsoláshoz a vészkikapcsolót ki kell reteszelni.

16. ábra: Gombok és kapcsolók jelölései

17. ábra: Gomb zárókapcsolóval

18. ábra: Gomb nyitókapcsolóval

40


19. ábra: Gomb váltókapcsolóval Parancsbeviteli eszközök esetén az egyes funkciókat színkód jelöli: Vörös

Cselekvés vészhelyzetben

Vörössel jelöljük a vészkikapcsoló és tűzoltásra szolgáló gombokat. Vörös

Állj, Kikapcsolás

Vörössel jelöljük a mindent leállító gombokat is. Ide tartoznak az alábbiak: -

Egy vagy több motor le- vagy megállítása. Egy gép egy részének leállítása. Ciklus utáni leállítás. Ha az operátor a ciklus alatt megnyomja a gombot, a ciklus befejeztével a gép megáll. Kapcsoló berendezés kikapcsolása. Visszaállítás, állj-funkcióval kombinálva.

Sárga

Normálistól eltérő körülmények megszüntetése, nem kívánatos változások megakadályozása

Ilyen például a gép a ciklus kiindulási pontjába való visszatérése, amennyiben az még nem zárult le. A sárga gomb megnyomása más, korábbi funkciókat helyezhet hatályon kívül. Zöld

START, Bekapcsolás

Zölddel jelöljük azokat a gombokat, melyek mindent indítanak. Ide tartoznak az alábbiak: -

41

Egy vagy több motor bekapcsolása. Egy gép egy részének beindítása.

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ -

Segédfunkciók indítása. Kapcsoló berendezés bekapcsolása. A vezérlő áramkör áram alá helyezése.

Kék

Tetszőleges jelentés

Az olyan funkciók, melyek nem tartoznak a vörös, sárga vagy zöld besorolásba, különleges esetekben kékkel jelölhetők. A fekete, a szürke, és a fehér nem bír különleges jelentéssel. Ezeket a színeket bármely funkció esetén használhatjuk. Ez alól kivételek az ÁLLJ és a KIKAPCSOLÁS funkciókkal bíró gombok. Feketét általában a képernyőn történő adatbevitelre, a fehéret pedig a nem a munkaciklushoz tartozó segédfunkciók vezérlésére használjuk.

1.8.2 Végállás-kapcsoló A kapcsolókat nem csak emberek, hanem mechanikus úton gépek és berendezések is működtethetik. Ebben az esetben végállás-kapcsolónak, pozíciókapcsolónak vagy végállapotkapcsolónak nevezzük őket. A pneumatikus vagy hidraulikus munkahenger helyzetének lekérdezésére szolgáló kapcsolókat hengerkapcsolóknak nevezzük. Az elektromos kontaktus átkapcsolása külső erő hatására történik, a gomb érintéssel, vagy érintésmentesen is működhet. A kis gombok belsejében gyakran mikrokapcsoló található, ezeket tapintócsappal vagy görgővel működtetjük és gyakran csak egy váltóérintkezővel rendelkeznek. Nagyobb mechanikusan működtetett gombok/kapcsolók rendelkezhetnek nyitó- és záróérintkezővel is. Példák mechanikus végállás-kapcsolók alkalmazására: -

Ajtóvezérlés Féklámpakapcsoló Mozgó munkaasztal végállapot-kapcsolója

A mechanikus alapú végállás-kapcsolókat azonban egyre inkább kiszorítják az érintésmentesen működő szenzorok, melyek élettartama hosszabb, és kevésbe érzékenyek.

42


20. ábra: Mikrokapcsoló Az egyik legegyszerűbb, érintésmentesen működő hengerkapcsoló a reed-relé, mely két, egy üvegtestbe beolvasztott kontaktusból áll. A henger dugattyújában elhelyezkedő tartós mágnes mágneses mezeje hatására a két kontaktus összeérinthető. Más, érintésmentesen működő hengerkapcsolók elektronikus alkatrészekből épülnek fel, melyek szintén a dugattyúban elhelyezkedő mágnesre érzékenyek. Ezek az idegen, pl. hegesztőberendezések esetén fellépő mágneses mezőkkel szemben érzéketlenebbek. Az érintésmentes közelítéskapcsolók másik csoportját az induktív szenzorok alkotják, melyek csak elektromosan vezető anyagból készült elemeket érzékelnek. A kapacitív közelítéskapcsolók ellenben nem fémes anyagokra is reagálnak. Az optikai közelítéskapcsolók érzékelésének alapja optikai és elektronikai. Vörös, vagy infravörös fénnyel működnek, melyek megbízható forrása lehet például egy félvezető dióda. Az optikai sorompókat egyszerű és reflexiós optikai sorompókra, valamint reflexiós fénykapcsolókra osztjuk. Ezen túl léteznek olyan érintésmentes kapcsolók is, melyek ultrahang segítségével működnek.

43


21. ábra: Reed-relé Az elektromos kapcsolási rajzok általában a feszültségmentes állapotot ábrázolják, ha azonban mechanikusan működtetett gomb vagy végállás-kapcsoló kiindulási állapotában működtetett állapotban van, ezt a kapcsolási rajzon is fel kell tüntetni. Egy működtetett állapotú záróérintkező, például egy hengerkapcsoló éppen úgy néz ki, mint egy nyitóérintkező. A félreértések elkerülése végett ekkor a működtetés jelölésére a kontaktus mellé egy nyilat kell rajzolni. Egy működtetett nyitóérzékelő ennek megfelelően olyan, mint egy záróérintkező, működtetett állapotban a kontaktusok kapcsolódnak egymáshoz. A működtetett állapot jelölésére szintén nyilat használunk.

22. ábra: Működtetett érintkezők

44


1.8.3 Nyomáskapcsoló A bemeneti jelátalakítók általában tetszőleges fizikai mennyiséget, pl. nyomást, utat, térfogatáramot vagy hőmérsékletet alakítanak át analóg vagy digitális elektromos mennyiséggé. A nyomáskapcsoló felügyeleti és vezérlő funkciót lát el, mivel az előre beállított nyomás elérésekor egy adott áramkört nyit vagy zár. A bemeneti nyomás a dugattyú felületére, majd az ezáltal ébredő erő egy állítható rugóerejű rugóra hat. Ha a nyomás meghaladja a rugó erejét, a dugattyú elmozdul, és működésbe hozza az érintkezőt. A pneumatikus nyomáskapcsoló pneumatikus nyomásjelet alakít elektromos jellé. A nyomáskapcsoló egy váltóérintkezőt tartalmaz. A hidraulikus nyomáskapcsoló hidraulikus nyomásjelet alakít elektromos jellé, azonban a hidraulikában szokásos nagy nyomások miatt ennek felépítése robusztusabb. Mechanikus működtetésű nyomáskapcsolók esetén a rugót egy membrán, vagy más hasonló alkatrész is helyettesítheti.

23. ábra: Nyomáskapcsoló

1.8.4 Jelzőberendezések Általánosságban optikai és akusztikus jelzőberendezéseket különböztetünk meg. Fényjelzések esetén a jobb láthatóság érdekében gyakran előtét lencséket is alkalmaznak. A fényjelzések csoportjába tartoznak a világító diódás és a folyadékkristályos kijelzőelemek is.

45

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A fényjelzéseket gyakran a működési állapot jelzésére használjuk. A VDE 0113 szerinti színhasználat: Vörös

Veszély vagy riasztás

A vörös színű fényjelzések lehetséges veszélyre, vagy egy beavatkozást igénylő állapotra hívják fel a figyelmet. Ilyen állapotok lehetnek az alábbiak: -

Nyomásesés a kenőrendszerben Hőmérséklet túl- vagy alullépi a megadott (biztonságos) határokat Parancs a berendezés leállítására (például túlterhelés esetén) A berendezés fontos részei álltak le valamely biztonsági rendszer közbelépését követően Mozgó tárgyak okozta veszély

24. ábra: Jelzőberendezések Sárga

Vigyázat

Sárga fényjelzések a feltételek folyamatban levő vagy hamarosan bekövetkező változására hívják fel a figyelmet. Ilyenek lehetnek például az alábbiak: -

A hőmérséklet (vagy nyomás) eltér a normális értéktől Túlterhelés, mely csak korlátozott ideig engedélyezett Automata ciklus folyamatban

Zöld

Biztonság

A zöld fényjelzések a biztonságos üzemi körülményeket vagy a további működés engedélyezését jelzik. Ilyen lehet például:

46

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos -

-

Hűtőfolyadék kering Automata vezérlés bekapcsolva Berendezés kész az indulásra: minden szükséges segédberendezés működik, az egységek a kiindulási pozícióban találhatók, a hidraulikus nyomás vagy a generátor kimeneti feszültsége a megadott határokon belül mozog. Ciklus kész, a berendezés ismét üzemkész állapotban van.

Kék

Speciális jelentés

A kék fényjelzések tetszőleges, a fenti három szín által nem lefedett jelentéssel bírhatnak, azaz olyan információt közöl, mely különleges feltételeknek felel meg. Ilyen lehet például: -

Távvezérlés jelzése Választó kapcsoló beállító állapotban Egység előrefutásra kész állapotban Szán vagy egység mikromozgása

Fehér

Nem rendelkezik speciális jelentéssel

A fehér fényjelzések általános információt közölnek. Alkalmazhatók, ha kétségeink vannak a három jelző szín, a vörös, a sárga és a zöld használatával kapcsolatban, így például igazolás/megerősítésként vagy akár az alábbi estekben: -

Főkapcsoló a BE állapotban Sebesség vagy forgásirány megadása A munkaciklushoz nem tartozó segédberendezések üzemkész állapotban

Az akusztikus jelzőberendezések, tehát a szirénák, ébresztőórák, dudák, gongok vagy csengők gyakran az optikai jelzőberendezésekkel együtt találnak alkalmazást. Ekkor az akusztikus jel figyelmen kívül hagyhatatlan módon hívja fel a figyelmet az optikai jelre.

1.8.5 Relék és kontaktorok A relé egy olyan elektromágnesesen működtetett kapcsoló, melyet elsősorban vezérlő áramkörökben és védőberendezések esetén alkalmaznak. A kontaktor szintén elektromágnesesen működtetett, azonban teljesítménykapcsolóként vagy segédkontaktorként használják.

47

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ Elektromos kapcsolásokban motorokat vagy elektromos fűtőberendezéseket kapcsolnak. A relé egy vasmagos mágnestekercsből áll. Ha a tekercsen áram folyik, mágneses tér alakul ki, mely a mozgó keresztrudat a tekercs felé húzza. Ez egy emelőn keresztül működteti az egyes kontaktusokat. A tekercs csatlakozásait A1 és A2-vel jelöljük. A kontaktusok csatlakozói két számjegyből állnak. Az első számjegy a kontaktus számát jelöl (folyamatos számozás), míg a második megadja, vajon nyitó- vagy záróérintkezőről van-e szó. Az 1-es és 2-es számok a nyitót, a 3-as és 4-es a zárót jelölik. A kontaktorok három fő érintkezővel rendelkeznek. Ezeket az 1-6 számjegyekkel jelöljük. Ezen túl létezhetnek segédkontaktusok is, melyeket a reléknél megismert módon jelölünk.

25. ábra: Relék A kontaktort egy rugó feszültségmentes állapotban mindig alapállapotába kapcsolja vissza. Relék esetén léteznek olyan típusok, melyek a feszültség lekapcsolása után is megtartják állapotukat. Ilyen például az áramlökés-relé, mely egy áramlökés hatására bekapcsol, majd a következő lökésnél kireteszel. A relék speciális csoportját alkotják az időrelék. Itt két típust különböztetünk meg: a késleltetett bekapcsolású időrelék a kontaktusokat csak egy adott idő eltelte után kapcsolják át. A késleltetett kikapcsolású időrelék ezzel szemben azonnal átkapcsolnak, de a feszültség megszűnése után még a megadott ideig megtartják állapotukat, mielőtt kikapcsolnak.

48

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az időrelék jelölése a relé szimbóluma mellett egy négyzetet is tartalmaz. Késleltetett bekapcsolású időrelék esetén a négyzetben két egymást keresztező vonal látható, a késleltetett kikapcsolású időrelék négyzete egyszínű fekete. A nyitó- és záróérintkezőket 5 és 6, valamint 7 és 8-al jelöljük. A jel mellett látható ejtőernyőre emlékeztető félkör a késleltetést jelzi. A relé megjelölése mögé az időrelé jelölésére a T betűt (time = idő) használhatjuk.

26. ábra: Időrelék

1.9 Egyszerű alapkapcsolások 1.9.1 Elektromos öntartás A relék egyik alkalmazási köre az elektromos öntartás. Ekkor röviden megnyomunk egy gombot, mire a relé bekapcsol. A relé egyik kontaktusa áthidalja a gombot, így a relé a gomb elengedése után is bekapcsolt állapotban marad. Az öntartás kikapcsolása egy másik, nyitóérintkezőt működtető gomb segítségével történik. A gomb megnyomásával megszakítjuk a relé áramellátását, mely így kikapcsol. A kontaktusok és a gomb elrendezésére két alapvető kapcsolási típus létezik. Ha egyszerre csak egy gombot nyomunk meg, a két kapcsolás között nem fedezhető fel különbség. Ha azonban a két gombot egyszerre nyomjuk meg, a „domináns KI” kapcsolás esetén a gomb nyitóérintkezője a relé áramellátását minden esetben megszakítja. A „domináns BE” 49

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ kapcsolás estén ezzel szemben a relé bekapcsolt állapotban marad. Mivel a villamosságtechnikában biztonsági megfontolásból a feszültség kikapcsolása prioritást élvez, a „domináns KI” kapcsolást használjuk.

27. ábra: Elektromos öntartás

1.9.2 Léptetőlánc Folyamatok vezérlése esetén gyakran használunk léptetőláncokat. Ekkor a relék úgy csatlakoznak egymáshoz, hogy a vezérlés a folyamat lépéseinek sorrendjében, egymás után kapcsolja be őket. Egy adott lépés csak akkor kivitelezhető, ha az előző lépés már befejeződött, és erről a visszajelzés is megérkezett a rendszerhez. A szabályozástechnikában álló és törlő léptetőláncokat alkalmazunk. Törlő léptetőláncok esetén mindig csak egy lépés aktív. A lánc előkészítéséhez egy további érintkezőre van szükség. Erre a beállító impulzusra a léptetőlánc minden bekapcsolása előtt szükség van. Mivel a relék kontaktusainak kapcsolási idei eltérőek, a törlő léptetőlánc megállhat. Ezért az ilyen léptetőláncokat elsősorban PLC programozás esetén alkalmazzák. Az álló léptetőláncban a vezérlés a lépéseket sorban egymás után kapcsolja be. Az utolsó lépés törli az első relé öntartását, így a teljes lánc visszakerül a kiindulási állapotba. Itt nincs szükség beállító impulzusra. Relékapcsolások esetén mindig ezt a változatot használjuk!

50


28. ábra: Léptetőlánc

1.9.3 Pneumatikus és hidraulikus kapcsolási rajzok Az elektropneumatikában és az elektrohidraulikában az egyes energiaformák saját kapcsolási rajzaira van szükség. Az egyik kapcsolási rajz tartalmazza a pneumatikus vagy hidraulikus komponenseket, míg egy másik, különálló kapcsolási rajz az elektromos alkatrészek elrendezését írja le. Az alkatrészek egy része, például a mágnestekercsek vagy hengerkapcsolók mindkét kapcsolási rajzban szerepelnek, azonban jelölésük a két rajzon eltérő. Mivel azonos alkatrészeket különböző szimbólumokkal jelölünk, egyértelmű megfeleltetés csak az alkatrész jelölésén keresztül lehetséges. A két kapcsolási rajz az energia haladási irányának feltüntetése tekintetében is eltér. Az elektromos kapcsolási rajzon az energia fentről lefelé, míg a pneumatikus és hidraulikus kapcsolási rajzokon lentről felfelé halad. Az elektromos kapcsolás esetén gyakran részletes áramútrajzot használnak, ami lehetővé teszi a vezérlés működésének megértését. A tekercs és a relék kontaktusait azonos jelölésekkel látjuk el. Az egyes áramutakat az áttekinthetőség kedvéért balról indulva számozzuk. Ekkor azokat is számmal látjuk el, melyek más áramutakból ágaznak el és nem a legfelső síntől indulnak. A relék alatt szerepelhetnek kontaktustáblázatok, melyek azt írják le, az adott relé kontaktusai mely áramúton találhatók. Nagyobb kapcsolási rajztok esetén ily módon a kapcsolási rajz 51

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ más oldalain található érintkezőkre is hivatkozhatunk. Ez nagyban megkönnyíti az egyes relék érintkezőinek megtalálását. Az alábbi ábra egy elektropneumatikus kapcsolási rajzot ábrázol. A kapcsolási rajz pneumatikus része főként egy mágnestekercses szelepből és egy munkahengerből áll. Az elektromos kapcsolási rajz két gombot ábrázol, melyek az öntartást indítják és szüntetik meg. A relé érintkezője gondoskodik arról, hogy a záróérintkező megnyomás után a relé bekapcsolt állapotban maradjon. Bekapcsolt relé esetén a jobboldali áramút mágnestekercshez vezető áramköre is zár, mely a jel kiadásáért felelős. A mágnestekercs pneumatikus kapcsolási rajzhoz történő egyértelmű hozzárendeléséről az „y1” jelölés gondoskodik. A mágnestekercseket, bár elvileg más feszültségforrásról is működtethetők, általában a vezérlő áramkör feszültségforrásáról üzemelnek.

29. ábra: Elektropneumatikus kapcsolási rajz

52


1.10 Védelem Az elektromos áram és feszültség nem látható, csak hatása alapján ismerhető fel. Így az elektromos energia általi veszélyeztetés elkerülése végett különböző előírások, szabályok és normák betartása kötelező. A figyelmetlenségből történő, akaratlan érintés vagy idegen testek és víz elleni védelem tekintetében az elektromos alkatrészek házait különböző osztályokba soroljuk, melyeket a DIN EN 60529 rögzít, és melyeket az IP betűkkel (az angol International Protection = nemzetközi védelem rövidítése) majd két számjeggyel jelölünk. Az alkalmazás céljától és helyétől függően eltérő védelemre van szükség. Az első számjegy az akaratlan érintés vagy idegen testek elleni védelemre vonatkozik. Jelentése: 0 1 2 3 4 5 6

nincs védelem 50 mm-t meghaladó idegen testek behatolása elleni védelem (például kar, láb, nagyobb testfelület) 12,5 mm-t meghaladó idegen testek behatolása elleni védelem (például ujj) 2,5 mm-t meghaladó idegen testek behatolása elleni védelem (például szerszám, drót) 1,0 mm-t meghaladó idegen testek behatolása elleni védelem (például drót) teljes érintésvédelem és a berendezés belsejében a por lerakódása elleni védelem (porvédett) teljes érintésvédelem és a berendezés belsejébe a por behatolása elleni védelem (pormentes)

A második számjegy a víz behatolása elleni védelemre utal. Jelentése: 0 1 2 3 4 5 6 7 8

53

nincs védelem merőlegesen beeső cseppek elleni védelem (cseppek) ferdén, 15°-ig beeső cseppek elleni védelem (ferde cseppek) a merőlegessel max. 60°-ot bezáró irányból érkező víz elleni védelem (permet) minden irányból érkező spriccelő víz elleni védelem fúvókából érkező vízsugár elleni védelem (vízsugár) erős vízsugár elleni védelem védelem időleges vízbemerítés esetén védelem tartós vízbemerítés esetén


Szükség esetén a pontosabb leírás érdekében további betűk is alkalmazhatók. Ha azonban az egyik számjegy nincs megadva, azt az X betűvel kell helyettesíteni. Szelepek mágnestekercsei esetén a leggyakrabban alkalmazott jelölés az IP 65.

54


2 Programozható logikai vezérlők (PLC) 2.1 Bevezetés A programozható logikai vezérlők (PLC-k) az ipar számos területén lelnek alkalmazásra, elsősorban a vezérlés- és szabályozás-technikában, s szorosan kapcsolódikhozzájuk az irányítástechnika mai fejlődése is. A PLC az angol „Programmable Logic Controller” kifejezésből származó betűszó. Az angol kifejezés szó szerint lefordítva programozható logikai vezérlőt jelent, magyarul azonban általában az angol rövidítést használjuk. A PLC interfészekkel rendelkezik a jelek be- és kivitelére. A bemenetekre a legkülönbözőbb érzékelők csatlakoztathatók, melyek a vezérlendő gép vagy berendezés aktuális állapotáról adnak jelentést. A PLC kimenete magát a gépet vagy berendezést vezérli. A PLC tehát felügyeli, vezérli és szabályozza a gyártási folyamatokat. Manapság már sok berendezés annyira bonyolult, hogy PLC nélkül nem tudnánk működtetni őket. A PLC-t számos különböző területen alkalmazzák. Általában elsősorban az automatizálás-technikában használják, itt műszaki folyamatokat felügyelnek, és sokszor az emberi operátort is helyettesítik. A PLC alkalmazásának további példái a felvonók és közlekedési lámpák vezérlése, azonban alkalmazzák őket csomagológépek vagy automatizált hegesztő-berendezések esetén is. Szintén fontos alkalmazási terület az autóiparban már automatizáltan zajló gyártási folyamatok vezérlése. A PLC programozása folytán a legkülönfélébb feladatokat láthatja el anélkül, hogy felépítésében lényeges változtatásokra lenne szükség. Egyetlen PLC akár több száz szenzor mérési eredményeit is fel tudja dolgozni, és ugyanennyi aktort képes vezérelni. Ha azonban csak néhány be- és kimenetünk van, érdemes ügyelni a gazdaságosságra. Egy lámpa bekapcsolását vezérelhetjük ugyan PLC-vel, azonban ez a megoldás nem lenne gazdaságos, mivel egy egyszerű nyomógombos megoldás lényegesen olcsóbb. 55


2.1.1 A PLC története A PLC kifejlesztése előtt a gépek és berendezések vezérlése elsősorban relék segítségével zajlott. A relék érintkezőit sorba vagy párhuzamosan kapcsolták, ami biztosította a folyamatok megfelelő sorrendjét. Léteztek sűrített levegős vezérlések is. A relés vezérlésekhez hasonlóan a vezérlés itt is Bool-függvények segítségével zajlott: a relé kapcsolt vagy nem kapcsolt állapotban volt, illetve volt nyomás, vagy nem. Emellett léteztek analóg értékekkel működő vezérlések is. Ezeket a vezérléseket huzalozott programozású vezérlőknek nevezik. Ezeknél az egyes elemek kábelekkel való összekapcsolása miatt a berendezés átépítése után a vezérlést is át kellett építeni. 1968-ban a General Motors fejlesztette ki egy olyan vezérlés alapjait, melyet programozni lehetett. Ezeket először PC-knek, azaz Programmable Computer-eknek (programozható számítógépeknek) nevezték, mivel ez a jelölés azonban hamarosan már a Personal Computer (személyi számítógép) értelemben terjedt el, a megnevezés PLC-re változott. A PLC egy mikroprocesszorból és a program tárolására szolgáló elemekből épül fel. A programozás különböző nyelveken lehetséges. A programozás egyik legrégebbi nyelve a létradiagram. Ez nagyon hasonlít az amerikai elektromos kapcsolási rajzokra. Ez a technikus számára előnyös volt, hiszen így a programot a megszokott áramút-rajzokhoz hasonlóan építhették fel. Ez az egyszerű átállás megkönnyítette a PLC elterjedését. A létradiagram mellett szóló érv volt továbbá a jelek ábrázolása az akkori képernyőkön, melyek nem grafikusan dolgoztak, hanem csak az abc betűit jelenítették meg. Ennek ellenére a program kerek és szögletes zárójelek, ferde, függőleges és vízszintes vonalak segítségével mégis megjeleníthető volt. További nyelvek voltak az utasításlista és a funkcióterv. Az utasításlista inkább gép-, a funkcióterv pedig inkább grafikus orientáltságú.

