конспект РиКМА
.pdfВВЕДЕНИЕ
Конструирование – это создание нового вида оборудования. К оборудованию предъявляются механические, социальные и экономические требования.
Механические требования:
1.Прочность
2.Жесткость
3.Транспортабельность
4.Технологичность
5.Возможность автоматизации
Социальные требования: условия безопасной работы за весь расчетный срок эксплуатации.
Экономические требования идут в разрез с двумя первыми и заключаются в том, чтобы подобрать конструкционные материалы и оптимальные геометрические размеры с целью экономии материала.
§1. Требования, предъявляемые к оборудованию
Прочность характеризуется величиной напряжения возникающего в металле от заданных нагрузок и сравнением его с допускаемым напряжением.
σ = |
Μ из |
|
≤ [σ ] |
(1) |
|||||
W |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||
σ = |
P |
≤ [σ ] |
(2) |
||||||
|
|||||||||
|
F |
|
|
|
|
||||
|
[σ ] = |
σ |
|
||||||
|
|
n |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
где n – коэффициент запаса, учитывает внезапное и кратковременное изменение нагрузки.
Сосуды с равномерно распределенной нагрузкой, у которых соотношение внешнего и внутреннего диаметров DН Dв ≤ 1,2 не работают на изгиб. Они назы-
ваются тонкостенными и для них характерно условие (2). За расчетные принимаются только внутренние давления.
Металлоконструкции (балки, рамы, фермы) испытывают изгибные деформации и в основном рассчитываются по условию (1).
При проектировании решаются 2 задачи:
1.Либо известен профиль, необходимо определить величины нагрузок, которые выдержит данная конструкция.
2.Задается нагрузка, определить толщины стенок или профиль.
Чаще встречается вторая задача.
Жесткость характеризует устойчивость формы. Ι - момент инерции, зависит от размеров и профиля.
Ε - модуль упругости, характеризует напряжения, которые возникают в образце при 100% деформации.
[σ ]- характеризует напряжения, которые возникают в образце при любой нагрузке.
Транспортабельность на габариты существуют ГОСТы в соответствии с требованиями и правилами перевозок.
Технологичность предусматривает удобство изготовления и эксплуатации. Автоматизация т.к. в химической промышленности контролируется состав
взаимодействующих веществ, процессы ведутся при больших температурах и давлениях, в конструкции необходимо предусматривать щтуцера для установки контрольно - измерительных приборов (КИП).
Условия безопасной работы за весь расчетный срок эксплуатации. Исходя из долговечности, за расчетный срок службы принимается 20 лет. Все сосуды с избыточным давлением свыше 0.7 ат подлежат контролю Проматомнадзора.
§2. Стадии проектирования
Проектирование условно можно разделить на две группы:
-эвристическое
-алгоритмическое
Эвристическое – проектирование на основании спонтанных решений, принятых коллективом конструкторов, или в результате мозгового штурма.
Вреальных условиях наиболее приемлемо алгоритмическое, которое содержит подробную характеристику условий проведения процессов, условий назначения конструкций и цели проектирования. При этом выбирается формально идеальное решение.
Воснове алгоритмического проектирования лежит схема:
анализ → схема → оценка.
Анализ – сбор данных, их классификация определение их взаимосвязи. Синтез – творческое осмысление конструкции в целом и разработка её час-
тей.
Оценка – совокупность принятых решений. При проектировании различают 3 стадии:
1)Техническое задание.
Внем технолог выдает условия проведения процесса: давление, среда, температура. В техническом задании подробно оговариваются технические характеристики и на основании их составляется эскизный проект. В нем предлагается несколько вариантов конструкции. На основании обсуждения выбирается наиболее приемлемый вариант и начинается 2-я стадия.
2)Технический проект.
Внем выбирается одна конструкция, ориентировочно определяются экономические затраты на изготовление. После обсуждения – выполнение рабочего проекта.
3)Рабочий проект.
Внем выполняются чертежи общего вида, подробные чертежи узлов и деталей и вся сопроводительная документация. При выполнении рабочих проектов должны соблюдаться правила оптимального проектирования.