56

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Előnyeinek köszönhetően a PLC-k egyre inkább teret hódítottak, a processzorok pedig folyamatosan egyre nagyobb teljesítményre képesek. Eleinte bináris jeleket dolgoztak fel, később időket, egész számokat majd tizedes számokat is. Ezáltal az analóg értékek feldolgozása is lehetségessé vált. Egy idő után már egyre több gyártó kínált különböző PLC-ket, melyek programozási nyelvei részben vagy akár egészében is eltértek egymástól. 1993-ban az IEC 61131 számú szabvány (eleinte IEC 1131) kötelezővé tette az egységes programozási nyelv használatát, így ma már a PLC-k gyártmánytól függetlenül, azonos nyelven programozhatók. Ma az utasításlista (AWL) és az létradiagram (KOP) mellett a funkciótervet (FBS) is alkalmazzák. Folyamatok vezérlésére leginkább folyamatábrás logika (FD) alkalmas. Az újabb nyelvek közé tartozik a strukturált nyelv (ST), mely az utasításlistához hasonlóan szövegorientált, azonban nem használ gépközeli parancsokat. A strukturált nyelvet ezért magasabb szintű programozási nyelvnek nevezik.

57


2.1.2 A huzalozott programozású és a programozható logikai vezérlők összehasonlítása A huzalozott programozású vezérlés az automatizálástechnikában a vezérlések és a szabályozások programozásának egyik módja. A program menetét az egyes elemek állandó összeköttetésének mikéntje adja. Az összeköttetés lehet huzalos, de lehet bármilyen más kapcsolat is. Azonban az állandó összeköttetés azt jelenti, hogy a program megváltozásakor az összeköttetéseket is meg kell változtatni, ami komplex berendezések esetén már komoly munkaigényű feladat lehet. Emellett gyakran nem csak a meglévő elemek átrendezésére, hanem új elemek beillesztésére is szükség van. Komplex automatizálási feladatok esetén ma már alig használnak huzalozott programozású vezérlést, azonban kisebb berendezések esetén még találkozhatunk velük. A biztonság szempontjából kritikus helyeken, például vészkikapcsolók esetén továbbra is huzalozott programozású vezérlést alkalmazunk, mivel ezeknek a funkcióknak a PLC kiesése esetén is működniük kell. Ezért manapság a huzalozott programozású vezérlést leginkább a PLC kiegészítésének tekintik. PLC-k esetén magát a vezérlési programot a szoftver tartalmazza, így eltérő programok esetén sincs szükség a huzalozás megváltoztatására. Egyetlen berendezés elkészítésekor a huzalozott programozású vezérlés létrehozása és a PLC program megírása hasonló időigényű. Ha azonban a berendezésből több is készül, a PLC programot csak egyszer kell megírni. A PLC huzalozási igénye lényegesen kisebb, azonban nagyobb feszültségek vagy terhelések kapcsolására továbbra is relékre és kontaktorokra van szükség. A PLC program egyes részei eltérő berendezések esetén is ismét felhasználhatók, és már a berendezés elkészülte előtt is lehetséges a programok tesztelése.

58


2.1.3 A PLC-k előnyei és hátrányai A PLC-k egyik legfontosabb előnye a programok gyors és egyszerű változtathatósága. Ez különösen fontos, mivel egy vezérlés ritkán működik tökéletesen már az első nekifutáskor. A kívánt változtatásokat a programban könnyen elvégezhetjük, a huzalozást ehhez nem kell megváltoztatni. A PLC-k anyag és helyigénye sokkal kisebb, mint relés vezérlések esetén. Az időfunkciókat és számlálókat szoftveresen implementáljuk, így például nincs szükség idő-relékre sem. Az egyszer megírt programot tetszés szerint másolhatjuk, így több azonos vezérlés létrehozásakor a programot csak egyszer kell megírni, majd az adott PLC-be betölthető. A máskülönben komplex huzalozás elmarad, csak a PLC-t kell bekötni. A programokat elektronikus úton a világ bármely pontján betölthetjük. Egy megírt PLC program esetén az egyes utasításokat kommentálhatjuk is, így a program később mások számára könynyebben érthető. A berendezés elkészültétől független programozás komoly időmegtakarítást tesz lehetővé. A programon egyidejűleg több csoport is dolgozhat, a részeket pedig később összefűzhetjük. A kisebb huzalozási igény szintén időt takarít meg. A PLC további előnye a távkarbantartás és a távdiagnosztika lehetősége. Ez lehetővé teszi a berendezés távolról történő vezérlését, vagy hiba esetén technikus jelenléte nélküli ellenőrzését is. Nem szabad elhanyagolnunk azt a tényt sem, hogy a PLC energiaigénye lényegesen kisebb, mint a relés vezérlések energiaigénye. A PLC hátrányai közé sorolandó, hogy a programozó berendezés vagy szoftver beszerzési költsége igen magas, valamint a kiszolgáló vagy programozó operátoroknak magasabb képzettséggel kell rendelkezniük. Kis gépek és berendezések esetén is szükség van programozó berendezésekre és az adatok biztonsági mentésére, valamint általános adathordozókra is. Mivel a PLC-be csak a gépileg olvasható programkódon visszük be, az eredeti programot mindig meg kell tartani.

59


2.2 A PLC felépítése 2.2.1 PLC-k típusai A PLC-ket a legkülönbözőbb feladatok megoldására használhatjuk. Az adott alkalmazás határozza meg, éppen mely típus a legmegfelelőbb. A kompakt PLC egyetlen alkotóelemből áll, melynek kevés kiés bemenete van. Általában több a bemenet, mint a kimenet. Például 10 bemenet esetén csak 6 kimenet áll rendelkezésre. Ezen kívül a további csatlakozók az energiaellátást biztosítják. A PLC típustól függően 24 vagy 230 V-ról üzemel. 230 V alkalmazása esetén a PLC-nek integrált hálózati adapterrel kell rendelkeznie. A be- és kimenetek számának növelése ezeknél a típusoknál gyakran nem lehetséges. Léteznek azonban olyan típusok is, melyeket egy további modullal bővíthetünk, így növelve a csatlakozások számát. A kompakt-PLC relatív olcsó, így általában kisebb gépek és berendezések esetén használják.

30. ábra: Kompakt-PLC A moduláris PLC egy különböző cserélhető kártyákat tartalmazó házból áll. A háznak legalább az energiaellátással és magával a számítások elvégzésével kapcsolatos kártyákat tartalmaznia kell. Ezeket a kártyákat hálózati tápnak és központi egységnek nevezzük. A be- és kimenetek számát a kártyák száma határozza meg. Egy bemeneti kártya általában 16 vagy 32 bemenetet, egy kimeneti 8 vagy 16 kimenetet tartalmaz. A kevesebb kimenetet tartalmazó kártyák kimenetenként nagyobb áramot továbbít-

60

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos hatnak, mint a több kimenetes kártyák. A kiegészítő relék használatára itt nincs szükség. A be- és kimenetek maximális számát a központi egység kapacitásán kívül maga a ház is korlátozza. Nagyobb PLC-k esetén könnyen akár több száz be- és kimenet is lehetséges. A kompakt PLC-khez hasonlóan a moduláris PLC is bővíthető. A moduláris PLC további kártyák beépítésével könnyen bővíthető, ezen kívül különböző, például analóg be- és kimeneteket lehetővé tevő kártyák használata is lehetséges.

31. ábra: Moduláris PLC A klasszikus PLC-k mellett a vezérlések realizálásakor manapság már egyre többször személyi számítógépeket is használunk. Régebben ez nem volt elterjedt megoldás, mivel a korábbi PC-k megbízhatósága messze elmaradt a PLC-k megbízhatósága mögött. További lehetőség a slot-PLC alkalmazása, ami nem más, mint egy hétköznapi személyi számítógépekben használható kártya. A számítógép operációs rendszere lehet Windows vagy Linux is. A slot-PLC saját operációs rendszerrel rendelkezik, így a számítógép szoftverétől függetlenül működik. A szenzorokkal és aktorokkal való összeköttetés Busz-, pl. Profibus- rendszeren keresztül valósítható meg. Ha a slot-PLC önálló feszültségellátással és akkumulátorral rendelkezik, a PLC akkor is tovább működhet, ha a számító-

61

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ gép meghibásodik vagy az operációs rendszer lefagy. Ezen túl a slot-PLC a hagyományos PLC-hez hasonlóan az adatok köztes tárolására is alkalmas, így lehetséges a korrekt újraindítás is. A slot-PLC a kártya helyének buszán keresztül a számítógép szoftverével adatokat is cserélhet, így a számítógép a mért adatok vizualizálására és a termelési adatok tárolására is felhasználható. Az önálló tápfeszültséggel nem rendelkező slot-PLC-k esetén annak működése a számítógéptől függ. A slot-PLC-k egyik hátránya, hogy korábban a számítógépek ISA busz-rendszerére voltak tervezve, így a régebbi slot-PLC-ket új számítógépekben nem tudjuk használni, hiszen ezek csak PCI helyekkel rendelkeznek. Ennek következtében a régebbi slot-PLC-k új számítógépbe való áttelepítése nem lehetséges. Ez tehát azt jelenti, hogy új számítógép beszerzésekor új slotPLC-t is vásárolnunk kell. Azonban a slot-PLC a PCI busz-ok magasabb sebességéből is profitál, így a számítógép hard- és szoftverével gyorsabb kommunikáció lehetséges. A PLC-k egy különleges típusa az úgy nevezett busz kapocs, melyet hagyományos, digitális vagy analóg jelek esetén használt kapocssínként használunk, azonban már a PLC minden funkcióját tartalmazza. Ennél a típusnál a fő feladat a buszrendszerrel való kapcsolat létrehozása. A számítógépek vezérlőként való alkalmazásának másik lehetősége a soft-PLC használata. Ez egy tisztán szoftveres megoldás, mely a számítógép processzorát használja. Ekkor azonban a soft-PLC-nek a számítógép operációs rendszerével és a többi alkalmazással osztoznia kell a processzor teljesítményén. Ekkor léphet fel az a probléma, hogy a PLC programok valós idejűek, azonban a soft-PLC felépítéséből adódik, hogy valamely fontosabb program kiesése esetén a teljes vezérlés kieshet. Ez magyarázza, hogy biztonsági szempontból kritikus alkalmazások esetén nem használunk soft-PLC-t. A soft-PLC-ket gyakran ipari számítógépként építik fel, ekkor egy érintőképernyőn keresztül a folyamatok egyszerűen felügyelhetők, és nincs szükség kiegészítő programozó berendezésre. 62


A soft-PLC programozása hasonlít a hagyományos PLC programozásához, ezért ezt különösen különböző tanfolyamokon használják előszeretettel.

32. ábra: Soft-PLC

63


2.2.2 A PLC működése Alapvetően a PLC felépítése hasonlít a közönséges számítógépek felépítéséhez, azaz egy adott hardverből, és a hozzá tartozó szoftverből áll. A PLC működése három szakaszra oszlik: • bemenetek (adatbevitel), • adatfeldolgozás, • kimenetek A bemenetek fogadják a szenzorok vagy az általános jeladó tagok jeleit. Ekkor a jelek galvanikusan, opto-csatolók segítségével vannak egymástól elkülönítve, mely megakadályozza, hogy esetleges túl magas feszültségek károsítsák a PLC-t. Az adatokat a központi egység dolgozza fel. Magát a számolást a CPU, a főprocesszor végzi. Ezen kívül a központi egységben található még a PLC tárterülete is, mely két részre, a RAM-ra és a ROM-ra oszlik. A RAM-ból adatokat olvashatunk ki, de ugyanide írhatunk is, adatok tárolására is alkalmas.

33. ábra: A PLC felépítése A RAM-ban tárolt adatok azonban elvesznek, ha az elektromos energiaellátás szünetel, azonban az adatok írása és olvasása sokkal gyorsabb.

64

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos A ROM-ból csak olvasni lehet, itt található a PLC operációs rendszere. A ROM-ban tárolt adatok elektromos energia hiányában sem vesznek el. A ROM egy különleges formája az EEPROM. Ez egy elektromosan törölhető tárhely, így a PLC frissebb operációsrendszerével a régebbi verzió felülírható. A PLC programját is tárolhatjuk itt, így ez áramkimaradás esetén nem veszik el. Azonban az adatok írása és olvasása itt lényegesen lassabb, mint a RAM esetén, valamint az írási és olvasási ciklusok száma is alacsonyabb. A központi egység egy további fontos része az órajel generátor. Az órajel határozza meg, a PLC egyes alkotóelemei, különösen a processzor működési sebességét. A PLC programjára különösen gyorsan ható bemeneteket megszakító (interrupt) bemeneteknek nevezzük. Ezeket gyakran a központi egységben találjuk. A központi egységben egy interfész is található, melyen keresztül a programok tölthető be. A PLC típusától függően ez lehet soros bemenet vagy egy hálózati kábel számára kialakított ethernet kapcsolat is. Ezen a csatlakozón keresztül lehetséges az adatok kiolvasása is. A kimenetek a bemenetekhez hasonlóan a PLC többi részétől galvanikusan el vannak választva. Ez vagy a relék kontaktusain keresztül, vagy tranzisztor-kapcsolt opto-csatolók segítségével lehetséges. A digitális kimeneti kártyák helyett vagy mellett analóg kimeneti kártyák használata is lehetséges. A busz-rendszerek vezérlése egy bus-master segítségével lehetséges. A PLC-t a hálózati táp látja el energiával, típustól függően 24 vagy 230 V-al. A hálózati adapter ezt gyakran a központi egység által használható 5 V-ra transzformálja. A feszültségkimaradások elkerülésére kiegészítő akkumulátor használata ajánlott. A kártyás, moduláris PLC esetén az egyes alkotóelemek egymástól jól megkülönböztethetők, azonban más típusok esetén ez már nem ennyire egyszerű.

65


2.2.3 Program futása A PLC programja egy programozó berendezésen készül, mely gyakran akár egy közönséges személyi számítógép is lehet. Ezt követően a programot betöltjük a PLC-be, melyet „RUN” (=futás) üzemmódba kapcsolunk. Ekkor kezdődik a program futatása. A program önálló utasításokból áll, melyeket egymás után kell kivitelezni. A programtól függően a programon belül egyes részeket kihagyó ugrások is előfordulhatnak. Az utolsó utasítás végrehajtása után a program ismét elölről kezdődik. Ezt a végrehajtási módot nevezzük ciklikus-soros végrehajtásnak. A program futása akkor ér véget, ha a PLC-t „STOP” üzemmódba kapcsoljuk, illetve ha hiba lép fel. Az első utasítás előtt a PLC minden bemenet adatait beolvassa és tárolja, így a program futása során megváltozó bemeneti értékeket a vezérlés figyelmen kívül hagyja. A kimenetek értékeit a PLC az utolsó utasítás végrehajtása után állítja be, melyek a következő program végéig szintén változatlanok maradnak. A fentiekből adódik egy, a program egyszeri futásához szükséges ciklusidő. Új bemeneti érték csak ezen ciklusidő elteltével kerül a kimenetre. A ciklusidő az utasítások számától és típusától függ, ám hoszszára a processzor sebessége is hatással van. A ciklusidő nagyságrendileg általában néhány milliszekundum.

34. ábra: A program futásának elve

66


2.3 A digitális technika alapjai A PLC-k programozásához alapvető irányítástechnikai, valamint számítógépes és programozási ismeretek is szükségesek. Ezen túl ismerni kell a számítógép operációs rendszerét is. A programozás és a PLC működésének alapjai a matematikára nyúlnak vissza, elsőként tehát meg kell ismerkedni a különböző számrendszerekkel. A hétköznapokban a tízes számrendszert használjuk, mely a 0-9 számjegyekből áll. A tízes számrendszerre vonatkozó alapműveletek az összeadás, a kivonás, a szorzás, az osztás és a hatványozás általánosan ismertek. Egy másik, régebbi számrendszer 12-es alapú. Manapság is látszanak ennek gyökerei, hiszen például egy tucat 12 darabot számlál. A nap kétszer 12 órából, az óra pedig 60 (5*12) percből áll. A PLC azonban ezekkel a számrendszerekkel nem tud dolgozni, számára csak a 0 és az 1-es állapot létezik, azaz van jel, vagy nincs. A 0 a kikapcsolt, az 1 a bekapcsolt állapotnak felel meg. Emellett használjuk az „L” és „H” jelöléseket is, melyek low (alacsony) és high (magas) jelszintet jelentenek. Ezt a számrendszert bináris számrendszernek nevezzük, ám ezen kívül a 16-os alapú hexadecimális számrendszert is alkalmazzuk. A harmadik lehetőség a BCD számrendszer. Sok alkalmazás esetén elengedhetetlen ezen számrendszerek ismerete, így például a kapcsolási táblázat, az elektronikus számítások vagy a PLC programnyelvének kódolási problémái esetén is. Lényegtelen, hogy a PLC egy liftet, épület légkondicionáló berendezését vagy egy gép gyártását vezérli, a műveletek alapja mindig a bináris számrendszer.

67


2.3.1 Bitek és byte-ok A bit a „binary digit" rövidítése, és a lehetséges legkisebb információegység. A bit csak 0 vagy 1 állapotú lehet, azaz elektromos vezérlések esetén van-e áram vagy feszültség, vagy nincs. Az információ több bitből épülhet fel. Nyolc bit alkot egy byteot. Ekkor a leginkább jobbra elhelyezkedő bit helyiértéke a legkisebb, a baloldalié pedig a legnagyobb. A byte nyolc bitje két négybites csoportot is alkothat. Ezeket a négyes csoportokat nevezzük nibble-nek. Egy bit csak a két (0 vagy 1) állapotot vehet fel, a nibble azonban már 16 különböző állapottal rendelkezhet. Így egy két nibble-ből álló byte 256 különböző állapotot reprezentálhat. A byte két nibble-re való felosztásának értelmét a hexadecimális számrendszernél tárgyaljuk. Komplex információ reprezentációjához két byte-ot egy „szó”vá foglalunk össze. Egy szó tehát 16 bitből áll. Két szó, azaz négy byte egy dupla szót alkot, mely 32 bitből áll.

35. ábra: Bit-ek és byte-ok

68


2.3.2 Számrendszerek A számrendszereket három dolog jellemzi: a bázis, azaz az alapszám; az egyes számjegyek és a számjegyek helyiértéke. A tízes számrendszer bázisa a 10, számjegyei 0-9, és az adott szám helyiértékétől függően azt a 10 adott hatványával szorozzuk. Példa

A 247-es szám 2 ⋅ 100+4 ⋅ 10+7 ⋅ 1. Más számrendszerek esetén a bázis egy másik szám. Bináris számrendszer esetén a bázis a 2, a hexadecimális rendszerben pedig a 16. Különböző számrendszerek alkalmazása esetén feltétlenül ügyelnünk kell a használt számrendszer megjelölésére. A tízes számrendszert egy alsó indexbe írt 10-essel jelöljük, a binárist alsó indexbe írt 2-essel, a hexadecimálist alsó indexbe írt 16-ossal. A BCD-kódot alsó indexbe írt BCD jelöli.

Példa

Tízes számrendszer Bináris számrendszer Hexadecimális számrendszer BCD-kód

24710 10102 8AC316 1101 1010 0110BCD

2.3.3 Bináris számrendszer A bináris számrendszer bázisa a 2, így mindössze két számjegyből, a 0-ból és az 1-ből áll. Az egyszerűbb áttekinthetőség céljából a számjegyeket négyes csoportokra tagoljuk. Példa

1110 1001 0010 0101 Jobbról balra haladva a számok helyiértéke 1, 2, 4, és 8. Egy négy 1-esből álló bináris szám értéke tehát 15. A bináris számrendszerben a nyolc számjegyből alkotható legnagyobb szám a 255. Látható tehát, hogy a bináris számrendszerben sokkal több számjeggyel tudjuk leírni ugyanazt a számot, mint a tízes számrendszerben. Ebből adódóan nagyobb számokkal való programozáskor egy byte nem elegendő, ekkor tehát 16 vagy 32 számjegyből álló bináris számokat használunk.

69


Egy 16 számjegyből álló szó a 0-65 535 számokat, a 32 számjegyű dupla szó a 0-4 294 967 295 számokat reprezentálhatja. Eddig csak a pozitív számokról beszéltünk. Negatív számok ábrázolására esetén a konvenció, hogy az előjelet a legnagyobb helyiértékű bit jelzi. A negatív számokat úgy kell ábrázolni, hogy azonos abszolút értékű pozitív szám hozzáadásakor nullát kapjunk. Pozitív számok esetén a bal szélső számjegy 0, negatív számok esetén pedig 1. Ezt a bitet előjel-bitnek is nevezzük. Egy pozitív szám azonos abszolút értékű negatív számmá való átszámítása a kettes-komplementerek képzése segítségével történik. Ehhez minden egyes bitet negálunk, azaz minden 0ból egyet, 1-ből pedig 0-t csinálunk, végül az eredményhez hozzáadunk egy bináris 1-est. Példa

Decimális 5 átváltása decimális –5-é: 510 = 01012 01012 –t negáljuk: 10102 12 hozzáadása: 10102 + 12 = 10112 10112 = -510 A legnagyobb pozitív számot tehát elértük, ha a bal szélső számjegy kivételével minden más helyen 1-es áll. Egy 8-bites szám esetén ez 0111 1112 ami a decimális +12710-nek felel meg. A legnagyobb negatív számot akkor értük el, ha az első számjegy 1-es, minden más számjegy pedig 0. Egy 8-bites szám esetén ez 1000 0002, ami a decimális -12810-nak felel meg.

Példa

Decimális: Decimális:

25 -25

8-bites bináris: 8-bites bináris:

0001 1001 1110 011

Kiegészítésképpen érdemes megjegyezni, hogy a két szám összeadásakor minden helyiérték 0-vá válik, és a nem megjeleníthető 9. bit az 1-es maradékot tartalmazza.

70

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Áttekintésként alább felsoroljuk néhány pozitív és negatív decimális szám bináris megfelelőjét: Pozitív decimális 0 1 2 3 4 5 6 7

Pozitív bináris 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111

Negatív decimális -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

negatív bináris 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000

2.3.4 Hexadecimális számrendszer A hexadecimális számrendszer bázisa a 16. Az egyes számjegyek ábrázolásra az ismert 0-9 mellett az A, B, C, D, E és F betűket is felhasználjuk. A betűk értéke 10-15. A hexadecimális rendszerben az egyes helyiértékek: 160 = 1, 161 = 16, 162 =256 és így tovább. A hexadecimális számrendszert nagy számok kevés számjeggyel való megjelenítésére használjuk. Minden számjegy egy nibble-nek, azaz egy négy számjegyű bináris számnak felel meg. A hexadecimális számrendszerben tehát két számjeggyel egy egész bitet megjeleníthetünk. Ugyanehhez a bináris számrendszerben 8 számjegyre van szükség. Egy byte 8 bitből áll, például 1111 111. Ugyanezt a számot hexadecimálisan FF-nek írjuk.

71

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A vezérléstechnikában a hexadecimális számrendszert számértékek beállításakor is használjuk, így a 0-9 számjegyek mellett az A-F betűk is jelen vannak a billentyűzeten. Az alábbi táblázatban a hexadecimális számrendszer egyjegyű számait adjuk meg, mellettük pedig a tízes (decimális) és bináris számrendszerbeli megfelelőiket:

Hexadecimális 016 116 216 316 416 516 616 716 816 916 A16 B16 C16 D16 E16 F16

Decimális 010 110 210 310 410 510 610 710 810 910 1010 1110 1210 1310 1410 1510

Bináris 00002 00012 00102 00112 01002 01012 01102 01112 10002 10012 10102 10112 11002 11012 11102 11112

2.3.5 BCD számrendszer A BCD a binárisan kódolt decimális rövidítése. Ekkor a tízes számrendszerbeli (decimális) szám minden számjegyét a bináris 0 és 1 jelek használatával kódoljuk. A 0-9 számok kódolásához a bináris számrendszerben négy számjegyre van szükség. Ezt az összetartozó négy számjegyet nevezzük nibblenek, vagy tetrádnak. A BCD-számokra nem érvényes önálló szabvány, vagy kód. A leggyakrabban a 8-4-2-1 kódolást alkalmazzák, ez a helyiértékek értékét jelöli, mely megegyezik a hexadecimális helyiértékek értékével. Azonban a hexadecimális A-F számjegyeket nem használjuk. A BCD-számok tehát a hexadecimális számok részhalmaza, ahol csak a 0-9 számjegyeket használjuk. A tízes számrendszerbeli számokat úgy alakítjuk át bináris értékekké, hogy min-

72

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos den bináris négyes csoport a decimális szám egy számjegyének felel meg. Ez javítja a számok olvashatóságát. A nem használt jelek nem reprezentálnak érvényes BCDszámot, ezeket pszeudo-tetrádoknak nevezzük. Bizonyos rendszerekben az előjelek, tizedesvesszők vagy más jelek kódolására használják őket. Ha több számjegyű decimális számokat ábrázolunk BCDkódolással, a négyes csoportokat egyszerűen egymás után írjuk, köztük egy szóközzel (nem kötelező). Példa

A decimális 3752 BCD ábrázolása: 0011 011 0101 0010 vagy 001101101010010 Mivel egy byte 8 bitből áll, egy byte-tal két számjegyet írhatunk le. Ha a byte két felét egy-egy BCD-szám foglalja el, ezt pakolt BCD-számnak nevezzük. Ha azonban a BCD-szám négy bitjét a byte alacsonyabb helyiértékű bitjeibe kódoljuk, a maradék négy bit pedig nulla, pakolatlan BCD-számról beszélünk. Az alábbi táblázat a 0-9 decimális számok 8-4-2-1-es kódolású BCD ábrázolását mutatja: Decimális szám 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

BCD-8-4-2-1 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001

Az alábbi kombinációkat nem alkalmazzuk: Decimális szám 10 11 12 13 14 15 73

BCD-8-4-2-1 1010 1011 1100 1101 1110 1111


Sok mikroprocesszor BCD aritmetika szerint is képes számolni. Ezt a processzor státuszregiszterében egy flag (zászló) jelöli. A kódot vezérlő rendszerekben is használják, például LCDvagy LED számkijelzők vezérlése esetén.

2.3.6 Egész számok Az egész számok, mint azt már nevük is elárulja, a bináris számok területén egész számok. A programozásban ezt az adattípust INTEGER-nek nevezzük, rövidítésként az INT-et használjuk. Az INTEGER adattípus az előjeles és az előjel nélküli számokat is magába foglalja. Az előjel nélküli számokat unsigned INTEGER-nek, az előjeles számokat pedig signed INTEGER-nek nevezzük. Az előjel jelölésére mindig a legnagyobb értékű, azaz a bal szélen álló bitet használjuk. Ha előjeles számmal állunk szemben, az előjelről azonnal felismerhető, vajon pozitív vagy negatív számot látunk-e, ugyanis a negatív számok esetén ekkor az első bit 1-es. A bal szélen álló, legnagyobb értékű bitet angolul most significant bit-nek nevezzük, rövidítése MSB. A jobb szélen álló bit értéke a legalacsonyabb, ez a least significant bit (LSB). Az egész számok (integerek) különböző hosszúságú bitsorozatokból is felépülhetnek. Egy egy byte-ból álló integer nyolc különálló bitből áll. Előjel nélküli szám esetén tehát nyolc, előjeles számok esetén csak hét bitből épül fel. Az egy byte hosszúságú integerek az alábbi decimális számtartományokat fedhetik le: Előjellel Előjel nélkül

-128-tól 127-ig 0-tól 255-ig

A 16 bit, azaz 2 byte hosszúságú integereket „szó”-nak nevezzük. Ezek már sokkal nagyobb számtartományt fednek le: Előjellel Előjel nélkül

-32 768-tól 32 767-ig 0-tól 65 535-ig

74


Ha az adat hossza 32 bit, ezt dupla szónak, vagy dupla integernek nevezzük. Ekkor: Előjellel Előjel nélkül

-2 147 483 648-tól 2 147 483 647-ig 0-tól 4 294 967 295-ig

Ennél nagyobb számokat 64 vagy 128 bites integerekkel írhatunk le. Példa Egy előjeles integer szám tízes számrendszerbeli számmá való átváltása az alábbiak szerint történik: Integer: 000 0000 0010 1010 Tízes számrendszer: +(32+8+4)=+44 Integer: 111 111 101 0100 Tízes számrendszer: -((32+8+2+1)+1)=-44 Az összegzéskor hozzáadott egyes a kettes-komplementerek számításából adódik.

2.3.7 Lebegőpontos számok A lebegőpontos számok előjeles tört számok, melyeket nagyon nagy, vagy nagyon kis számok ábrázolására alkalmazunk. Angol nevük floating point number. Programozáskor a lebegőpontos számok adattípusa REAL, azaz valós. A lebegőpontos számok két részből, a mantisszából (m) és az exponensből (e) épülnek fel. Ezt az írásmódot a matematikában és a fizikában már régóta alkalmazzák. Számológépeken ezt a típust tudományosként jelölik. Programozáskor a lebegőpontos számok adattípusa REAL, azaz valós. Ezek a számok összesen három komponensből állnak, és 32 bit hosszúak. A mantissza hossza 23 bit, valamint további egy bitet foglal el az előjel. A 2-es bázisú exponens (kitevő) 8 bitet foglal el. Mivel az exponens is előjeles, értéke -126 és 127 között lehet. A REAL adattípusú legnagyobb megjeleníthető binárisan ábrázolt lebegőpontos szám tehát 1,111… ⋅ 10127 , ami a tízes számrendszerben nagyjából 3,4 ⋅ 1038 –nak felel meg. A legkisebb szám decimális írásmóddal 1,175 ⋅ 10-38.

75

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A 32 bites REAL adattípus SHORT REAL-nak nevezzük. Vele ellentétben a LONG REAL összesen 64 bitből áll. Ezzel egyrészt még nagyobb, és még kisebb számokat is leírhatunk, másrészt pedig növekszik a számok leírásának pontossága is, hiszen ekkor a mantissza hossza összesen 54 bit. A lebegőpontos számokkal való számolás mindig magában hordoz egy bizonyos pontatlanságot, mely a kerekítési hibákból adódik, valamint a decimális lebegőpontos számok bináris lebegőpontos számokká való átszámítása, majd visszaalakítása szintén növeli a kerekítésből adódó pontatlanságot. A PLCk esetében a pontosság a decimális számrendszerben általában 6 számjegy, azaz a tizedes vessző után ennél több értéket nem adunk meg, és nem is számolunk többel. Programozáskor ügyeljünk arra, hogy az INTEGER és a REAL adattípusokat nem adhatjuk össze. Matematikai műveletet mindig csak azonos adattípusok között hajthatunk végre. Példa

Integer: Lebegőpontos:

7 7,0

Ugyan matematikai értelemben a két szám értéke megegyezik, a programozáskor mégis ügyelnünk kell arra, hogy típusuk eltérő.

2.4 Bináris kapcsolat A 0 és 1 bináris kapcsolási állapotokat gyakran össze kell kapcsolnunk más állapotokkal is. Minden kapcsolat három alaptípusból épül fel. Az ÉS és a VAGY kapcsolatok két állapotot eggyé kapcsolnak össze. A harmadik alapvető kapcsolat a negáció, azaz a NEM kapcsolat. A PLC-k programozásánál ezeken túl gyakran találkozunk még a kizáró-VAGY kapcsolattal is. A jelállapotok összekapcsolásának további módja a flip-flop, melyet gatter-nek is nevezünk. Az egyes kapcsolati típusokat, és a különböző programozási nyelveken történő ábrázolásukat a következőkben mutatjuk be.

76


2.4.1 ÉS-kapcsolat Az ÉS-kapcsolatot konjunkciónak is nevezzük. Ez a kapcsolat két bemenő állapotból állít elő egy kimenő állapotot. Kimeneti jel csak akkor keletkezik, ha mindkét bemeneten van jel. Igazságtáblázat: Be1 0 0 1 1

Be2 0 1 0 1

Ki 0 0 0 1

Az ÉS-kapcsolat jele a „&”, ezen kívül gyakran használjuk a fordított „v”-hez hasonlító ^ jelet. A matematikában pontot is írhatunk, azonban ezt nem szabad összekeverni a szorzás műveletével. Be1 & Be2 = Ki Be1 ^ Be2 = Ki Be1 · Be2 = Ki

36. ábra: ÉS-kapcsolat

77


2.4.2 VAGY-kapcsolat A VAGY-kapcsolatot diszjunkciónak is nevezzük. Ez a kapcsolat két bemenő állapotból állít elő egy kimenő állapotot. Kimeneti jel akkor keletkezik, ha legalább az egyik bemeneten van jel. Igazságtáblázat: Be1 Be2 Ki 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 A VAGY-kapcsolatot ferde vonallal jelöljük, ám gyakran használjuk a „v”-re hasonlító jelet is. A matematikában összeadásjelet is írhatunk, azonban ezt nem szabad összekeverni az összeadás műveletével. Be1 / Be2 = Ki Be1 v Be2 = Ki Be1 + Be2 = Ki

37. ábra: VAGY-kapcsolat

78


2.4.3 Negációs A negáció (logikai tagadás) a bemenetet ellentétes értékű kimentté alakítja át. Ha a bemeneten nincs jel, a kimeneten lesz, ha pedig a bemeneten nincs, a kimeneten lesz jel. Igazságtáblázat: Be1 Ki 0 1 1 0 A negációt a jel betűjele fölötti vonallal jelöljük, ám gyakran használjuk a jobb alul kis füllel ellátott függőleges vonalra hasonlító jelet is. _ Be1 = Ki Be1 = ┐Ki

38. ábra: Negáció

79


2.4.4 Azonosság Az azonosság a bemenet értékét változatlanul adja át a kimenetnek. Ha a bemeneten nincs jel, a kimeneten sem lesz, ha pedig a bemeneten nincs, a kimeneten sem lesz jel. Igazságtáblázat: Be1 Ki 0 0 1 1 Az azonosság jele az egyenlőségjel. Be1 = Ki

39. ábra: Azonosság

80


2.4.5 NAND (ÉS-NEM) A NAND kifejezés az angol NOT AND összekapcsolásából született, mely magyar jelentése ÉS-NEM. A NAND-kapcsolat két bemenetet ÉS-kapcsolattal kapcsol össze, majd az eredményt negálja. A NAND-kapcsolat tehát az ÉS- és a NEM-kapcsolatból előállítható. Igazságtáblázat: Be1 Be2 Ki 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 A NAND-kapcsolat jelöléseként a két bemenet fölé húzunk közös vonalat, azonban jelölhetjük egy függőleges vonallal is. ________ Be1 ^ Be2 = Ki Be1|Be2 = Ki

40. ábra: NAND-kapcsolat

81


2.4.6 NOR (VAGY-NEM) A NOR kifejezés az angol NOT OR összekapcsolásából született, mely magyar jelentése VAGY-NEM. A NOR-kapcsolat VAGY-kapcsolattal kapcsol össze két bemenetet, majd negálja az eredményt. A NOR-kapcsolat tehát a VAGY és a NEMkapcsolatból előállítható. Igazságtáblázat: Be1 Be2 Ki 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 A NOR-kapcsolat jelöléseként a két bemenet fölé húzunk közös vonalat. ________ Be1 v Be2 = Ki

41. ábra: NOR-kapcsolat

82


2.4.7 Inhibíció Inhibíció (tiltó logikai kapcsolat) esetén a két bemenő jelet olymódon kapcsoljuk össze, hogy a kimeneten csak akkor jelenik meg jel, ha a Be1 bemeneten van jel, a Be2-n pedig nincs. Ezt úgy érjük el, hogy a Be2 bemenetet először negáljuk, majd ennek eredményét a Be1 bemenet jelével ÉS-kapcsolattal kötjük össze. Igazságtáblázat: Be1 Be2 Ki 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 A Be2 bemenet negációját a fölé írt vonal jelzi, majd a két bemenetet az ÉS-kapcsolat jele köti össze. ___ Be1 ^ Be2 = Ki

42. ábra: Inhibíció

83


2.4.8 Implikáció Implikáció esetén a két bemenő jelet olymódon kapcsoljuk öszsze, hogy a kimeneten csak akkor jelenik meg jel, ha a Be2 bemeneten van jel, a Be1-n pedig nincs. Ezt úgy érjük el, hogy a Be1 bemenetet először negáljuk, majd ennek eredményét a Be2 bemenet jelével ÉS-kapcsolattal kötjük össze. Igazságtáblázat: Be1 Be2 Ki 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 A Be1 bemenet negációját a fölé írt vonal jelzi, majd a két bemenetet az ÉS-kapcsolat jele köti össze. ___ Be1 ^ Be2 = Ki

43. ábra: Implikáció

84


2.4.9 Ekvivalencia Ekvivalencia esetén a két bemenő jelet olymódon kapcsoljuk össze, hogy a kimeneten csak akkor jelenik meg jel, ha a két bemenet állapota megegyezik. A kimeneten tehát vagy akkor van jel, ha mindkét bemeneten van jel, vagy akkor, ha egyik bemeneten sincs. Igazságtáblázat: Be1 Be2 Ki 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Az ekvivalenciának nincs külön jele. Ezt a kapcsolatot különálló alkatrészekből kell felépíteni.

44. ábra: Ekvivalencia

85


2.4.10

XOR (Antivalencia) Az antivalenciát kizáró VAGY (exlusive OR, XOR) kapcsolatnak is nevezzük. Antivalencia esetén a két bemenő jelet olymódon kapcsoljuk össze, hogy a kimeneten csak akkor jelenik meg jel, ha csak a két bemenet egyikén van jel. A VAGY függvénnyel ellentétben tehát a kimenten nem jelenik meg jel, ha mindkét bemeneten van jel. Az antivalencia kapcsolatot az ekvivalencia kapcsolat negálásával kapjuk. Igazságtáblázat: Be1 Be2 Ki 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Az antivalenciának nincs külön jele. Ezt a kapcsolatot különálló alkatrészekből kell felépíteni.

45. ábra: Antivalencia

86


2.4.11

Logikai tároló A programozásban a logikai tárolókat gyakran flip-flopoknak nevezzük. Ezek olyan elektronikus kapcsolások, mely két stabil állapottal rendelkeznek. Mivel ezek az állapotok önmaguktól nem változnak, az elemek az utolsó állapotot gyakorlatilag tárolják. A flip-flop tehát az a legegyszerűbb elektronikus kapcsolás, mellyel egy bit tárolása megvalósítható, ennek megfelelően gyakran alkalmazzuk őket. A flip-flop két állapotát set és reset-nek nevezzük, melyeket az S és R betűk jelölnek. A flip-flopokat főként tárolóelemként használjuk. Egy flip-flop egy bitet tárol. Több flip-flop összekapcsolásával a tárolási kapacitás növelhető, 8 flip-flop összekapcsolásával már egy byte információ tárolható. Az ilyen tárterületeket regisztereknek nevezzük. A mikroprocesszor típusától függően különböző szóhosszak lehetségesek.

46. ábra: Flip-flop, domináns set Több flip-flop összekapcsolásával komplex rendszereket, például számlálókat is össze lehet állítani. Közvetlenül a mikroprocesszorban is találhatók flip-flopok, melyek a digitális technika, mikro-elektronika és ezáltal a számítógépek fontos alkotóelemei. A például memóriakártyákban használt statikus RAM egyes tárolóelemei is flip-flop kapcsolásokból épülnek fel. Ezzel ellentétben a dinamikus tárolóelemek tároló cellánként egy kondenzátorból és egy tranzisztorból állnak.

87

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az öntartó relé-kapcsolásokhoz hasonlóan a tároló kapcsolások is a bejövő jelek dominanciája alapján döntenek. Ha csak egy bemenő jel van, a két kapcsolási típus nem tér el egymástól. A kimenő jelekben csak akkor jelentkezik különbség, ha a két bemenő jel egy időben érkezik. Domináns set kapcsolás esetén akkor keletkezik kimenő jel, ha mindkét bemeneti jel jelen van. Ha a kapcsolás domináns reset típusú, két bemenő jel esetén nem keletkezik kimenő jel.

47. ábra: Flip-flop, domináns reset

88


2.4.12

Kapcsolás algebra A bináris logikai kapcsolásokat a matematika Bool algebra alterülete írja le. Ezt bináris kapcsolási hálók esetén kapcsolás algebrának is nevezzük. Matematikai szempontból a Bool algebra és a kapcsolás algebra szinte megegyezik, azonban a jelek esetenként eltérhetnek egymástól. A kapcsolási algebra kifejezetten egy kapcsolási elrendezésben elhelyezkedő kapcsolók állapotának összefüggései leírásával foglalkozik. A kapcsolás algebrát már a relé kapcsolásokkal való számítások elvégzésére is használták, a számítási szabályok pdig változatlan módon érvényesek az elektronikus elemekből felépülő kapcsolásokra is. A magasabb jelszint a bekapcsolt relének, azaz az 1-es jelállapotnak felel meg. A továbbiakban a „v”-hez hasonló logikai jeleket használjuk az ÉS és VAGY kapcsolatok jelzésére. Segítségként gondoljunk arra, hogy a VAGY kapcsolatot „v” betű, míg az ÉS kapcsolatot annak ellentéte, a fordított „v” (^) jelzi. A kommutativitás (felcserélhetőség) csak olyan egyenletekre érvényes, melyekben csak ÉS, illetve csak VAGY-kapcsolatok fordulnak elő. Ekkor az egyes változók sorrendje tetszés szerint felcserélhető. A^B^C=C^B^A AvBvC=CvBvA Az asszociativitás (csoportosíthatóság) olyan egyenletekre vonatkozik, melyekben a fentiek mellett zárójel is előfordul. Hasonlít a kommutativitásra. A ^ (B ^ C) = (A ^ B) ^ C = A ^ B ^ C A v (B v C) = (A v B) v C = A v B v C A disztributivitás az ÉS és VAGY-kapcsolatokat is tartalmazó egyenletekre vonatkozik.