§3. Оптимальное проектирование
Методы оптимального проектирования: 1) ОН – оптимальное нагружение
2)ОС (ОН) – оптимальная стабильность (надежность) 3)ОМ – оптимальный материал 4)ОТ – оптимальная технология 5)ОР – оптимальный размер
При любом способе оптимизации методика основывается на 3-х принципах: Задача (постановка) → путь (способ) → решение
1) |
ОН |
|
|
|
|
|
|
избежание изгиба |
избежание точечных |
перераспределе- |
|
ние |
|
|
|
(растяжение, сжатие) |
нагрузок |
нагрузок |
байбитирование распределение нагрузок
2) |
|
ОС (ОН) |
|
|
|
|
|
|
|
выбор конструкционных |
упрощение силовой |
увеличение прочно- |
||
стных |
|
|
|
|
материалов |
схемы |
свойств |
Стабильность заключается в надежности работы всех элементов конструкции без отказов за весь расчетный срок службы при соблюдении социальных требований.
ОС характеризуется коэффициентом безопасности. По этому принципу задача увеличить коэффициент безопасности n (запас прочности). Это обеспечивает надежность за счет использования специальных материалов, способов защиты и упрочнения.
увеличение n
использование специальных материалов
надежность |
стоимость |
|
способы защиты |
|
и упрочнения |
конфликтная ситуация
Конфликтная ситуация лежит в основе оптимального проектирования. С учетом этих факторов n меняется в пределах:
1,5÷2 - если хорошо известны свойства материала и действующие нагрузки легко определить; 2÷2,5 - при ориентировочных значениях нагрузки для обычных материалов и
средних условиях эксплуатации; 2,5÷4 - в случае непредвиденных обстоятельств (по балке движется груз); 5÷10 – коэффициент на всякий случай.
3) При выборе ОМ основной принцип – обеспечить коррозийную стойкость, восприятие нагрузок при минимальной стоимости.
ОМ
углеродистые (спокойные) стали
легированные заменители
сменные элементы
Двухслойные стали (заменители) состоят из 2-х слоев: основной и плакирующий. Плакирующий – защитный слой, нагрузок не воспринимает. Расчет на прочность ведется по основному слою. Толщина плакирующего слоя – 10% от основного. Суммарная толщина = их сумме с
округлением до стандартного значения (ГОСТ)
δ пл = 10%δ
∑δ = δ пл + δ
Марка материала и ГОСТы на листы принимаются большему значению. Гуммировка – защита резиной.
Футеровка – защита металла кислостойким или жаростойким кирпичом на
диабазовой замазке. |
|
|
|
4) |
ОТ |
|
|
|
|
|
|
максимальное использование |
технологичность при изготов- |
способность к сборке |
|
стандартных и ГОСТ-х деталей |
лении детали |
и разборке |
|
ремонтопригодность |
лучшая механическая обра- |
ликвидация подгонок |
|
|
ботка |
|
5) ОР – не назначать лишних размеров. Четко обозначать сопрягаемые размеры и основные требования соблюдения ГОСТов.
§4. Долговечность
Как итог оптимального проектирования следует вывод: агрегат должен быть долговечным и обеспечивать герметичность и безопасность работы за весь расчетный срок службы.
Долговечность – время, которое машина может работать в номинальных условиях эксплуатации без снижения технических показателей.
За технические показатели принимается величина экономической эффективности.
Э= ЭГ Д
ЭГ = [(C1 + E K1 ) − (C2 + E K 2 )]Q2
где ЭГ – годовая экономическая эффективность или эффективная величина номинальной эксплуатации;
C1 , C2 – себестоимость единицы продукции;
E – нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективно-
сти, характеризует капитальные вложения на изготовление и эксплуатацию агрегата (0,2);
K1 , K 2 – удельные капитальные затраты (1 – относится к существующему агрегату, 2 – относится к реконструированному агрегату).
В основном за расчетный срок службы, исходя из условий морального износа, принимается 20 лет.