89

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A ^ (B v C) = (A ^ B) v (A ^ C) A v (B ^ C) = (A v B) ^ (A v C) Az abszorpciós (elnyelési) törvény segítségével sok kapcsolat egyszerűsíthető: A v (A ^ B) = A A ^ (A v B) = A _ A ^ (A v B) = (A ^ B) _ A v (A ^ B) = (A v B)

A negációs törvény az azonos, ám negált változók összekapcsolását írja le. Ez szintén egyszerűsítéseket eredményez. _ A^A=0 _ AvA=1

A DeMorgan szabályok szerint két kapcsolódó változó együttes negálása megegyezik az ellentétes jelentésű operátorral összekapcsolt két változó külön-külön negálásával. ____

_

_

A^B=AvB ____

_

_

AvB=A^B

Ezen kívül érvényes még, hogy a kétszeres negálás kiejti egymást. A hagyományos matematikához hasonlóan itt is a zárójeles kifejezések élveznek prioritást.

90

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Komplex feladatokat igazságtáblák segítségével oldunk meg, melyek a kimenő változók bemenő változóktól való függését táblázatos formában, az 1-es és 0 állapotok segítségével ábrázolják. A megoldási utat ezután lehetőség szerint egyszerűsítjük. Az összefüggések matematikai logikai felírása után abból felrajzolhatjuk magát a kapcsolást. Ekkor szintén a kapcsolási algebra szabályait alkalmazzuk.

91


2.5 PLC programozása A PLC-k programozásához minden gyártó más programot használ. Ugyan az alapvető programozási nyelv megegyezik, azonban az egyes konkrét parancsok eltérhetnek egymástól. Az IEC 61131 nemzetközi szabványt az egységes PLC programozás alapjainak megteremtése érdekében vezették be, azonban a programozási nyelvvel foglalkozó IEC 61131-3, mely a fenti szabvány része, inkább csak iránymutatás, mint merev szabvány. A programozási nyelvekre vonatkozó közös szabvány mind a gyártók, mind a felhasználók számára előnyös. A gyártóknak nem kell újra kifejleszteniük a teljes szoftvert, ez ugyanis magas költségekkel jár. A felhasználók pedig hamarabb használni tudják a különböző berendezéseket, ha azok programozásának nyelve hasonló.

2.5.1 Strukturált programozás A PLC őskorában a programok lineárisan épültek fel, a parancsokat sorban egymás után írtuk be, és azok ugyanebben a sorrendben kerültek kivitelezésre. Ezzel szemben ma a nagyobb programokat már strukturáljuk, azaz több részprogramra bontjuk. Ezeket a részprogramokat nevezzük programblokkoknak. A strukturált programozás előnyei: -

-

-

-

A programok áttekinthetőbbek. Utólagos változtatások egyszerűbben kivitelezhetők. Ez egyszerűbbé teszi a hibakeresést is. Többször használt programrészeket csak egyszer kell beírnunk. Szükség esetén a program ismét ide ugrik, és elvégzi a megadott feladatokat. A programozás így tehát egyszerűbbé válik. A programozás során éppen nem használt részprogramok egyszerűen átugorhatók. Ez - különösen nagy programok esetén – jelentősen csökkentheti a ciklusidőt. A PLC-k gyártói gyakran már kész részprogramokat is adnak a berendezésekhez. Bizonyos feladatok, így a vezérlés beindítása, vagy hibakezelő blokkok saját programunkba egyszerűen beépíthetők.

92


Blokkok használata esetén ügyeljünk arra, hogy a program futása során a kimenetek értékét a berendezés csak egyetlen alkalommal állítja be. Az egyes blokkok közötti információcsere az információ köztes tárolásán alapszik. A program indítása és lezárása mindig a főprogramban található. Ezt programszervezési egység (Organization Unit) 1-nek nevezzük. Innen hívjuk az egyes funkciós vagy függvényblokkokat. A hívás lehet abszolút, azaz mindig megtörténik, de lehet relatív is, azaz csak akkor történik meg, ha bizonyos feltételek teljesülnek. A függvények nem rendelkeznek memóriával. Ha egy adott értékkel hívjuk meg őket, mindig ugyanazt az eredményt szolgáltatják. Ezzel ellentétben függvényblokkok tartalmazhatnak számlálókat vagy időblokkokat is. Ezen belső változók értékétől függően azonos bemeneti paraméterek esetén is kaphatunk eltérő eredményeket. Programblokkokban tárolhatunk adatokat is, melyeket a program futása során meghívhatunk. A program futása során lehetséges azonban bizonyos adatok mentése is.

48. ábra: Strukturált programozás

93


2.5.2 Változók deklarálása A PLC ki- és bemeneteit mindig betűkkel és számjegyekkel jelöljük. Az angol nyelvű programozásban a bementeket I (input), a kimeneteket Q (Output) jelöli. Az egyes bemeneteket két számjegy azonosítja, melyeket egy pont választ el. Az első számjegy a csoportot adja meg, a második pedig a csoporton belül az egyes bemeneteket számozza 0-tól 7-ig. Így egy csoporthoz legfeljebb 8 bemenet tartozik. A nyolcas csoportok eredete, hogy egy byte 8 bitből áll. A kimenetek számozása ugyanezt az elvet követi. A ki- és bementek számozása megegyezhet, azonban két bevagy kimenet jelölése nem lehet azonos. Példa Bemenetek: Kimenetek:

I0.0, I0.1, I0.2, I0.3, … I0.7, I1.0, I1.1, … Q0.0, Q0.1, Q0.2, Q0.3, … Q0.7, Q1.0, Q1.1, …

Újabb programozási rendszerek esetén a byte-orientált programozás mellett a be- és kimenetek szó-orientált címzése is lehetséges. Mivel egy szó két byte-ból áll, az egyes csoportok 16 be- és kimenetet tartalmazhatnak. Ebben az esetben a jelölések például I0.0-tól I0.15-ig terjednek. Annak érdekében, hogy a program áttekinthetőbb legyen, a fenti címzések jelképes címekkel helyettesíthetők. Ha például az I0.0 bemenet az indító kapcsolóval van összekapcsolva, ezt a bemenetet elnevezhetjük START-nak. Ekkor a programban az I0.0 helyett a START jelölés jelenik meg. A be- és kimenetek jelöléseit a program elején rögzíteni kell. A program ezen részét nevezzük deklarációs résznek. A deklarációs részben rögzítjük továbbá azt is, az egyes változók hány bitből állnak. A START-gombhoz hasonló bemeneti kapcsolók értéke csak 1 vagy 0 lehet (be vagy ki), így ehhez csak 1 bitre van szükség, mely a BOOL típusú változónak felel meg. Ha a változók több bitből állnak, BYTE, vagy WORD (szó) -ként deklarálhatjuk őket. A globális változók a teljes program terjedelmében használhatók, más változók azonban csak az adott alprogramban érvényesek.

94

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos A be- és kimenetek mellett merkereket (flag, változó) is alkalmazunk, melyek számozása a fentiekkel egyező, jelölésük az M betű. A merkerek eredményeket tárolnak, melyeket az alprogramoknak át tudnak adni, illetve onnan a főprogramba is visszavihetik őket. A merkereket remanensnek nevezzük, ha állapotukat az elektromos feszültség kimaradása esetén is megőrzik.

2.5.3 Utasítások A program legkisebb egysége az utasítás, mely egy műveleti (operátor) és egy operandus részből áll. Ez tartalmazza a változót. Az utasítások különböző gyártók által használt programozási rendszerekben eltérőek lehetnek. A legfontosabb utasítások: U O S R =

ÉS-funkció a BIT, BYTE és WORD összekapcsolására, betöltő funkcióként is használják (UND (német) = ÉS) VAGY-funkció a BIT, BYTE és WORD összekapcsolására (ODER (német) = VAGY) Tároló beállítása Tároló törlése Egy kapcsolat eredményének átadása

További utasítások zárójelekből állnak. Először a zárójelek értékét számítjuk ki, majd a program ezt az eredményt vonja be a további számításba. Szintén több művelet létezik számláló és időparancsok kivitelezésére. Léteznek különböző regisztereknek adatokat átadó, biteket vagy teljes byte-okat eltoló műveletek is. A blokkok hívása abszolút és feltételes módon történhet. Az abszolút hívás mindig megtörténik, a feltételes azonban csak bizonyos feltételek teljesülése esetén. Az utasítások különböző programozási nyelvek esetén eltérhetnek egymástól. Az adott alkalmazás függvényében a program létrehozására a különböző nyelvek eltérő mértékben alkalmasak. A programozási nyelvek egy része grafikus ábrázolási lehetőséggel is rendelkezik, más nyelvek tisztán szövegalapúak.

95


2.5.4 Utasításlista AWL Az utasításlista gépközeli programozási nyelv, és szinte minden programozási rendszerben rendelkezésre áll, azonban nem minden nyelv felel meg az IEC 61131-3-nak, jóllehet a PLC gyártók AWL-nek nevezik őket. Ezért előfordulhat, hogy az egyik gyártó berendezésén AWL-ben írt program egy másik gyártó berendezésére nem közvetlenül transzferálható. Az AWL segítségével elsősorban a PLC be- és kimeneteit kapcsoljuk össze logikailag. Ehhez minden sorba egy műveletet és egy operandust írunk. Ezen kívül minden sorba érdemes megjegyzést is írni, mely leírja az operandust. Ez megkönnyíti a program későbbi időpontban történő értelmezését. A megjegyzést zárójelbe, csillagok közé írjuk. A program ezeket a megjegyzéseket figyelmen kívül hagyja, és csak magát a program kódot tölti be. Példa Ha két gombot egyszerre nyomnak meg, vagy az egyik állítókapcsolót bekapcsolják, egy fényjelzés jelenjen meg. Az utasításlista ekkor nagyjából így nézhet ki: U U O =

I0.0 I0.1 I0.2 Q0.0

(*Gomb1*) (*Gomb2*) (*Állítókapcsoló*) (*Fényjelzés*)

Minden sorban először a művelet, majd az operandus áll. A megjegyzés mindig a sor jobb oldalán helyezkedik el. Az első két bemenetet ÉS-kapcsolat köti össze. Ezt követi egy VAGYkapcsolat, mely a harmadik bemenetet köti össze az előző kettővel. Az egyenlőségjel jelzi, hogy a logikai kapcsolat eredménye a kimenetre kerül. Az utasításlista hasonlít a számítógépes ASSEMBLER programozási nyelvhez. A strukturálás nehézkes, csak ugrás parancsok segítségével kivitelezhető. Az utasításlista előnye, hogy a programkód nagyon rövid és tömör. Ez különösen a kis tárhellyel rendelkező PLC-k esetén fontos. Az utasításlistát általában csak a haladó programozók alkalmazzák. Kevés tapasztalattal rendelkező felhasználók szívesebben használják a vizualizációs lehetőségekkel rendelkező, így komplexebb programnyelveket, melyek ezáltal egyszerűbben használhatók és érthetők. 96


2.5.5 Létradiagram (KOP) Az létradiagram a program egy grafikus ábrázolása, mely a korábbi relés vezérlések áramút rajzára hasonlít. Az egyes programrészeket szakaszokra osztjuk, melyeket hálózatoknak nevezünk. A létradiagram relatív régi grafikus ábrázolási mód. Az egyes szimbólumokat akár írógéppel is elő lehet állítani, így ezeket kizárólag szöveg megjelenítésére alkalmas képernyőkön is meg lehetett jeleníteni. Ezen túl a létradiagram hasonlít a relés kapcsolások amerikai ábrázolási módjára, ahol az egyes áramutak vízszintesen helyezkednek el. Az európai részletes kapcsolási rajz létradiagram alakításához azt az óramutató járásával megegyező irányban 90°-al el kell fordítani. Ezután a kapcsolási rajzot egy vízszintes vonalra tükrözzük, majd kiigazítjuk a jelöléseket. A létradiagram különösen villanyszerelők számára alkalmas, mivel ez az ábrázolásmód nagyon hasonlít a relés kapcsolási rajzokhoz. A létradiagramot elsősorban csatlakozó vezérlések esetén alkalmazzák.

49. ábra: Létradiagram, példa

97


2.5.6 Funkcióterv (FBS) A funkcióterv szintén a program egy grafikus ábrázolása. Az egyes funkcióelemeket Bool függvények kapcsolják össze, azonban aritmetikus és más műveletek is lehetségesek. A létradiagramhoz hasonlóan az egyes programrészek itt is hálóra oszthatók. A hálók Bool függvények segítségével gyakran áramút-tervvé, vagy onnan visszafelé is átalakíthatók. A funkcióterv építőelemei négyzetek, melyeket vízszintes és függőleges vonalak kötnek össze. A jel balról jobbra halad. A négyszögek kimenetei nem vezethetők egyszerűen össze, hanem minden kimenetének egy másik négyszög bemenetéhez kell kapcsolódnia. A jobb oldalon jelenik meg a kapcsolat eredménye. Minden hálóban csak egy eredményt számolunk, mely azonban egyszerre több kimeneten is megjelenhet. A funkciótervet elsősorban csekély programozási ismerettel rendelkezők használják. A létradiagramhoz hasonlóan a funkciótervet elsősorban csatlakozó vezérlések esetén alkalmazzák –S1 –S2

&

–S3 –S4

&

>=1

–S5

=

–K1

50. ábra: Funkcióterv, példa

98


2.5.7 Lefutó nyelv (AS) A lefutó nyelv (állapotgráf, léptetőlánc, németül Ablaufsprache) szintén grafikus ábrázolás, melyet elsősorban olyan sorrendi lefutó vezérlések esetén alkalmaznak, ahol a parancsok lépésekben, egymás után kerülnek kivitelezésre. A lefutó nyelv egyes részeit lépéseknek nevezzük. Az egyes lépések között feltételek szerepelnek. A következő lépés csak akkor kivitelezhető, ha az előtte álló feltétel teljesül. Minden lépés valamely beavatkozás, melyet ebben a lépésben kivitelezni kell. Ennek feltétele az előtte álló feltétel teljesülése. A beavatkozás csak az adott lépés során érvényes, illetve beállítja a kimenet állapotát, melyet egy másik lépés visszaállít. Lehetséges ezen kívül, hogy a beavatkozást több lépésre osztjuk, melyek akár egyszerre is kivitelezhetők. További lehetőség a láncok alternatív, csak bizonyos feltételek teljesülése esetén történő futtatása is. Ez lehetővé teszi a bemeneti értékektől függő program futást. Start -S1 -S2 -S3 & 1N1

N

Ende

51. ábra: Lefutó nyelv, példa

99

Motor An

-K1


2.5.8 Strukturált nyelv (ST) A strukturált nyelv egy magasabb rendű programozási nyelv, mely a számítástechnikában a PASCAL-lal hasonlítható össze. A strukturált nyelv segítségével elsősorban a komplex számításokat tartalmazó vezérlési feladatok kivitelezésére alkalmas. A strukturált nyelv az utasításlistához hasonlóan szöveg orientált, azonban itt nem gépközeli parancsokat használunk. A strukturált szöveg nagy előnye az utasításlistával szemben, hogy a programozási feladatok nagyon kompakt módon fogalmazhatók meg. A program felépítése az utasításblokkoknak köszönhetően igen áttekinthető. Léteznek azonban hátrányok is: a gépkód nem közvetlenül elérhető, mivel a fordítást egy önálló fordítóprogram, a compiler végzi. A magasabb rendű programozási nyelveken készült programok ezért általában lassabbak és terjedelmesebbek, csökken tehát a program hatékonysága. A strukturált nyelven írt program több önálló utasításból áll. Az utasításokat pontosvessző választja el egymástól. Az utasításlistával ellentétben itt az utasítások több sor hosszúságúak is lehetnek, lehetséges azonban egy sorban több utasítás felsorolása is. A megjegyzéseket itt is zárójelek és csillagok közé írjuk, azonban ezek nem kötelezően a sor végén állnak, hanem bárhol, ahol szóköz állhatna elhelyezkedhetnek, tehát akár az utasításon belül is. A strukturált nyelvben az érték átadását kettőspont és egyenlőségjel jelöli. Az egyenlőségjel jobb oldalán álló értéket átadjuk a baloldalon álló változónak. Elágazások az IF utasítás segítségével hozhatók létre, ugrás a programban nem lehetséges. Példa

A:= B + C (*B és C értékek összeadása*); A fenti példában a B és C értékeket összeadjuk, majd az öszszeget átadjuk az A változónak. A megjegyzés a sor végén áll. Az utasítást pontosvessző zárja le.

100


2.5.9 Időtag Az időtagot timer-nek is nevezik. Feladata a program során szükséges várakozások kivitelezése. Feladata megegyezik a relés vezérlések időreléinek feladatával. Ügyelni kell arra, hogy a PLC ciklusidejének lényegesen rövidebbnek kell lennie, mint a beállított időtartam. A vezérlés feladatától függően különböző időtagokat állíthatunk be. Az időrelékhez hasonlóan léteznek késleltetett be- és kikapcsolású, valamint a bemeneti impulzus meghosszabbítására, illetve lerövidítésére szolgáló időtagok is. A funkciónyelvben az időtag programozása jól látható. A blokk fölött az időtag jele áll, ez adja meg az időtag típusát. Az időtag alábbi csatlakozásait mindenképpen csatlakoztatni kell: IN PT Q

Indítási feltétel, indítja az időtagot Időállandó, az időtartam hosszát adja meg, Kimenet, melyet a beállított idő elteltével kapcsolni kell

Az alábbi csatlakozásokat kapcsolhatjuk, ha szükséges: ST R ET

Stop, az időtagot annak resetelése nélkül állítja le Reset, az időtag kiindulási állapotba való visszahelyezése Az idő maradékát szóként adja meg. T1 SE E0.0

IN

T#1s

PT

E0.1

ST

E0.2

R

52. ábra: Időtag, funkciónyelv

101

ET

Q

M0

A1.0


2.5.10

Számláló A számlálókat például a gyártott alkatrészek számának vagy mennyiségének meghatározására használjuk, értelmezni csak a pozitív egész számokat és a nullát tudják. A vezérlési feladattól függően különböző számlálókat alkalmazhatunk. A visszaszámláló egy adott értéket kap, melyről visszafelé számol nulláig. Az előreszámláló nem szükségszerűen nullától indul, a számlálás bármely beállított értéktől elkezdődhet. A számlálók eredményüket az előre meghatározott célértékkel hasonlítják össze: ha a két érték megegyezik, egy adott kimeneti értéket állítanak be. Léteznek kombinált számlálók is, melyek előre és visszafelé is tudnak számolni. A funkciónyelvben az időtag programozása jól látható. A blokk fölött az időtag jele áll, ez adja meg az időtag típusát. A számláló csatlakozói: CD PV LD R CV Q

Számlálóimpulzus, a számláló minden beérkező impulzus esetén eggyel emeli értékét Számlált érték, a visszaszámláló innen számol visszafelé Számlált érték betöltése a számlálóba, bemeneti jel érkezésekor Reset, a számláló kiindulási állapotba való visszahelyezése Aktuális számláló állapot megadása, melyet egy előre megadott értékkel összehasonlíthatunk Kimenet, melyet kapcsolni kell amint a visszaszámláló értéke eléri a nullát Z1 ZR E1.0

CD

75

PV

E1.1

LD

E1.2

R

CV

Q

M2

A2.0

53. ábra: Visszaszámláló, funkciónyelv

102


2.5.11

Tárolóelem A tárolóelemeket flip-flipoknak is nevezzük. Akkor használjuk őket, ha azt akarjuk elérni, hogy rövid ideig jelenlévő jelek hosszabb időn keresztül fejtsék ki hatásukat. Mivel a flip-flopok a ki- vagy bekapcsolt állapotot önállóan megtartják, bistabil elemeknek nevezik őket. Ha az S bemenetre jel érkezik, a tárolóelem bekapcsolódik, és kimeneti jel állít elő. A törlést az R bemenetre érkező jel inicializálja. Ez mindkét tárolóelem-típus esetén megegyezik. Különbséget a két bemenetre egyidejűleg érkező jelek esetén tapasztalunk. Domináns set típusú flip-flopok esetén két egyidejű jel beérkezésekor keletkezik kimeneti jel, domináns reset típus esetén pedig nem. A tárolóelem működése tehát megfelel a relés öntartó kapcsolások működésének.

54. ábra: Tárolóelem: funkciónyelv, strukturált nyelv

103


2.5.12

Lépésláncok A lefutó vezérléseket különösen áttekinthető módon lépésláncok segítségével programozhatjuk. Erre különösen a lefutó nyelv alkalmas, azonban lépésláncokat domináns set és reset tárolóelemek segítségével is programozhatunk. Minden lépéshez külön tárolóelem van hozzárendelve. Az első lépést például egy START gomb vagy egy indítási feltétel indítja. A tároló kimeneteként egy merkert definiálunk. A következő lépés az előtte álló feltétel telesülésekor kerül kivitelezésre. Ez azonban csak akkor történhet meg, ha az első lépéshez tartozó merkernek a program átadta a megfelelő kimeneti értéket. A második lépés indításával egyidejűleg az első lépés alapállapotba kerül vissza. A merkereket a program egy más részében logikailag összekapcsolhatjuk, majd jeladásra is felhasználhatjuk őket. A feladatnak megfelelően tehát egyik lépés követi a másikat. Miközben az előző lépés éppen alapállapotába kerül vissza, a következő lépés már előkészítés alatt áll. Ez az eljárás a relétechnika törlő lépésláncának felel meg. M1 RS –S1 –B1

& M0.2

S R1

Q1

M0.1

Q1

M0.2

M2 RS M0.1 –B2

& M0.3

S R1 : : :

55. ábra: Lépéslánc, funkciónyelv

104


3 Elektromos hajtások 3.1 Bevezetés A műszaki élet számos területén alkalmazunk elektromos energiát. Talán az egyik legfontosabb felhasználói csoport a villamos gépek csoportja, de a vezérléshez is áramra van szükség. A villamos gépeket generátorokra és motorokra osztjuk. A generátorok mechanikai energiát alakítanak villamos energiává. A villamos energiát motorok segítségével alakíthatjuk ismét mechanikai energiává. A motorokat ezért hajtásoknak is nevezzük. A villamos gépek túlnyomó többsége forgó mozgáson alapszik. Az egyenesvonalú mozgást létrehozó motorokat lineáris motoroknak nevezzük. Ilyen például a Transrapid hajtása is. A villamos gépek mérete a néhány milliméter átmérőjű motoroktól a több száz tonna tömegű generátorokig terjed. A legkisebb motorok teljesítménye 1 mW körül mozog. A legnagyobb generátorok ezzel szemben több, mint ezer megawatt elektromos teljesítményt állítanak elő. Azaz a teljesítménytartomány 0,001 W-tól 1 000 000 000 W-ig terjed. Az elektromos energia továbbítása és elosztása elektromos hálózaton keresztül történik. Nagy feszültségű hálózatokon nagy távolságokra, a kisfogyasztókhoz pedig a nagyfeszültségű hálózatokhoz kapcsolódó közepes és kisfeszültségű hálózatokon keresztül jut el az áram. A túlnyomó többségben alkalmazott váltakozó feszültség egyik nagy előnye, hogy az transzformátorok segítségével más feszültségértékekre transzformálható. Pont-pont összeköttetés esetén az egyenáramot is nagyfeszültség formájában juttatjuk el. Ez ugyan műszakilag körülményesebb, mint a váltakozó feszültség szállítása, de nagy távolságok (pl. tengerek alatti átvezetés) esetén kisebbek a veszteségek.

105


3.2 Elektromos és mágneses mező 3.2.1 Elektromos mező Az elektromos töltés lehet pozitív vagy negatív. Az elektronok negatív, az atommagok pedig pozitív töltéssel rendelkeznek. Az elektromos töltések egymásra erőt gyakorolnak: az azonos töltések taszítják, az ellentétes töltések pedig vonzzák egymást. Az erőt pozitívnak tekintjük, ha a töltések taszítják egymást, azaz két pozitív illetve két negatív töltés esetén. Ha egy töltéssel rendelkező gömbön kívül ellentétes töltésű részecskék találhatók, ezekre a gömb felé irányuló erő hat. Az erők hatásvonalai a gömb középpontján haladnak át. Ezek az erővonalak az elektromos mező erővonalait jelzik. Az erővonalak iránya definíció szerint a pozitív töltéstől a negatív töltés felé mutat, azaz a pluszból a mínuszba. Az erővonalak tehát a pozitív töltésekből indulnak, és a negatív töltésekbe érkeznek.

56. ábra: Elektromos mező erővonalai Homogén elektromos mező esetén az erővonalak párhuzamosak. Ilyen mező két egyenlő méretű, ellentétes töltésű lemez között alakul ki. A gépek belsejében kialakuló elektromos mező általában inhomogén. A sűrűbben elhelyezkedő erővonalak erősebb elektromos mezőt jelölnek. Az elektromos térerősség mértékegységeként általában Volt/méter-t (V/m) használunk.

106

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Egy vezető felületének töltését a felületi töltésmennyiséggel jellemezzük. Ha ezeket a töltéseket az erővonalak mentén eltoljuk, elektromos áramsűrűséget kapunk. Egy vezető körül akkor is elektromos mező alakul ki, ha az töltéseket vesz fel. A szigeteléssel együtt a vezető egy kondenzátort alkot, ez a hatás azonban itt nemkívánatos. Ha egy kondenzátort szinuszos váltakozó áramra kapcsolunk, a kondenzátoron levő feszültség folyamatosan változik. A feszültség a szinuszgörbe nullátmeneténél változik a leggyorsabban. A kondenzátoron ekkor folyik a legtöbb áram. A szinuszgörbe extrémumaiban a feszültség nem változik, ekkor tehát nem folyik áram. Ebből következik, hogy a feszültség 90°-kal előzi meg az áramot. Az áram és a feszültség egymáshoz képesti időbeli eltolódását fáziseltolódásnak nevezzük. Mivel a feszültség pozitív és negatív értékeket is felvesz, az áram vagy a kondenzátor felé vagy attól el folyik. A kondenzátor tehát a hálózatból teljesítményt vesz fel, majd azt le is adja. 90°-os fáziseltolódás esetén a felvett és a leadott teljesítmény nagysága megegyezik. Ezt az ingázó teljesítményt nevezzük meddő teljesítménynek. A meddő teljesítmény felvétele meddő ellenállást okoz. A tekercsek meddő ellenállásával szemben a kondenzátorok meddő ellenállását kapacitív meddő ellenállásnak nevezzük. Minden elektromos mező tárol elektromos energiát. Ezt használják ki a kondenzátorok. Az energia mennyisége a kondenzátor feszültségétől és kapacitásától függ, azonban nem olyan mértékű, hogy az energiatechnikában alkalmazni lehetne.

3.2.2 Mágneses mező A mágnesesség oka az elektronok mozgásában rejlik. Az elektronok atommag körüli mozgása mágneses erőt hoz létre. Különböző anyagok különböző módon hatnak a külső mágneses mezőre. Ha a mágneses mezőbe paramágneses anyagot helyezünk, a mágneses mező enyhén megnő. Ilyen anyagok például az alumínium és sok szigetelő is.

107


Ezzel ellentétben a diamagnetikus anyagok gyengítik a mágneses mezőt. Diamagnetikus anyag például a réz, az arany és az ezüst. Többek között a vas, a nikkel és a kobalt ferromágneses anyagok. Ha ezeket helyezzük mágneses mezőbe, annak erőssége nagymértékben nő. A mágneses mező a ferromágneses anyagra koncentrálódik. Ezért a villamos gépekben gyakran találkozunk ferromágneses anyagokkal. Hasonló a ferrimágneses anyagok viselkedése is, bár ezek a mágneses mezőt nem befolyásolják olyan mértékben, mint a ferromágneses anyagok. A ferrimágneses anyagok közé tartoznak például a krómdioxid és a különböző ferritek. Az ilyen anyagokat főleg a híradástechnikában használják. Az áram által átjárt vezető körül koncentrikus gyűrűsorozat alakú mágneses mező alakul ki. Az erővonalak irányát a jobbkéz-szabály alapján határozzuk meg: ha a jobb kéz hüvelykujja az áram irányába mutat, a mágneses erővonalak iránya az ujjak irányával azonos. Ha két párhuzamos vezetőn azonos irányban halad át áram, a két vezető vonzza egymást. Ezzel szemben az áram ellentétes iránya esetén taszítás lép fel. Több, egymással sorba kapcsolt áramhurok tekercset alkot. Ha a vezetőn áram halad át, elektromágnes alakul ki. Azt a helyet, ahol az erővonalak elhagyják a tekercset északi pólusnak nevezzük. Mivel az egymás mellett elhelyezkedő hurkokban az áram azonos irányba folyik, a hurkok vonzzák egymás, így a tekercs nem esik szét. A tekercsek az elektromos motorok és transzformátorok fontos alkotóelemei. A tekercs mágneses hatása az áramerősség és a menetszám függvénye. A mágneses térerő az áramerősség és a menetszám növekedésével, és a tekercs átmérőjének, azaz a mágneses erővonalak hosszának csökkenésével nő. A mágneses mező fontos jellemzője a mágneses fluxussűrűség. Vasmagos elektromágnesek esetén ezt az ér-

108

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos téket az anyagra jellemző mágnesezhetőségi karakterisztikából határozzuk meg. A villamos gépek és transzformátorok esetén alkalmazott anyagok esetén egy bizonyos mágneses térerősség felett mágneses szaturáció (telítettség) lép fel. Ez azt jelenti, hogy a fluxus a mágneses térerő további emelése esetén sem növekszik tovább. A mágneses fluxussűrűséget a tekercs keresztmetszetével megszorozva a fluxust kapjuk. A villamos gépekben a fluxus függ a menetszámtól és a menetfaktortól is.

57. ábra: Mágneses mező erővonalai

3.2.3 Indukció Az áram által átjárt vezető körül mágneses mező alakul ki. Ha a vezető egy másik mágneses mezőben helyezkedik el, a két mágneses mező kölcsönhatásba lép egymással. Ha az áram a külső mágneses mezővel nem párhuzamos, a vezetőre erő hat. Az erő merőleges a vezetőre. Ezt nevezzük Lorenzerőnek. A hatás irányát a balkéz-szabály segítségével határozzuk meg. Tartsuk a bal kezünket úgy, hogy az erővonalak a tenyeret érjék, az ujjak pedig az áram folyásának irányába mutassanak. Ekkor a balkéz kinyújtott hüvelykujja az erő irányába mutat. Tekercs esetén több vezeték kapcsolódik sorban egymáshoz, így az erőhatás megsokszorozható. Ezt elsősorban motorok

109

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ esetén használjuk ki. Azonban a képcsőben is elektronsugarat hajtunk át tekercsek mágneses mezején, mely eltéríti azt. Ekkor nincs jelen vezető, azonban a Lorenz-erő kialakulásához az elektronok mágneses térbeli mozgása is elegendő. Ha ezzel ellentétben egy vezetőt mozgatunk mágneses térben, a vezetőben feszültség alakul ki. Ezt nevezzük indukciónak. Ha a vezető két végét összekapcsoljuk, a feszültségkülönbség kiegyenlítődik, és áram folyik. Az indukció által létrehozott áram egy újabb, a vezető mozgását gátló mágneses mezőt hoz létre. A vezetőre tehát a mozgás fenntartása érdekében külső erőnek kell hatnia. Ezt használjuk ki a generátorokban, ahol külső meghajtás segítségével feszültséget hozunk létre, és így áram folyik. Az áram irányának meghatározásához a jobbkéz-szabályt alkalmazzuk. Tartsuk a jobb kezünket úgy, hogy az erővonalak a tenyeret érjék, a kinyújtott hüvelykujj pedig a mozgás irányába mutat. Ekkor az ujjak az indukált áram folyásának irányába mutatnak. A vezető hurkokká, majd ezek tekercsekké való összekapcsolása növeli az indukált feszültséget. Az indukált feszültség a tekercs menetszámának növekedésével és a mágneses fluxus változásának nagyságával nő. Ezt például a generátor fordulatszámának változtatásával befolyásolhatjuk. Ha a tekercsen belül egy tömör vasmag helyezkedik el, ebben – ha a tekercsen váltakozó áram halad át - áram indukálódik. Ezt nevezzük örvényáramnak. Mivel a vas jól vezeti az áramot, az örvényáramok a vasmag erős felmelegedéséhez vezetnek. Az örvényáramok elkerülése végett a vasmagokat vékony lemezekből készítik, melyeket lakkozással szigetelnek. Így az egyes lemezekben csak gyenge örvényáramok alakulhatnak ki. Ha egy tekercsre egyenfeszültséget kapcsolunk, a feszültség bekapcsolásakor a tekercsben mágneses mező keletkezik, mely feszültséget hoz létre, melynek következtében a tekercsben az áramerősség csak lassan növekedhet. Ez az önindukciós feszültség tehát az árammal ellentétesen hat. Az egyenfeszültség lekapcsolásakor, szintén az önindukció következtében, feszültség keletkezik. Ez a feszültség a koráb110

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos ban folyó árammal azonos irányba hat. Az ilyen feszültségek akár olyan mértékűek is lehetnek, hogy a kapcsoló érintkezői átütnek, és károsodnak. Ennek elkerülése érdekében egy diódát kapcsolunk a tekercscsel párhuzamosan. A dióda a reguláris működés során zár, kikapcsoláskor azonban az önindukcióból származó áramot átereszti. Így a tekercs árama lassan csökken, a kapcsoló kontaktusainak károsodása pedig elkerülhető. A tekercseket más néven induktivitásnak nevezzük. Az induktivitás azonban a tekercs feszültségindukciós képességét is jellemzi. Ha egy tekercsre váltakozó feszültséget adunk, az indukált áram ellenében egy ellenállás alakul ki, így az áram a feszültséghez képest később éri el a maximális értékét. Ez a fáziseltolódás a kondenzátorhoz hasonlóan 90°, azonban a kondenzátorral ellentétben a tekercs esetén a feszültség siet az áramhoz képest. A tekercsen fellépő meddő ellenállást induktív meddő ellenállásnak nevezzük. Az elektromos mezőhöz hasonlóan a mágneses mező is tárol energiát. Az energia mennyisége a tekercs induktivitásától, és az áthaladó áram nagyságától függ.

3.3 Az áramellátás alapjai 3.3.1 Áramfejlesztés Az áramfejlesztés kifejezés alatt más energiaformák elektromos energiává alakítását értjük, hiszen az energia közvetlen előállítása nem lehetséges. Mivel az elektromos energia tárolása nagy mennyiségben nem lehetséges, az elektromos áramot mindig akkor kell előállítanunk, amikor éppen szükségünk van rá. Németországban az elektromos energia jelentős részét szénés atomerőművekben állítják elő. Ezen két típusú erőmű közös vonása, hogy hő segítségével a vízből forró vízgőzt állítanak elő, mely turbinákat hajt meg. A turbinák pedig generátorokhoz csatlakoznak, amik elektromos energiát állítanak elő.

111

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A gázerőművekben a generátort gázturbina hajtja. A víz- és szélerőművek regeneratív energiaforrások, az alapelv azonban itt is hasonló, a turbina, vagy a lapát itt is generátort hajt meg. A naperőművek generátorok nélkül működnek, ezek a fotoelektromos hatást használják ki. A napelemek a fényt közvetlenül képesek elektromos energiává alakítani. Ezzel szemben a solarthermikus erőművek gőzt állítanak elő, mely a turbinát, és ezáltal a generátort hajtja. A generátorok mellőzésével való energia-előállítás egy további módja az üzemanyagcellák használata. Itt a hidrogén az oxigénnel reakcióba lépve vízzé válik, mely során elektromos feszültség keletkezik. Az ilyen típusú áramfejlesztés nagy léptékben azonban még nem lehetséges.

3.3.2 Az áram szállítása és elosztása Az erőművekben létrehozott áramot 1000 V feszültséget meghaladó magasfeszültségű távvezeték-hálózatokon juttatják el a forrástól a felhasználóig. A magasfeszültségű hálózatok általában háromfázisú hálózatok, melyek feszültsége 110 kV, 220 kV vagy 380 kV. A 220 kV feletti hálózatokat legnagyobb-feszültségű hálózatoknak nevezzük. A 220 kV-os és 380 kV-os hálózatok az elektromos energiát nagy távolságokra szállítják. Elsősorban a nagyobb erőművek csatlakoznak 380 kV-al az elektromos hálózatra. Az ilyen hálózatok szinte mindig föld feletti vezetékekből állnak. Nem három fázissal működik a vasút, valamint a nagyfeszültségű egyenáramú vezetékek sem. Ugyan az egyenáram átvitele bonyolultabb, azonban nagyobb távolságok esetén kisebbek a veszteségek, mivel nem lép fel meddő ellenállás. Középfeszültségű hálózatoknak nevezzük a 10, 20 vagy 30 kV-os hálózatokat. Ezek transzformátorokon keresztül kapcsolódnak a nagy- és kisfeszültségű hálózatokhoz. A nagyfogyasztók közvetlenül a középfeszültségű hálózathoz kapcsolódnak. Az energia elosztása vagy föld feletti, vagy föld alatti vezetékek segítségével történik. A vidéki területeken inkább föld feletti, a városokban pedig inkább föld alatti vezetékeket alkalmaznak.

112


A kisfogyasztókhoz a 400 V/230 V-os kisfeszültségű hálózaton keresztül jut el az áram. Itt is föld alatti vagy föld feletti vezetékeket használnak. A föld alatti vezetékek kevésbé érzékenyek a zavarokra, mint a föld feletti vezetékek, kisebb a helyigényük, és a környezet képét sem befolyásolják. Azonban a szükséges földmunkálatok következtében lefektetésük költségintenzívebb. A vezetékek anyaga alumínium vagy réz. A háztartások a csatlakozószekrény segítségével csatlakoznak a hálózathoz. A csatlakozószekrényben találhatók az egyes házon belüli vezetékek áramköri biztosítói is.

3.4 Transzformátorok 3.4.1 Ideális transzformátor A transzformátor egy villamos gép, amely két áramkör között, mágneses úton energiát közvetít. Általában két egymáshoz elektromosan nem csatlakozó tekercsből áll. A mágneses fluxust a transzformátor vasmagja vezeti. Az ideális transzformátor esetén nem lépnek fel veszteségek, a hatásfok 100%. Egy kimeneti terhelés nélküli valós transzformátor nagyban hasonlít az ideális transzformátorhoz. Ezt nevezzük a transzformátor üresjáratának. Transzformátor segítségével feszültséget, áramerősséget, ellenállást, kapacitást és induktivitást alakíthatunk át. A feszültségek aránya ideális transzformátor esetén megegyezik a menetek arányával: a U1 U2 N1 N2

transzformátor áttétele bemenő (primer) feszültség kimenő (szekunder) feszültség bemenő oldal menetszáma kimenő oldal menetszáma

a = U1 / U2 = N1 / N2 Az áramerősségek aránya ideális transzformátor esetén fordítottan arányos a menetek arányával:

113

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ I1 I2 N1 N2

bemenő (primer) áramerősség kimenő (szekunder) áramerősség bemenő oldal menetszáma kimenő oldal menetszáma

a = I2 / I1 = N2 / N1 Példa Egy ideálisnak tekintett transzformátor primer menetszáma 200, a szekunder menetszám 800. A primer feszültség 48V. Mekkora a szekunder feszültség? Mekkora a primer áramerősség, ha a szekunder tekercsen 2 A áram folyik? Feszültségek: U1 / U2 = N1 / N2 48 V / U2 = 200 / 800 U2 = 192 V A szekunder feszültség értéke 192 V.

Áramerősségek: I2 / I1 = N2 / N1 I1 / 2 A / = 800 / 200 I1 = 8 A A primer áramerősség értéke 8 A. A csatlakozó ellenállásokat a transzformátor négyzetes arányban alakítja át: a Z1 Z2 N1 N2

transzformátor áttétele bemenő (primer) látszatellenállás kimenő (szekunder) látszatellenállás bemenő oldal menetszáma kimenő oldal menetszáma

a2 = Z1 / Z2 = N12 / N22 Példa Egy ideálisnak tekintett transzformátor primer menetszáma 200, a szekunder menetszám 800. A kimenő oldalhoz egy 500 Ω-os ellenállás csatlakozik. Mekkora ellenállás lép fel a bemenő oldalon?

114

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Z1 / Z2 = N12 / N22 Z1 / 500 Ω = 2002 / 8002 Z1 = 31,25 Ω A transzformátor nem csak látszatellenállást, de hatásos ellenállásokat és kapacitív és induktív meddő ellenállásokat, valamint kapacitásokat és induktivitásokat is átad. A kapacitás (C) és induktivitás (L) esetén az alábbiak érvényesek: Kapacitás: 1 / a2 = C1 / C2 Induktivitás: a2 = L1 / L2

3.4.2 Valódi transzformátorok A valódi transzformátor üresjáratban van, ha a szekunder oldalon nincs terhelő ellenállás. Az üresjárati transzformátor tehát úgy viselkedik, mint egy nagy induktivitású tekercs. Ha a transzformátor primer oldalára túl nagy feszültséget kapcsolunk, ennek következtében a mágnesezési áram is megnövekszik. Ez a menetek elégéséhez és a transzformátor pusztulásához vezethet. A vasmag légrésén keresztül az üresjárati áramok nőnek. Ez a transzformátor teljesítményfaktorának csökkenéséhez vezet. Ennek elkerülése érdekében a vasmag lemezeit úgy helyezik egymásra, hogy az érintkező oldalak felváltva a vasmag két különböző oldalára essenek. A transzformátorok bekapcsolási árama nagyon magas értékeket vehet fel, akár a névleges áram tízszeresét is elérheti. Ezek az áramerősségek terheletlen állapotban is felléphetnek. A transzformátor bementi (primer) oldalának biztosítóit ezért a névleges áramerősség legalább kétszeresére kell méretezni. Terhelt transzformátorok esetén a mágneses erővonalak egy része a vasmagon kívül, azaz a levegőben halad. Ezt a mágneses fluxust nevezzük szóródó fluxusnak. Sok transzformátor

115

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ esetén, különösen a híradástechnikában, ezen jelenség miatt van szükség az árnyékolásra. A transzformátor rövidzárási feszültségének meghatározásához a szekunder (kimeneti) oldal két csatlakozóját összekapcsoljuk, azaz rövidzárat hozunk létre. A rövidzárási feszültség az a primer oldali feszültség, mely mellett a transzformátor a névleges áramerősséget veszi fel. Alacsony rövidzárási feszültség a transzformátor kis belső ellenállására utal. Az ilyen transzformátorok esetén terheléskor a kimeneti (szekunder) feszültség csak kis mértékben csökken. Kis belső ellenállás esetén azonban magas a rövidzárási áramerősség, mely a menetek, és ezáltal a transzformátor pusztulását okozhatja. A háromfázisú és hálózati transzformátorok esetén a rövidzárási feszültség a névleges feszültség kevesebb, mint 10%-a, csengőtranszformátorok esetén azonban elérheti a 40%-ot. A transzformátor felvett és leadott teljesítményének arányát hatásfoknak nevezzük. A hatásfokot a vasmag (vasveszteség) és a menetek (rézveszteség) által okozott veszteségek csökkentik. A vasmagban a mágneses fluxus a terheléstől függetlenül szinte azonos. A vasveszteség tehát állandó. A menetek által okozott rézveszteség a terheléssel négyzetesen nő. A transzformátorok hatásfoka tehát összességében a terhelés függvénye. Hálózati transzformátorok esetén a két veszteségtípus mértéke közel azonos. Ha egy transzformátort terheletlenül működtetünk, a szekunder tekercsen nem lép fel rézveszteség. Ekkor a primer tekercs rézvesztesége is igen alacsony, mivel nagyon kis áramok folynak. Az üresjáratban található transzformátor által felvett teljesítmény tehát megegyezik a vasveszteség mértékével. Ez tehát üresjáratban mérhető. A rézveszteséget ezzel szemben rövidzárásban, a névleges terheléssel mérjük. Ebben az esetben a meneteken a névleges áramerősség halad át, mely rézveszteséget okoz.

116

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos A rövidzárás során alacsony feszültségek eredményeként a vasmagban alacsony a mágneses fluxus, azaz alig lép fel vasveszteség. Az éves hatásfok az egy év alatt felvett és leadott munka aránya. A két érték különbsége a transzformátor veszteségi munkája. Mivel a vasveszteség független a terheléstől, az éves hatásfok alacsony, ha a transzformátor hosszú ideig bekapcsolt állapotban van, azonban csak ritkán terheljük meg. Ha a transzformátort hosszú ideig bekapcsolt állapotban tartjuk, azonban csak ritkán terheljük, érdemes olyan transzformátort választani, melynek vasvesztesége kisebb a rézveszteségnél.

3.5 Forgó villamos gépek 3.5.1 Bevezetés A forgó villamos gépek mindegyike tartalmaz egy rotort, ami a működés során forog. Beszélhetünk általánosan villamos gépekről is, ha nem áll fenn annak a veszélye, hogy más villamos gépekkel kevernénk össze ezeket. Feladatuktól függően motorokat, generátorokat és átalakítókat különböztetünk meg. A motorok elektromos energiát alakítanak mechanikai energiává. Nagyon gyakran, főleg hajtásként alkalmazzuk őket. A mechanikai energia villamos energiává alakítása generátorok segítségével történik. Mivel az elektromos energiát általában nagyobb berendezésekben hozzuk létre, a generátorok alapvetően nagyobbak, mint a motorok. Azonban léteznek kis generátorok is, ilyenek például a kórházakban áramkimaradás esetén használatos vészhelyzeti generátorok, vagy a gépjárművek generátorai. Adott feszültségű és frekvenciájú elektromos energia más feszültségre és frekvenciára való átalakítására szolgálnak az átalakítók (transzformátorok). Az elektronika fejlődésével ezek feladatait azonban egyre inkább mozgó alkatrészek nélküli gépek veszik át.

117

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A forgó villamos gépeket különböző áramtípusokkal működtethetjük. Gyakran használunk háromfázisú áramot, ezért a villamos gépeket gyakran háromfázisú gépeknek is nevezik. Az egyfázisú váltakozó áramú gépeket, éppúgy mint a háromfázisú gépeket váltakozó árammal működtetjük, azonban itt három helyett csak egy fázis létezik. A szinkron gépek olyan villamos gépek, melyek fordulatszáma megegyezik a forgó mező fordulatszámával. Ezzel ellentétben aszinkron gépek esetén a fordulatszám a forgó mező fordulatszámánál kisebb vagy nagyobb. Indukciós motorok esetén a villamos energia indukció segítségével adható át a rotornak, így nincs szükség mechanikai érintkezésre, azaz nincs kopás.

3.5.2 Háromfázisú gépek Egy rúd alakú permanens mágnes forgatása esetén a mágneses mező a rúddal együtt forog, így egy forgó mező alakul ki. Háromfázisú váltakozó áram segítségével forgó mező mozgó mágnes nélkül is létrehozható. Ekkor a három tekercset egymáshoz képest 120° eltolással kell elhelyezni. Ha a három mágnestekercset háromfázisú váltakozó áram járja át, minden tekercs mágneses mezőt hoz létre, melyek egy eredő mágneses mezőt alkotnak. Mivel a váltakozó áram egyes fázisai szintén egymáshoz képest 120°-al vannak eltolva, a három tekercsen egy kétpólusú forgó mező alakul ki. Egy periódus alatt az eredő forgó mező 360°-ot fordul. 50 Hz-es frekvenciánál ez percenként 3000 fordulatot jelent.

58. ábra: Forgó mező

118

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Hat tekercs alkalmazása esetén ezeket egymáshoz képest 60°-al kell eltolni. Ekkor négypólusú forgó mező alakul ki, mely egy periódus alatt csak fél fordulatot tesz. 50 Hz esetén ez percenként 1500 fordulat.

3.5.3 Forgatónyomaték és teljesítmény A működés során az elektromos energiát mechanikai energiává átalakító motorok, és a mechanikus energiát elektromos energiává átalakító generátorok esetén is veszteségek lépnek fel. A veszteségek hőként jelennek meg. Vasveszteségnek nevezzük a mágneses anyagban keletkező örvényáramok és az átmágneseződés következtében keletkező veszteséget. A rézveszteség az áram által átjárt menetek ellenállásából származik. Ezen túl veszteséget okoz még a ventillátor, valamint a csapágyak és a kefék súrlódása is. A veszteségek összességét a motor hatásfokával jellemezhetjük. A hatásfok a felvett és leadott teljesítmény aránya. A motor leadott teljesítményét a forgatónyomaték és a fordulatszám mérésével határozzuk meg. A felvett teljesítményt a hálózatból vesszük fel, így az a megfelelő műszerek segítségével mérhető. A forgatónyomaték a hajtótengely kerületén fellépő erő, melyet például egy dinamó segítségével mérhetünk. A dinamó egy egyenáramú generátor, melynek külső része forgatható. A forgatónyomaték mérésekor a generátor házára is hat forgatónyomaték. Ezt a forgatónyomatékot egy emelő segítségével átadjuk egy mérlegnek, melyről leolvasható a forgatónyomaték által létrehozott erő. A generátor által létrehozott elektromos energiát terhelő ellenállások segítségével hővé változtatjuk át. A motor névleges fordulatszámának és a névleges nyomatéknak a szorzata adja a névleges teljesítményt. Ez a tengelynél rendelkezésre álló mechanikus teljesítmény. A legfontosabb értékek a motoron található teljesítménytáblázatból leolvashatók.

119

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A motor forgásiránya megadja, a tengely melyik irányba forog. A tengely végét nézve az óramutató járásának megfelelő irány esetén a motor jobb futású, ellentétes esetben bal futású. Ha az U1, V1 és W1 csatlakozókat a külső L1, L2 és L3 vezetékekkel kapcsoljuk össze, jobbfutású működést kapunk. A forgás iránya két külső vezető felcserélésével megváltoztatható.

3.6 Aszinkron motorok Az aszinkron motorokat váltakozó vagy háromfázisú árammal hajtjuk meg. Az állórész forgó mezejének következtében a forgórészben feszültség keletkezik, melynek hatására az forgó mozgást végez. Az energia a forgórész részre való átadása indukció segítségével történik, ezért az aszinkron motorokat gyakran indukciós motoroknak is nevezik. Az áram átadásához nincs szükség kefékre. Aszinkron gépek esetén a forgórész mindig lassabban forog, mint a forgó mező, vagyis a szinkron fordulatszám, mert különben nem lenne a nyomatékot létrehozó erővonalmetszés. Ezt a fordulatszám-különbséget nevezzük szlipnek, melyet általában a forgó mező fordulatszámának %-ában adunk meg. Értéke 3 és 8 % között mozog. Aszinkron gépek esetén a forgórész mindig lassabban forog, mint a forgó mező. Ezzel ellentétben aszinkron generátorok esetén ez pont fordítva van, itt a forgórész mindig gyorsabb forog, mint a forgó mező. Ha az aszinkron motort külső erő hajtja, és ezáltal a forgórész fordulatszáma nő, generátorként működik. Aszinkron generátorokat 5 kW-os névleges teljesítményig használunk. Az aszinkron generátornak az állórész forgó mezejének létrehozásához kapcsolódnia kell a hálózatra, ekkor azonban a generátor meddő teljesítményt vesz fel, viszont hatásos teljesítményt ad le. Példa Egy kétpólusú háromfázisú motor az 50 Hz-es hálózathoz kapcsolódik. Forgórésze 2850 fordulatot tesz percenként. Mekkora a szlip?

120

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Kétpólusú háromfázisú motor 50 Hz-es hálózatra csatlakoztatása esetén a forgó mező percenként 3000 fordulatot tesz, tehát a különbség percenként 150 fordulat. A szlip a fordulatszám-különbség és a forgó mező fordulatszámának aránya: s = 150 min-1 / 3000 min-1 = 0,05 = 5,0 % Ha növeljük a motor terhelését, a motor fordulatszáma lecsökken, a szlip tehát függ a terheléstől.

3.6.1 Rövidre zárt forgórész Az aszinkron motorok forgórészét rövidre zárt forgórésznek nevezik. A tengely és a lemezcsomag mellett a rövidre zárt forgórész két rövidre záró gyűrűt is tartalmaz, melyeket rudak kapcsolnak össze. A tekercselés általában a (hornyokban) szigeteletlen vezetőrudakból és a rudakat a forgórész vastest két homlokfelületén összekötő rövidrezáró gyűrűkből áll, melyek egy „kalickát” alkotnak, innen a név: kalickás forgórész. A rudak általában ferdén állnak, így a forgatónyomaték független a forgórész pozíciójától. A rudak keresztmetszete általában kerek, azonban előfordulnak négyszögletes rudak is. A kalicka anyaga alumínium vagy réz. Mivel a réz esetén a veszteségek kisebbek, mint alumínium esetén, az ilyen motorok hatásfoka valamivel nagyobb. Az alacsonyabb veszteségek miatt a réz forgórészek esetén - az alumíniummal szemben - nincs szükség a gyűrűkön elhelyezett hűtőbordákra. A réz forgórészes motorokat energiatakarékos motoroknak is nevezik, bár az ilyen motorok nyomatéka kisebb, mint az alumínium forgós motoroké, mivel a réz hatásos ellenállása alacsonyabb. A mozgó mező a motor állórészében jön létre. Ez a forgórész kalickájában feszültséget kelt, így a kalicka rövidrezáró gyűrűk által összekötött vezetőin áram folyik. A forgórész árama mágneses mezőt hoz létre, mely a forgórészt az állórész forgó mezejének forgási irányában forgatja. Ha ekkor a forgórész fordulatszáma megegyezne az állórész

121

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ forgó mezejének fordulatszámával, akkor nem alakulna ki feszültség, és ezáltal forgatónyomaték sem. Aszinkron motorok esetén szükséges, hogy a forgórész fordulatszáma az állórész forgó mezejének fordulatszámánál a szlip nagyságával kisebb legyen. Rövidre zárt forgó résszel rendelkező motorok esetén a forgórész általában az állórészen belül helyezkedik el, azonban lehetséges a forgórész az állórészen kívül való elhelyezése is. Ez elsősorban kis motorok esetén szokás, ekkor a külső forgórészt közvetlenül használhatjuk hajtásként (pl. futószalagok esetén).

3.6.2 Egyfázisú váltakozó áramú rövidre zárt forgó résszel rendelkező motorok Egyfázisú váltakozó áramú motorok esetén váltakozó mágneses mező alakul ki, melyet két egyenlő erősségű, azonban ellentétes irányú forgatónyomatékot létrehozó forgó mezőre oszthatunk. Az ilyen motor beindításának iránya határozza meg, merre forog majd tovább. A váltakozó mágneses mező a rövidre zárt forgórészre az adott irányba gyakorol forgatónyomatékot, így a mozgás iránya megmarad. Egy másik lehetséges konstrukció esetén az állórészben a fő tekercs mellett egy 90°-al elfordított melléktekercs is található. Az állórészben a forgó mező előállításához a melléktekercs áramát a főtekercshez képest időben el kell tolni. Az eredő forgó mező segítségével ezek az egyfázisú motorok maguktól is képesek elindulni. A melléktekercs főtekercshez képesti fáziseltolódását kondenzátorokkal, ellenállásokkal vagy egy a melléktekercsben elhelyezett további induktivitás segítségével lehet létrehozni. Mivel a kiegészítő induktivitással rendelkező motorok nyomatéka induláskor igen kicsi, ezt a konstrukciót ritkán használják. A kondenzátoros változat (kondenzátoros segédfázisos indukciós motor) esetén a fáziseltolódást a kondenzátor hozza létre. Az ilyen motorok névleges teljesítménye általában legfeljebb 2 kW. A forgásirányt a melléktekercsen átfolyó áram irányának megváltoztatásával változtathatjuk.

122

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos A kondenzátoros motorok indulási nyomatéka a kondenzátor méretétől függ. A nagy indulási nyomaték elérése érdekében ezért az üzemi kondenzátorral egy indító kondenzátort kapcsolnak párhuzamosan. Az indító kondenzátort a motor beindulása után le kell kapcsolni, mivel a magas összkapacitás következtében a melléktekercsen nagy áram folyik, mely a folyamatos üzem során jelentős hőfejlődéssel, azaz melegedéssel jár. Az üzemi kondenzátornak a motor teljesítményével arányosan, kW-onként kb. 1,3 kvar meddő teljesítménnyel kell rendelkeznie. Ehhez képest az indító kondenzátor ennek mintegy háromszorosával rendelkezik. A legfeljebb 300 W teljesítményű motorok esetén a kondenzátor helyett ellenállást is alkalmazhatunk. A túlmelegedés elkerülése érdekében a motor beindulása után ezt is le kell kapcsolni. A Steinmetz-kapcsolás segítségével a hagyományos háromfázisú motorokat váltakozó feszültségről is üzemeltethetjük. Ehhez azonban a háromfázisú motornak alkalmasnak kell lennie egy 230 V-os háromszög-kapcsolásra, különben nem üzemeltethető 230 V-os váltakozó feszültségről. A háromfázisú motor egyik tekercsét közvetlenül a táphálózatra csatlakoztatjuk, a kondenzátort pedig az egyik tekerccsel párhuzamosan kapcsoljuk. A tekercsektől függően a motor jobbra vagy balra fog forogni.

59. ábra: Háromfázisú motor egyfázisú váltakozó áramról történő üzemeltetése 123


Mivel a különböző ágakon átfolyó áramok erőssége eltér, elliptikus forgó mező alakul ki. Ebben az esetben a motor a három fázisra megadott névleges teljesítményének mindössze 70%-át képes elérni. Emellett az indulási nyomaték is csak a háromfázisú működéskor elérhető nyomaték fele. A szükséges kapacitás nagysága függ a néveleges feszültségtől. 230 V esetén kW-onként kb. 70 µF-al érdemes számolni.

3.7 Kommutátoros motorok A kommutátorok elsősorban egyenárammal működnek, léteznek azonban váltakozó áramú kommutátorok is. A kommutátor a motor végén egy hengerpalástot alkot, mely sok egymástól elszigetelt szeletből áll össze (ún. "kommutátorszeletből"), melyhez a forgórész vezetőhurkainak vége csatlakozik (egy szelethez több vezetőhurok is). A motor külső keretén, az állórészen helyezkednek el a szénvagy grafitkefék, melyeket rugó nyom a kommutátor rézszeleteihez. Így tehát a forgórész mozgása alatt a kefék a rézszeleteket söprik. Az elektromos áram a kefékről a kommutátoron keresztül kerül a forgórészbe. Mivel a forgórész mozgásának következtében a kefék sorban miden rézszelettel érintkeznek, a szeletekhez kapcsolódó vezetőhurkok is egymás után sorban kerülnek áram alá. A kommutátoros motorok állórészében álló mágneses mezőt hozunk létre, kb. 20 kW-os teljesítményig permanens mágnes segítségével. A permanens mágnes előnye, hogy nem lép fel veszteség, a motor hatásfoka tehát összességében nő. Ha a motor állórészének vezetőhurkain áram folyik, az ekkor kialakuló mágnese tér összeadódik az állórész mágneses terével, így ezáltal a forgórészre forgatónyomaték hat. A kommutátor keféin keresztül a forgás során mindig azokon a vezetőhurkokon folyik áram, melyek nagy forgatónyomatékot hoznak létre. Megfelelően nagyszámú vezetőhurok segítségével a forgórész forgása során egyenletesen nagy forgatónyomaték hozható létre.

124


Az egyenáramú gép terhelése esetén a forgórész mágneses tere kis mértékben elfordul. Mivel ekkor a kefék a forgórészt nem az optimális helyzetben látják el árammal, a keféken erős kefeszikrázás lép fel. A mágneses mező elfordulása forgatópólusok segítségével megakadályozható. Ezek olyan vezetőhurkok, melyek az állórészben a fő mágneses mezőhöz képest 90°-al elforgatva helyezkednek el. A forgatópólusokat a forgórésszel sorba kapcsoljuk, így azonos áram folyik át rajtuk. Az egyenáramú motorok és generátorok csatlakozóit azonosképpen jelöljük. Az alábbi jelöléseket alkalmazzuk: A B C D E F

Forgórész vezetőhurkai Forgatópólus vezetőhurkai Kompenzációs vezetőhurkok Soros vezetőhurkok Mellék vezetőhurkok Külső vezetőhurkok

A különböző hurkokat a betűk előtt elhelyezett számok jelölik. A betűk után elhelyezkedő 1-es a tekercs elejét, a 2-es pedig a végét jelöli. Ha az áram a vezetőhurkokban előröl hátrafelé folyik, a motor jobbra forog. Ellentétes irányú forgás elérése érdekében a forgó- vagy az állórész vezetőhurkain folyó áram irányát kell megváltoztatni. Általában a forgórészen folyó áram irányát szokták megfordítani.

60. ábra: Forgatónyomaték kialakulása

125


3.7.1 Egyenáramú motorok gerjesztése Egyenáramú motorok esetén a gerjesztő áramkör az armatúra (forgórész) áramkörhöz való viszonya alapján különböző gerjesztési módokat különböztetünk meg. Soros gerjesztésű motorok esetén a gerjesztő áramkör az armatúra áramkörével soros kapcsolást alkot. Az armatúrán átfolyó teljes áram áthalad a gerjesztő tekercsen is. Mivel az áramerősség különösen indításkor magas, az indítási nyomaték megfelelően nagy. A soros gerjesztésű motorok indítási nyomatéka minden villanymotor közül a legnagyobb. Ha a motort terhelés nélkül működtetjük, az áramkörön átfolyó áram csökken, a gerjesztő mező tehát gyengül. Ezáltal a motor fordulatszáma nő. A soros gerjesztésű motor olyan nagy fordulatszámot érhet el, hogy képes önmagát tönkretenni. Ez kis motorok esetén nagy szellőzőszárnyak alkalmazásával megakadályozható, mivel ezek nagy fordulatszámok esetén terhelésként lépnek fel. Ebből kifolyólag a soros gerjesztésű motorok esetén a csatlakozás létrehozásához lapos szíj nem alkalmazható, mivel ez leugorhat, a motor pedig a terhelés nélkül elpusztíthatja önmagát.

61. ábra: Egyenáramú motorok gerjesztésének típusai A soros gerjesztésű motorokat elsősorban elektromos hajtású járművek, például villamosok esetén alkalmazzák. Itt különösen előnyös a nagy indítási nyomaték.

126

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos A fordulatszám egy előtét-ellenállás segítségével szabályozható, azonban erősen függ a terhelés nagyságától is. Ha a mágneses armatúra elektrotechnikai lemezből készült, akkor az ilyen motorok váltakozó áram esetén is használhatók, mivel ekkor az armatúrán és a gerjesztő tekercsen folyó áram egyidejűleg vált irányt. Külső gerjesztésű motorok esetén a gerjesztő áramkör áramát egy független forrás szolgáltatja. A permanens mágnes által gerjesztett motorokat is külső gerjesztésű motoroknak tekintjük. Az ilyen motorokat kb. 30 kW-os teljesítményig gyártják. Indításkor, vagy a fordulatszám szabályozása esetén az armatúra feszültségét egy előtét-ellenállás segítségével csökkentjük. A fordulatszám a névleges fordulatszám fölé is növelhető, ha a gerjesztő áramkör áramát lecsökkentjük. Mivel a gerjesztő tekercs mágneses tere független az armatúrától, a külső gerjesztésű motorok fordulatszáma a terhelés ingadozása esetén is igen stabil. Az armatúra vagy a gerjesztő tekercs feszültségének változtatása nélkül a külső gerjesztésű motorok ugyanúgy viselkednek, mint a háromfázisú motorok. Terhelés nélkül sem veszélyesek önmagukra. A külső gerjesztésű motorokat elsősorban szerszámgépekben használják. Ennek fő oka, hogy az ilyen motorok igen széles fordulatszám-tartományban képesek működni. Párhuzamos (sönt) gerjesztésű motorok esetén a gerjesztő áramkör az armatúrával párhuzamos kapcsolásban található. A fordulatszám itt is az armatúra és a gerjesztő áramkör feszültségének változtatásával változtatható. A párhuzamos gerjesztésű motorok fordulatszáma a külső gerjesztésű motorokhoz hasonlóan terhelés esetén kevéssé változik. Azt azonban figyelembe kell venni, hogy működés közben a gerjesztő tekercset az armatúrától függetlenül nem szabad lekapcsolni, mivel az ebben az esetben túlpöröghet. Az olyan motorokat, melyek üresjáratban nem pörögnek túl, és melyek fordulatszáma terhelés esetén csak kis mértékben csökken általában sönt viselkedésű motoroknak nevezzük. Ez elsősorban a külső gerjesztésű motorokra vonatkozik. Párhuzamos gerjesztésű motorokat ma már alig használnak.

127

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A vegyes gerjesztésű motorokat kompaund gerjesztésű motoroknak is nevezik. Az ilyen motorok esetén a párhuzamosan kapcsolt gerjesztő tekercs mellett egy az armatúrával sorba kapcsolt tekercset is találunk. Ez a soros segédtekercs a gerjesztő tekercs áramkörének erősítésére szolgál. Az ilyen motor jelleggörbéje a sorosan kapcsolt segédtekercs miatt inkább a soros gerjesztésű motorok jelleggörbéjéhez hasonlít. Ezt leginkább a megnövekedett indítási nyomatékon láthatjuk. A fordulatszám itt is az armatúra és a gerjesztő áramkör feszültségének változtatásával változtatható. Ha a sorosan kapcsolt melléktekercs úgy van kapcsolva, hogy mágneses mezeje a párhuzamosan kapcsolt gerjesztő tekercs mezejének irányával megegyezik, kompaund motorról beszélünk. Terhelés nélkül az ilyen motorok úgy viselkednek, mint a párhuzamos gerjesztésű motorok, azonban a terhelés növekedése esetén a kompaund motorok fordulatszáma erőteljesebben csökken, mint a párhuzamos gerjesztésű motorok fordulatszáma. Ellenkompaund motorról beszélünk, ha a sorosan kapcsolt segédtekercs a gerjesztő tekercs mágneses mezejét gyengíti. Ez a forgási irány pólusainak felcserélése esetén fordulhat elő. Ellenkompaund motorok esetén a fordulatszám a terhelés növekedésével nő, így az ilyen motorok túlpöröghetnek. Az ellenkompaund kapcsolást ezért általában kerülik, és csak kivételes esetekben - például olyankor, amikor a terhelés hatására a fordulatszám nem csökkenhet - alkalmazzák. A külső gerjesztésű motorok gyakran tartalmaznak soros segédtekercset, melynek előnye a nagyobb indítási nyomaték.

3.7.2 Univerzális motorok Soros gerjesztésű motorok esetén az áram a gerjesztő és az armatúra tekercsen folyik át. Ha az áram irányát megfordítjuk, a két mágneses tér egyidejűleg vált polaritást, a forgatónyomaték pedig továbbra is azonos irányba hat. A soros gerjesztésű motorok ezért egyen- és váltakozó árammal is működtethetők. A váltakozó áramú üzemmód esetén fellépő örvényárami veszteségek alacsonyan tartása érdekében a forgó- és az állórésznek is lemezekből kell felépülnie. A gerjesztő tekercsben fellépő önindukció korlátozza az áramot, így a motor teljesítménye,

128

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos fordulatszáma és indítási nyomatéka is kisebb. Ezért a gerjesztő tekercs menetszáma váltakozó áramú üzem estén kisebb, mint egyenáram esetén. Az ilyen motorokat univerzális motoroknak nevezzük, ennek ellenére leginkább váltóáramú üzemre készülnek. Az univerzális motorok soros gerjesztésű viselkedést mutatnak. Indítási nyomatékuk nagy, üresjáratban túlpörögnek. Ezt legegyszerűbben egy hajtás vagy ventillátor állandósított csatlakoztatásával lehet elkerülni. Az univerzális motorokat leginkább kisebb kézi szerszámok, pl. kézi fúrók meghajtására alkalmazzuk. Ilyen motorok hajtanak azonban számos háztartási berendezést, így például a porszívókat is. Az ilyen motorok teljesítménye legfeljebb 1,5 kW. A teljesítmény relatív korlátozottsága részben arra is visszavezethető, hogy az univerzális motorok a háromfázisú hálózat mindössze egyetlen fázisát használják. Ezzel szemben a vasút esetén több száz kW teljesítményű, váltakozó feszültségű soros gerjesztésű motorokat alkalmaznak. A fordulatszámot egy előtét-ellenállás segítségével lehet vezérelni, bár a kéziszerszámok esetén tirisztorok és triacok is alkalmazást találnak. A keféken fellépő kefeszikrázás ellen zajgátló kondenzátorokat alkalmaznak, melyek elnyomják a nagyfrekvenciás zajimpulzusok által keltett zavarokat. Ezen kívül a kommutátoros motorok háromfázisú kivitele is lehetséges. Ekkor a kommutátoron három, 120°-os távolságban elhelyezett kefe található. Ezt a motorfajtát azonban egyre ritkábban használják.

3.7.3 A kommutátoros motorok lehetséges hibái Mivel a kommutátoros motorok felépítése bonyolultabb, mint a háromfázisú rövidre zárt forgó résszel rendelkező motorok felépítése, több hibalehetőség is létezik. Emellett is különleges figyelmet érdemes fordítani a kefeszikrázásra. Egyenárammal működtetett kommutátoros motorok esetén gyakorlatilag nem léphet fel kefeszikrázás. Váltakozó áramú üzem esetén a kefeszikrázás csak gyengén jelentkezhet.

129


Általában a kefeszikrázás a kefék vagy a kommutátor rossz állapotara utal. Ekkor ellenőrizzük a keféket, és szükség esetén tisztítsuk meg őket. Esetlegesen a kefék újracsiszolására is szükség lehet. A kommutátort szennyeződések után kutatva vizsgáljuk át. A kommutátor egyes lamellái között semmiféle vezető kapcsolat nem alakulhat ki. Ha a réz a túl erős kefék következtében eltolódik és így a lamellák között rövidzár alakul ki, használjunk lágyabb keféket. Túl alacsony kefenyomás esetén szintén kefeszikrázás léphet fel. Ekkor a kefe nyomását a rugóerő állításával szabályozhatjuk. Az erős kefeszikrázás utalhat a kommutátor lamellái között lerakódott szennyeződések jelenlétére. Ebben az esetben tisztítsuk meg a kommutátort. Ha nagy terhelés esetén erős kefeszikrázás lép fel, a motor túlterhelt lehet. Vagy csökkentsük a terhelést, vagy alkalmazzunk erősebb motort. Erős kefeszikrázás kis terhelés esetén ezzel szemben akkor lép fel, ha a fordítópólusok fordítva vannak bekötve. Ellenőrizzük a pólusok irányának helyességét, és szükség esetén helyesbítsünk. Ha a kefetűz csak az egyik forgási irány esetén lép fel, ennek oka valószínűleg a kefék hibás elhelyezkedése. Ezt a hibát, ha lehetséges, javítsuk ki. Ha ezzel szemben a forgásirány megváltoztatásakor erős kefeszikrázás lép fel, a fordítópólusok fordítva vannak bekötve, tehát ezeket kell megfordítani. A teljes motor túlzott melegedése túlterhelés vagy alulfeszültség esetén lép fel. A kefeszikrázás miatt azonban előfordulhat, hogy csak a kommutátor melegszik túl. A túlzott hőfejlődés okát mindenképpen meg kell szüntetni. Minden esetben kerüljük a túl nagy fordulatszámokat, mivel ez a motor károsodásához vezethet.

130


3.8 Egyéb motorok 3.8.1 Szinkron motor A szinkrongépek forgórészében egy permanens vagy egy elektromágnes található. A háromfázisú szinkron motorok esetén inkább permanens mágneseket alkalmaznak. Az elektromágnes tekercseinek áramellátása biztosítása érdekében az armatúrában csúszógyűrűk szükségesek. A háromfázisú áram és az állórész tekercsei hatására egy mágneses forgó mező alakul ki. Ez a forgó mező hat a forgórész mágnesének pólusaira. Ha a forgórész áll, és bekapcsoljuk a forgó mezőt, a forgórész nem képes követni a mezőt. Ha a forgórész azonban forog, a forgó mező magával húzza, és pontosan azonos fordulatszámmal forognak. A szinkron motor indításához a forgó mező frekvenciáját lassan kell 0 Hz-ről a szokásos 50 Hz-re emelni. Ehhez megfelelő indítási segítség szükséges. Ha a forgórészben egy további kalicka tekercs található, a motor először aszinkron motorként indul. Az armatúra gerjesztő tekercsének az indítás során egy ellenálláson keresztül kell csatlakozni, melynek segítségével a tekercsben indukált feszültség leépíthető. Miután a forgórész aszinkron üzemmódban majdnem elérte a forgó mező fordulatszámát, bekapcsoljuk az armatúra gerjesztő áramát, így a motor ezután már szinkron motorként működik. A kalicka tekercs változó terhelés esetén a forgórész ingadozását akadályozza meg, ezért csillapító tekercsnek is nevezzük. Erre különösen nagyobb szinkron motorok esetén van szükség. Működés közben az armatúra terhelés alatt is megtartja a forgó mező fordulatszámát, bár nagyobb terhelések esetén az armatúra az úgy nevezett terhelési (nyomatéki) szöggel lemarad a forgó mező mögött. Terhelésmentes, üresjárati állapotban a terhelési szög ismét 0° lesz. Terhelés esetén a motor forgatónyomatéka eleinte nő. Kétpólusú motor esetén a maximumot 90°-os terhelési szög esetén érjük el. Ezt nevezzük billenő nyomatéknak. A terhelés további

131

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ növelésekor a forgatónyomaték ismét csökkeni kezd, és a csillapító tekercs nélkül meg is áll. Szinkron motorok esetén a névleges nyomaték sokszor mindössze a billenő nyomaték fele. Szinkron motorok esetén a gerjesztő áram erőssége üzem közben csökkenhet, vagy nőhet. Gyengébb gerjesztő áram esetén az indukált feszültség is kisebb, mint a hálózati feszültség. Ennek következtében ekkor a motor induktív meddő teljesítményt vesz fel a táphálózatból. Erősebb gerjesztő áram esetén a szinkron motor túlgerjesztett állapotba kerül. Ez induktív meddő teljesítmény leadásához vezet. A szinkron motor ekkor kapacitív terhelésként jelentkezik. A nagy szinkron motorokat gyakran terhelés nélkül, túlgerjesztett állapotban üzemeltetik, ezeket ekkor fázistoló gépeknek nevezzük. Egyfázisú váltakozó áram esetén segédpólusú szinkron motorokat használunk. Itt a forgórészben két- vagy négypólusú permanens mágnesek helyezkednek el. Az állórész pólusainak száma megegyezik a forgórész pólusainak számával. Indítás után a forgórész a forgó mező fordulatszámával megegyező fordulatszámmal forog. Ilyen alacsony pólusszámok esetén a fordulatszám relatív magas, ezért az ilyen motorokat gyorsfutású segédpólusú motoroknak is nevezzük. Lassabb segédpólusú motorok esetén több pólusra van szükség. Létezik belső és külső forgórésszel rendelkező variáns is. A felvett teljesítmény 1 és 4 W között mozog. Ennek megfelelően az ilyen motorokat órákban, vagy kisebb mérőeszközökben alkalmazzák. Magas fordulatszámmal rendelkeznek a szinkron motorként működő kondenzátormotorok is. Ezek két vagy négy pólussal rendelkeznek. Szükség esetén a fordulatszám egy hajtás csatlakoztatásával csökkenthető. A kondenzátor az állórész egy második tekercse áramának fáziseltolását eredményezi, ezáltal pedig forgó mezőt hoz létre.

132

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Attól függően, hogy a két tekercs melyike elé kapcsoljuk a kondenzátort, jobb- vagy balfutású motort kapunk. Az indítási nyomaték, mint azt a szinkron motoroknál megszokhattuk, relatív alacsony. A kondenzátormotorok forgórésze éppúgy, mint a segédpólusú motorok esetén, lehet külső vagy belső. Ezzel szemben azonban a kondenzátormotorok forgó mezeje egyenletesebb, és hatásfokuk is magasabb. Teljesítményük a segédpólusú motorok teljesítményével öszszemérhető tartományban helyezkedik el. A kondenzátormotorok tehát mindig kis motorok.

3.8.2 Léptető motor A léptető motorok forgórészében egy permanens mágnes helyezkedik el, a vezérlés pedig egyenáramú négyszögimpulzusok segítségével történik. A léptető motor minden impulzuskor eggyel tovább lép. Ha a lépések gyorsan követik egymást, a léptető motor folyamatos forgómozgást végez. Az impulzuskor végzett fordulatot lépésszögnek nevezzük. A lépések száma az impulzusok számától függ, azaz a motor lépéshiba nélkül működik. Egy- két- és ötvezetékes motorokat különböztetünk meg. Minden vezeték tekercse unipoláris vagy bipoláris lehet. Unipoláris tekercs esetén a mágneses mező átkapcsolásához elég egy egypólusú váltókapcsoló, bipoláris tekercs esetén kétpólusú kapcsoló szükséges. A léptető motor vezérlése nem mechanikus vagy elektromechanikus kapcsolók, hanem speciális vezérlő kapcsolások segítségével történik, melyek egy mikroszámlálót és egy impulzusgenerátort tartalmaznak. Egyvezetékes motorok csak egy irányú forgó mezőt tudnak létrehozni, a motor forgásirányának megfordítása nem lehetséges. Két- és ötvezetékes motorok esetén a forgásirány megfordítása az egyes tekercsek időben eltérő vezérlési sorrendjével zajlik. A lépésszög nagysága a pólusok és a vezetékek számától függ. A lépésszög általában 45° és 1,8° között lehet, azaz egy teljes fordulat 8-200 lépésből áll.

133

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A léptető motor fordulatszáma a lépésszögtől és a tekercsek átkapcsolási frekvenciájától függ. A korong-mágneses léptető motorok egy vékony, permanensen mágneses korong alakú forgórésszel rendelkeznek. Az ilyen forgórész tömege igen csekély, így a motor fordulatszáma gyorsan változtatható. Nagy lépésszögű (kb. 7,5°-tól) léptető motorok esetén az állórész váltakozó pólus elvű, azaz a két tekercs pólusai egymás után váltakoznak. A forgórész pólusainak száma megegyezik az állórész pólusainak számával. Az azonos pólus elvű léptető motorok pólusainak száma nagyobb, mint a váltakozó pólusúaké, azaz kisebb a lépésszögük. A forgórész két különálló póluskerékből áll, melyet kívülről fogak borítanak. A két póluskerék fogai egymáshoz képest egy fél foggal el vannak csúsztatva. Ha az állórészen nem halad át áram, a forgórész reteszel. A léptető motor vezérléséhez az állórész tekercsein az áramnak egy adott sorrendben kell áthaladnia. Egyvezetékes vezérlés esetén egy adott időpontban csak egy tekercset gerjesztünk, kétvezetékes vezérlés esetén kettőt. Az egyes impulzusok számlálását és a tekercsek megfelelő sorrendben történő kapcsolását egy mikrokontroller végzi. Annak érdekében, hogy a léptető motor terhelés alatt is lépéshiba nélkül legyen képes indulni, nem szabad túllépni az indítási határnyomatékot. Ennek következtében a kívánt fordulatszámra való felgyorsítás adott esetben hosszabb időt vehet igénybe. Ezt gyorsító és fékező rámpázás segítségével lehet megvalósítani. A léptető motor működése során a maximális terhelhetőséget működési határnyomatéknak nevezzük. Nagy terhelés esetén terhelési szög lép fel: az állórész ennyivel tér el a névleges értéktől. A terhelési szög azonban nem haladhatja meg a lépés nagyságát. A léptető motorok teljesítménye kicsi. A fordulatszám és a forgatónyomaték hajtás csatlakoztatásával befolyásolható. Lépte-

134

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos tő motorokat nyomtatókban vagy beállító motorként használnak.

3.9 Forgó mezős motorok vezérlése Ahhoz, hogy az álló helyzetű motor elérje üzemi fordulatszámát, a motort vezérelni kell. Ezt a folyamatot nevezik indításnak. A kisebb motorok közvetlen beindítása egy kapcsoló bekapcsolásával történik. Közvetett bekapcsoláshoz kontaktorokat használunk. Kézi működtetésű bütykös kapcsolók esetén az egyes kontaktusokat kapcsolóbütykök zárják és nyitják. Kapcsolási táblázat mutatja, mely kapcsolási állapotban mely kontaktusok vannak zárva. Az elektromágneses működtetésű kontaktorokat működtethetjük egyen- vagy váltakozó árammal is. A főáramkörben általában három kontaktus található. A további kontaktusokat segédkontaktusoknak nevezzük, ezek kapcsolják a vezérlőáramköröket. A félvezető kontaktorok nem tartalmaznak mozgó mechanikus alkatrészt. Ezek, mivel félvezető elemekből állnak, zajmentesen működnek. Azonban több hőt termelnek, mint az elektromágneses kontaktorok, és nem alkalmasak a teher táphálózatról történő teljes leválasztására. Zárt állapotban az ellenállásuk kisebb, mint nyitott állapotban.

Kapcsolási tag A B C D E F

Kapcsolási állapot B 0 J X X X X X X

62. ábra: Bütykös kapcsoló kapcsolási jelei, kapcsolási táblázat

135

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A villanymotorok bekapcsoláskor hirtelen sok áramot vesznek fel, és a működési fordulatszám elérése során is komolyan megterhelik a hálózatot. Annak érdekében, hogy a tápfeszültség-hálózaton a feszültség ne csökkenjen, vagy a túláram-védelem ne induljon be, a bekapcsolási áram értéke nem haladhatja meg a 60 A-t. Ez a helyi áramszolgáltató csatlakozási feltételeinek megfelelően szabályozott. A 60 A-t meg nem haladó bekapcsolási áramú motorok közvetlenül bekapcsolhatók. Egyfázisú váltakozó áramú motorok esetén ilyenek a legfeljebb 1,7 kVA névleges teljesítményű motorok. Háromfázisú motorok esetén ez kb. 5,2 kVA. Nagyobb motorok esetén indító berendezés szükséges, melynek segítségével a motort több lépésben közelítjük működési állapotához. Így a bekapcsolási áram korlátozható. Ennek érdekében gyakran egy kiegészítő ellenállást alkalmaznak. Indítónak nevezzük azokat a berendezéseket, melyek esetén az indító berendezés tartalmazza az ellenállás-berendezést is. Ha ezen felül túláram-védelmet is tartalmaz, a berendezést motorindítónak nevezzük.

3.9.1 Háromfázisú motorok indító kapcsolásai Háromfázisú rövidre zárt forgó résszel rendelkező motorok esetén a bekapcsolási áram a névleges áram akár tízszeresét is elérheti. Ezért indításkor lecsökkentjük a feszültséget, így a bekapcsolási áram is csökken, ez azonban a forgatónyomaték csökkenését eredményezi. A legfeljebb 11 kW névleges teljesítményű motorok esetén gyakran a csillag-háromszögkapcsolást alkalmazzák. Ehhez a motornak alkalmasnak kell lennie a 400 V-os háromszögkapcsolásra. A motor bekapcsolásakor a tekercseket először csillag alakban kapcsoljuk össze. Ezáltal az egyes tekercseken már csak 230 V feszültség esik. Az alacsony feszültségnek megfelelően a motor indítási nyomatéka is csak a háromszög-kapcsolási nyomaték egyharmada. A csillag-háromszögkapcsolást ezért csak akkor szabad alkalmazni, ha a motor könnyen beindul.

136


Az üzemi fordulatszám elérése után a tekercseket átkapcsoljuk háromszög-kapcsolásba. Ekkor már minden tekercsen a teljes 400 V feszültség esik, a motor pedig eléri teljes forgatónyomatékát. A csillag-kapcsolásból a háromszög-kapcsolásba történő átkapcsolás történhet kézzel, bütykös kapcsolók segítségével. Ha a motort azonban továbbra is csillag-kapcsolásban üzemeltetünk, terhelés esetén a megengedettnél nagyobb áramok folynak a tekercseken. A motor túlterhelődik, a tekercsek pedig leégnek. Kontaktorok használata esetén a feszültség bekapcsolásához egy hálózati, valamint a két kapcsolás realizálásához egy csillag- és egy háromszögkontaktorra van szükség. A motor indításakor a hálózati kontaktor mellett a csillag-kontaktort is bekapcsoljuk. Ezután a csillag-kontaktor az adott idő elteltével egy időrelé segítségével kikapcsolódik, a háromszög-kontaktor pedig bekapcsolódik. Az átkapcsolás tehát automatikus. A motor bekapcsolásakor az elektromos áram korlátozásának további módja az indítási fojtó-tekercsek alkalmazása, melyeket előtét-ellenállásként a motor elé kell kapcsolni. Amint a motor eléri üzemi fordulatszámát, feszültsége is nő, így a kontaktor kapcsol, és áthidalja a fojtó-tekercseket. Az indítási fojtó-tekercsekkel való indítás legfeljebb 15 kW-os motorok esetén alkalmazható.

63. ábra: Csillag- és háromszög-kapcsolás Szintén legfeljebb 15 kW névleges teljesítményű motorok esetén a fojtó-tekercs helyett előtét-ellenállások is használhatók. Ezt a kapcsolást gyakran alkalmazzák csillag-kapcsolású motorok esetén. Ebben az esetben ezt csillag-pontindítónak ne137

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ vezzük. A motor indításakor azonban számolni kell az ellenállások melegedésével. Kisebb, tulajdonképpen közvetlenül kapcsolható motorok esetén néha a csatlakozóvezetékbe építenek be ellenállást. A motor beindulása után ezt az ellenállást át kell hidalni. Ebben az esetben a motor indulása „lágyabb”. Ezt a kapcsolást kb. 2,2 kW névleges motorteljesítményig használják. Egy komolyabb beszerzési költséggel járó változat az indító transzformátorok használata. Ebben az esetben a motor indításakor lecsökkentjük a feszültséget. Indító transzformátorokat legfeljebb 15 kW névleges teljesítményű háromfázisú rövidre zárt forgó résszel rendelkező motorok esetén használnak.

64. ábra: Indítási fojtó és indítási ellenállás Az elektronikus motorindítók kiküszöbölik az előtétellenállásokat, melyek jelentős teljesítményt vesznek fel. Ez elsősorban akkor nem gazdaságos, ha hosszabb időtartamon keresztül üzemeltetjük őket. Ezzel szemben az elektronikus motorindítók úgy csökkentik a feszültséget, hogy a szinuszos feszültséggörbe egy részén lekapcsolják az áramot. A szinuszos feszültséggörbe során az áram megváltoztatására három lehetőség kínálkozik. A bevágó vezérlés esetén a szinuszos váltakozó feszültség első része alatt nem folyik áram a motorindítón, mely csak egy többé vagy kevésbé rövid idő után szabadítja fel a szinuszgörbe további szakaszát. Így az eredő

138

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos feszültség kisebb, mint változtatásmentes szinuszgörbe esetén. A levágó vezérlés esetén a szinuszgörbe eleje változatlan. Itt az eredő feszültség azáltal csökken, hogy a szinuszgörbe nullátmenetétől kezdve annak értéke nulla. A szektorvezérlés a két fenti vezérlés kombinációja. Ekkor a szinuszgörbe közepe marad érintetlen. Az eredő feszültség nagyságát ezen szektor nagysága határozza meg.

65. ábra: Be- és levágó, valamint szektorvezérlés Az elektronikus motorindítók tirisztorkat vagy triacokat használnak, melyek ellenállása a gyújtás előtt igen nagy, így az áram nullához tart. Miután a tirisztorokat vagy a triacokat gyújtás után átmenetre kapcsoltuk, gyakorlatilag semmiféle ellenállással nem rendelkeznek. A teljesítményveszteség tehát minimális. Az elektromos motorindítók két részből, egy vezérlő- és egy teljesítményrészből állnak. A vezérlőrészben található a vezérlő egység, mely a teljesítményrészben elhelyezkedő alkatrészek gyújtóimpulzusait szolgáltatja. A teljesítményrészben fázisonként két tirisztor vagy triac helyezkedik el párhuzamosan, ám ellentétes irányban. A motorindítók háromfázisú áram esetén is gyakran csak két fázist vezérelnek. Léteznek azonban mindhárom fázist vezérlő motor139

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ indítók is. Itt értelemszerűen még kettővel több tirisztorra vagy triacra van szükség. A motorindítók további alkalmazási területe a motorok „lágy” indítása. Ekkor bevágó vezérlés segítségével a feszültség 40%-ról lassan 100%-ra növelhető. A feszültségnövekedés alatt eltelt időt rámpázási időnek nevezzük. Minél rövidebb a rámpázási idő, annál gyorsabban indul be a motor. A motorindítókkal áramkorlátozót használva korlátozhatjuk az indítási áramot is. Ebben az esetben a feszültséget úgy emeljük, hogy az áram ne haladja meg a beállított értéket. Ez azonban növeli az indítási időt is. Az elektronikus motorindítók tartalmazhatnak azonban a motorok lassabb lekapcsolását eredményező funkciót is. A feszültség 100%-ról 40%-ra történő lassú csökkentével a motor fordulatszáma csökkenthető. A motorindítók energiatakarékossági funkciójával a nem teljesen leterhelt motorok esetén csökkenthetjük a feszültséget. A terhelés növekedésekor a feszültség ismét nő. Az elektronikus motorindítók hátránya, hogy nem biztosítja a motor és a táphálózat teljes szétválasztását, ezért továbbra is szükség van egy nyitható kontaktusokat tartalmazó kapcsolóra. VÉSZKI-kapcsolók esetén is feltétlenül nyitó kontaktusokat kell használni. Mindenek előtt nagyobb motorindítók esetén ügyelnünk kell a fellépő hőveszteségekre is. A berendezések hőkibocsátásuknak megfelelően hűtőbordákkal vannak ellátva, azonban a keletkező hőt egy esetleges kapcsolási szekrényből is el kell vezetni.

3.9.2 Kommutátoros motorok vezérlése A kis egyenáramú soros gerjesztésű motorokat közvetlenül bekapcsolhatjuk. Nagyobb motorok esetén a bekapcsoláskor csökkentenünk kell a feszültséget. Erre a célra csak előtétellenállásokat használhatunk. Mivel egyen-, és nem váltakozó feszültséget alkalmazunk, nem használhatunk transzformátort vagy fojtókat.

140

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az egyenfeszültséget gyakran váltakozó feszültségből állítják elő. Az egyenirányításhoz szükséges diódákat ebben az esetben tirisztorok helyettesítik. A tirisztorok a diódákhoz hasonlóan az egyik irányba zárnak. Azonban a másik irányba is zárnak, és csak egy gyújtás után engedik át az áramot. A gyújtás a vezérlés által kiadott impulzus hatására következik be. A gyújtás időpontjától függően a váltakozó feszültség szinuszgörbéjéből egy többé vagy kevésbé nagy darabot levágunk. A nullátmenettől a gyújtás időpontjáig tartó részt gyújtási szögnek nevezzük. Ez a szög kb. 5° és 180° között lehet. Az eredő feszültség középértéke pedig ennek megfelelően kisebb. A tirisztorokat elvileg tetszőleges egyenirányító kapcsolás esetén alkalmazhatjuk. Egyetlen tirisztor azonban túlzottan befolyásolná a hálózatot, ezért elsősorban hídkapcsolásokat alkalmazunk. Ha egy hídkapcsolás minden diódáját tirisztorral helyettesítjük, azt teljesen vezérelt hídkapcsolásnak nevezzük. Ilyenre van szükség, ha a motornak fékként kell működnie és ezért a hálózatba energiát táplál vissza. A legtöbb esetben félig vezérelt hídkapcsolásokat alkalmazunk. Itt a híd minden ágában csak egy diódát helyettesítünk tirisztorral. Egyenáramú motor háromfázisú hálózatra való csatlakoztatása esetén tehát három tirisztorra és három diódára van szükség.

66. ábra: Félig vezérelt hídkapcsolás

141


Ha soros gerjesztésű motorokat egyenáramú hálózatról üzemeltetünk, szaggatót (egyenáram-váltóáram átalakítót) alkalmazunk. Ekkor az áramot gyorsan ki-be kapcsoljuk. Az így nyert áramot egy induktivitás segítségével simítjuk. Minél tovább van bekapcsolva az áram, annál magasabb a feszültség. Ezt impulzusszélesség-modulációnak nevezzük. Szaggatók használata esetén kisebb veszteségek lépnek fel, mint előtét-ellenállások alkalmazása esetén. Külső gerjesztésű motor indításakor szinte mindig indítóberendezést alkalmazunk, mivel ekkor már bekapcsoláskor a teljes gerjesztő-feszültség képes hatni, az armatúrafeszültség azonban még alacsony. Az armatúrafeszültség egy állítható előtét-ellenállás segítségével különösen egyszerűen csökkenthető. Külső gerjesztésű egyenáramú motorokat gyakran egyenirányító-berendezés segítségével a háromfázisú hálózatról működtetünk. Ekkor az egyenirányító-berendezésnek képesnek kell lennie az armatúrafeszültség csökkentésére. Ehhez a bevagy levágó vezérlést használjuk. Az univerzális motorok gyakran közvetlenül bekapcsolhatók, mivel ezek általában kis motorok. A lágy indulás érdekében a feszültséget egy előtét-ellenállás vagy egy fojtó segítségével csökkenthetjük. A feszültséget univerzális motorok esetén is csökkenthetjük bevagy levágó vezérlés segítségével. A hasonló funkciójú dimmereknek, ha segítségükkel fordulatszám-vezérlést akarunk végrehajtani, motorokkal való felhasználásra alkalmasnak kell lenniük.

3.10 A motor védelme A villamos motorok bizonyos mértékű túlterhelést minden további nélkül el tudnak viselni. Azonban túl nagy, vagy túlzottan hosszantartó túlterhelés esetén a tekercsek melegedni kezdenek, mely károsodásukhoz vezethet. A motor leég. A hagyományos olvadó biztosítékok nem biztosítják a motorok túlterhelés elleni védelmét. Mivel ezeket a magasabb bekap-

142

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos csolási áramra kell méretezni, túlterhelés esetén nem reagálnak. A motorvédő kapcsolókban bimetál szalagokon elhelyezkedő érintkezők találhatók. Túlzott áramfelvétel esetén a bimetál felmelegszik és elhajlik. Ezáltal az érintkezők nyitnak, a motor pedig leáll. Ezt nevezzük termikus kioldásnak. A bimetál szalagok felmelegedése időt vesz igénybe. Ez a késleltetés motorvédő kapcsolók esetén kívánatos, hiszen a bekapcsolásból adódó vagy rövid ideig tartó túláram esetén a kapcsolónak nem kell kioldania. A bimetálos motorvédő kapcsolók azonban a rövidzárakkal szemben nem biztosítanak védelmet. Erre a célra kiegészítő olvadó biztosítékokat kell alkalmaznunk. Sok motorvédő kapcsoló a bimetál szalagok mellett rendelkezik egy gyorskioldóval is, mely egy tekercsből és egy armatúrából áll. Túláram esetén az armatúra mozgásának következtében a motorhoz vezető vezetékek érintkezői leválnak. A termikus kioldót és az elektromágneses gyorskioldót sorba kapcsoljuk. A lassabb termikus kioldót a motor névleges áramára, az elektromágneses gyorskioldót pedig egy magasabb értékre kell beállítani, mivel ez rövidzár esetén old ki. Rövidzár esetén előfordulhat azonban, hogy a nyitott érintkezők között áthúzás lép fel, mely áthidalja őket, ezért gyorskioldós motorvédő kapcsolók esetén is használunk olvadó biztosítékot. A motorvédő kapcsolókat elsősorban kis és közepes méretű motorok esetén alkalmazzuk. Mivel csak a tekercsek áramfelvételét, és nem azok hőmérsékletét felügyelik, váratlan hibák léphetnek fel. Például a termikus kioldó jobb hűtése esetén a tekercsek mégis túlmelegedhetnek. A tekercsek hőmérsékletének közvetlen ellenőrzése termisztorok segítségével történik, melyek a motor tekercsein helyezkednek el. A tekercsek rendellenesen magas hőmérséklete esetén a termisztorok ellenállása nő.

143

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A termisztor növekvő ellenállásának következtében leesik egy relé, és a motor egy kontaktoron keresztül lekapcsol. A tekercsek hőmérsékletének ellenőrzése így tehát nagy biztonsággal kivitelezhető. A termisztorokkal történő hőmérsékletellenőrzés hátránya azok magas költsége, mivel a termisztorokat be kell építeni a motorba. Ezért termisztorokkal leginkább a nagyobb motorokat szerelik fel. A motorvédő kapcsolók esetén alapvető csoportosítási szempont, vajon a motor lehűlését követően önállóan visszakapcsolják-e a motort, illetve létezik-e visszakapcsolásgátló. Ekkor a motort kézileg kell visszakapcsolnunk. A kézi visszakapcsolásról az automatikus visszakapcsolásra való átállás részben lehetséges.

67. ábra: Motorvédő relék

3.10.1

Szigetelőanyagok osztályozása A villamos gépek a működésük során fellépő veszteségek miatt melegszenek. A hőmérséklet addig emelkedik, amíg a környezetnek leadott hő egyensúlyba nem kerül a keletkező hőmennyiséggel. Bizonyos maximális tartós hőmérsékletet a villamos gépek esetén használt szigetelőanyagoktól függően nem szabad túllépni. Villamos gépek esetén az alábbi szigetelőanyag-osztályok esetén a mellettük álló tartós hőmérséklethatárok érvényesek:

144

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Y

90°C

(Pl. PVC vezetékek esetén)

A

105°C

(Pl. tekercsek esetén A-osztályú lakkok)

E

120°C

(Pl. alkatrészek esetén keménypapír)

B

130°C

(Pl. alkatrészek esetén csillámpala termékek)

F

155°C

(Pl. tekercsek esetén epoxigyantába áztatott üvegszál)

H

180 °C

(Pl. hőálló vezetékek esetén szilikongyantába áztatott üvegszál)

C

>180°C (Pl. szigetelők esetén porcelán)

Határtúlhőmérsékletnek nevezzük a hűtőanyaghoz képesti maximális hőmérsékletkülönbséget. Ezt a különbséget Kelvinben adjuk meg. Léghűtés esetén a levegő hőmérsékletét 40°Cnak tekintjük. Tekercsek esetén a határtúlhőmérsékletek 75-100 K körüli tartományban helyezkednek el. Csillámpalát, üveget vagy szilionokat tartalmazó terméke esetén a hőmérsékletkülönbség elérheti a 125 K-t is. Összehasonlításként: a csúszó- vagy gördülő csapágyak esetén a határtúlhőmérséklet 45-65 K lehet.

3.10.2

Üzemmódok Egy berendezés melegedése attól is függ, mennyi ideig üzemel egyhuzamban. Rövid működés esetén előfordulhat, hogy nagyobb terhelés esetén is kevesebb hő keletkezik, mint hoszszabb ideig tartó, kisebb terhelés esetén. Az időbeli terhelés szerinti felosztás a névleges üzemmódok alapján történik. Ezek azt adják meg, a gép mely körülmények között működtethető. Az S1 tartósüzem esetén a gépet folyamatosan működtetjük annak névleges terhelésével anélkül, hogy túllépnénk a megengedett hőmérsékletet. Ha a gépen található táblán nincs feltüntetve az üzemmód, a gépet üzemeltethetjük tartósüzemben. Az S2 rövid üzem esetén a gép névleges terheléssel történő üzemelése a kikapcsolt állapotok időtartamához képest rövid. A maximális hőmérsékletet nem érjük el, mivel a gép a szüne-

145

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ tekben a környezet hőmérsékletére hűl le. A rövid üzem tartama 10, 30, 60 vagy 90 perc, mely a gépen elhelyezett tábláról leolvasható. Az S3 szakaszos üzem esetén az indításkori erős melegedést nem vesszük figyelembe, azaz a kapcsolások nem befolyásolják a melegedést. Üzemkor az egyenletes terhelés és a szünetek váltakoznak. A relatív bekapcsolási időtartamot százalékban kell megadni. Az S4 periodikus üzem esetén a kapcsolások befolyásolják a melegedést. Itt megadják a motor tehetetlenségi nyomatékát és a terhelés lehető legnagyobb tehetetlenségi nyomatékát is. A motorok fékezésekor szintén hő keletkezik. Az S5 periodikus üzem esetén a gépen elhelyezett táblán ez is fel van tüntetve. A további üzemmódok a motor folyamatos, azonban nem folyamatosan terhelt működésére vonatkoznak. Az S6 üzemmód azt adja meg, egy bekapcsolás során a motor mennyi ideig működhet terhelt állapotban. Az S7 üzemmód a fékezés során fellépő felmelegedést is figyelembe vesszük. Ha egy motor különböző sebességeken működik, a maximális működési időt az S8 üzemmód adja meg. Az S9 üzemmód ezzel szemben a nem-periodikus terhelés- és fordulatszámváltozásokat, és a rövid ideig a névleges teljesítményt messze meghaladó terheléscsúcsokat is figyelembe veszi.

3.11 Üzembiztonság Az elektromos balesetek elkerülése érdekében a villamos berendezéseken csak áramtalanított állapotban szabad munkát végezni, bár léteznek kivételek is. Az áramtalanított állapot előállításához bizonyos szabályok szerint kell eljárnunk. Az áramtalanítás a berendezés minden feszültséget hordozó vezetékének eltávolítása. A földelt vezetékeket nem kell leválasztani. 1 kV feletti feszültségek esetén a leválasztásnak jól láthatónak kell lennie.

146

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az áramtalanításért a felügyelettel megbízott személy felelős. A munkálatok kezdete előtt mindenképpen meg kell győződni arról, hogy az áramtalanítás megtörtént. Az áramtalanítás után meg kell akadályozni, hogy a berendezést ismét a hálózatra lehessen csatlakoztatni. Ez történhet például az olvadó biztosítékok eltávolításával. Emellett az áramtalanított berendezésen tiltó táblát is el kell helyezni. Harmadik lépésként ellenőrizni kell, hogy az áramtalanítás után a berendezés valóban feszültségmentes állapotban van. Ekkor győződünk meg arról, vajon tényleg minden áramkört érintett-e az áramtalanítás. Az áramtalanítás megtörténtének ellenőrzését az elvégzendő munka helyén, nem pedig az áramtalanítás helyén kell elvégezni. A például legfeljebb 1000 V-os föld feletti vezetékeken elvégzendő munkálatok esetén negyedik lépésként ezt rövidre kell zárni, majd földelni. Az ehhez szükséges berendezést előbb a földdel kell összekapcsolni, majd csak ez után az áramtalanítandó berendezéssel. Ötödik lépésként a közelben található fezsültség alatt álló alkatrészeket kell lefedni. Ez azok véletlen érintését zárja ki. Ez a lépés, a negyedik lépéshez hasonlóan nem feltétlenül szükséges, azonban mindenképpen hozzájárul a biztonság növeléséhez. A berendezés áram alá helyezése során a fenti öt lépést fordított sorrendben kell végrehajtani. A feszültséget csak akkor szabad ismét visszakapcsolni, ha a munkálatok helyéről a munkák lezárultáról megerősítés érkezik. Költségcsökkentési megfontolásokból lehetséges a feszültség alatti munkavégzés is. Az ezzel kapcsolatos veszélyek miatt az ide vonatkozó előírásokat mindenképpen be kell tartani. Az ilyen munkálatokat csak speciálisan képzett szakemberek végezhetnek.

3.11.1

Óvintézkedések Az elektromos balesetek elkerülése érdekében a berendezés feszültség alatt álló részeit nem szabad megérinteni. Ekkor a közvetlen kétpólusú érintést, amikor az áram az egyik vezetékből a testen át egy másikba folyik, valamint az egypólusú

147

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ érintést különböztetjük meg. Ekkor az áram a testen keresztül a földbe folyik. Gyakorlatilag az egypólusú érintés éppen annyira veszélyes, mint a kétpólusú érintés. Csak akkor nem áll fenn veszély, ha a személy a föld felé szigetelve van. A közvetlen érintéssel szembeni védelem a feszültség alatt álló alkatrészek szigetelésével, vagy azok lefedésével ill. elkerítésével történhet. Ezeknek az akadályoknak meg kell tudniuk akadályozni a véletlen érintést. Közvetett érintésnek nevezzük azt az esetet, amikor a szigetelés hibájából adódóan az alapesetben feszültségmentes alkatrészek feszültség alatt állnak. További lehetőség az áram-védőkapcsolás. Ekkor a felhasználóhoz és az onnan visszafolyó áram egy áramváltón halad keresztül, mely a két áramot összehasonlítja. Rendeltetésszerűen működő berendezések esetén a két áram nagysága azonos (fi-relé). Szigetelési hiba esetén az áram egy része már nem folyna vissza az áramváltón keresztül. Ekkor kiold a biztonsági rendszer. Ez általában már 30 mA-es különbség esetén megtörténik, mivel ekkora áram az ember számára még éppen nem életveszélyes. Ennek ellenére az áram-védőkapcsolás csak kiegészítő védelmet jelent.

3.11.2

Hibavédelem (érintésvédelem) Az áramütéses balesetek nagy része úgy következik be, hogy a balesetes a villamos szerkezet olyan részét (úgynevezett „test”-ét) érinti meg, amely üzemszerűen feszültségmentes, de hiba következtében feszültség alá kerül. Ezt a nemzetközi szabványok „közvetett érintés”-nek, s az ezek megakadályozására tett intézkedéseket „közvetett érintés elleni védelem”nek (újabban nagyon nem szerencsés elnevezéssel „hibavédelem”-nek) nevezi. A magyar szakmai köznyelv ezt továbbra is a korábbi elnevezéssel „érintésvédelem”-nek hívja. Szigetelési hiba esetén testzárlat, rövidzárlat, vagy földzárlat léphet fel. Ezek a hibák felléphetnek külön, de akár egyszerre is.

148


Testzárlatnak nevezzük, ha hibás szigetelés következtében a berendezés testén feszültség lép fel. A test lehet például a motor burkolata is. Rövidzárlat esetén két feszültség alatt álló vezető érintkezik. Ekkor a testen is felléphet feszültség. Földzárlatnak nevezzük azt az esetet, amikor egy feszültség alatt álló vezető a földdel érintkezik. Ekkor a földben a vezető körüli és az attól távolabbi helyek között feszültség alakul ki. A védőintézkedéseket három osztályba soroljuk. Az I. védelmi osztály védővezetőt alkalmaz. Hiba esetén az áram ezen a vezetőn folyik keresztül, ami a villamos energia leállítását váltja ki. A II. védelmi osztály esetén a feszültség alatt álló alkatrészek szigetelésén felül további védőszigetelést is alkalmazunk. Ekkor a védővezető használata nem engedélyezett. A III. védelmi osztályba tartoznak az alacsonyáramú berendezések. Ekkor a névleges feszültség nem haladhatja meg az 50 V váltó, vagy 120 V egyenfeszültséget. Bizonyos területek esetén még ennél is alacsonyabb, 25 V váltó, vagy 60 V egyenfeszültség a határ. Ekkor már nincs szükség közvetlen érintés elleni védelemre. Ilyen például a kisfeszültségű halogénlámpák vezetékhálózata, vagy a modellvasutak is. Alacsonyfeszültség esetén két osztályt különböztetünk meg: a biztonsági alacsonyfeszültséget, mely nincs kapcsolatban a földdel, és a védő alacsonyfeszültséget, mely földelt.

3.11.3

Elektromágneses kompatibilitás (EMC) Az elektromágneses kompatibilitás elsősorban elektromos alkatrészeket és így az elektromos komponenseket tartalmazó berendezéseket érinti. Az elektrosztatikus feltöltődés következtében igen magas, több tízezer voltos feszültségek alakulhatnak ki. Az ilyesmi a töltésszétválasztás eredményeképpen könnyen, már szintetikus padlószőnyegen sétálás közben is felléphet.

149

Elektromos meghajtók és vezérlések - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A félvezetőket már ennél lényegesen alacsonyabb feszültségek is elpusztíthatják, ezért ezeket a feszültségeket földelt alkatrészek megérintésével el kell vezetni, mielőtt hozzáérünk egy félvezetőhöz. Az elektronikus komponensekkel való munkához tehát megfelelően földelt munkahelyre van szükség. Magas elektromos feszültségek léphetnek fel villámcsapás következtében is. Ekkor azonban gyakran nem a villám közvetlenül a hálózatba, hanem akár néhány száz méteres távolságban történő becsapása is probléma lehet, hiszen ekkor kapacitív vagy induktív csatolás révén adódhat át a feszültség. A túlfeszültséget túlfeszültség-elvezetőn keresztül a földbe kell vezetni. Ezeket a védendő berendezések elé kell kapcsolni. Zavarokat okozhatnak azonban az elektromágneses mezők is. Ezeket már a zavar forrásánál le kell árnyékolni, így elkerülhető például a rádió- és televízióadások zavarása. Az EU-ban árusított villamos berendezéseknek a CE-jellel kell rendelkezniük. Ezért a berendezés forgalomba hozója felel. A CE-jel tanusítja, hogy a berendezés megfelel az európai szabványoknak. Ide tartozik az EMC irányvonalak betartása is.

150

Mechatronika Modul 1-4

Recommend Documents