Фактическая долговечность Д
Д = Дном =[тыс. час]
η
где η – коэффициент режима Для легких установок: η = 0,7 0,8 (статическая нагрузка).
Для средних установок: η = 1 (внутреннее, наружное давление). Для тяжелых установок: 1,2 1,5 (вибрация).
Срок службы аппарата рассчитывается из фактической долговечности, деленной на коэффициент использования:
T = |
Д |
; |
|
||
Кисп |
|
||||
|
|
|
|||
Кисп |
= |
|
tф |
, |
|
Твесьсрок |
|||||
|
|
|
где tф – время фактической работы; Твесьсрок – время службы.
Основной показатель, лимитирующий долговечность – моральное устаревание (20 лет). Оптимальное использование: Кисп = 1
Энергозатраты и затраты на изготовление = const, амортизационные затраты на содержание уменьшаются с течением времени, капитальные затраты на эксплуатацию и ремонт увеличиваются с течением времени (рис. 4.1).
Точка пересечения – оптимальный срок службы (10 лет).
Для транспортирующих устройств и устройств, работающих под динамическими нагрузками долговечность предусмотренная ГОСТами 10-20 тыс. часов и срок службы 5-8 лет.
Для машин в среднем режиме 50-100 тыс. часов при 2-х сменной работе, срок службы 15-25 лет; при 3-х сменной работе – 10-15 лет.
За счет проведения профилактических и ремонтных работ срок службы может увеличиться. Отсюда график, характеризующий цикл жизни машины может несколько изменится.
Рис. 4.1
В начальный период эксплуатации машины, она соответствует всем моральным и прочностным и требованиям. Затраты на ремонт минимальные, заявки на изобретение минимальные. Это продолжается в течение 5-7 лет. Далее машина морально устаревает, увеличиваются ремонты, увеличиваются заявки на патенты на изобретение. Затем, по истечению 15 лет агрегаты начинают настолько устаревать, что встает вопрос о его замене. Необходимо создать новый агрегат.
§5. Стандартизация и унификация
Унификация оборудования дает возможность создать на базе исходной модели ряд произвольных машин одинакового назначения, но с различными показателями.
Принципы унификации:
1)Секционирование – заключается в разделение машины на отдельные секции и образование новых машин на основании компоновки этих секций.
2)Метод изменения линейных размеров (дробилки - ЩДС).
3)Агрегатирование – создание новой машины путем использования узлов и деталей других машин.
Унификация оценивается по степени унификации и коэффициенту повторяемости:
K= (1− N ун ) 100% ,
∑N
где N ун – количество унифицированных узлов в агрегате;
∑ N – суммарное количество узлов. Этот показатель рассчитывается по:
-количеству узлов и деталей;
-массе унифицированных узлов и деталей к общей массе узлов и деталей;
-стоимости.
Пример:
Пусть в агрегате: 2 болта М8, 5 болтов М12, 4 болта М16. Тогда оп степени оценки коэффициента повторяемости имеем 3 типа унифицированных деталей (болтов).
K = (1− 3 ) ≈ 6,5 ÷ 7 11
Если процент повторяемости 60% и более, то агрегат удовлетворяет требованиям унификации.
Стандартизация – следующая оценка после унификации. Оценивается также коэффициентом повторяемости.
ГОСТ** – на их основании отраслевые стандарты ОСТ – заводские стандарты СТП – стандарты предприятия
ГОСТ содержит несколько пунктов: 0 – общие положения ГОСТ 2001-70
1 – основные положения, виды изделия или документация
2 – классификация оборудования или изделия
3 – общие положения выполнения чертежей
4 – правила выполнения чертежей в приборостроении
5 – правила хранения технической документации
6 – правила выполнения ремонтных и технических работ
7 – правила выполнения схем
8 – правила выполнения документов в судостроении
9 – прочие стандарты (подчеркнутые, которые мы будем использовать)
ГОСТ 2.308-83
2 – классификационная группа промышленности
3 – классификационная группа оборудования
08 – порядковый номер оборудования в данной подгруппе
83 – год издания На основании оптимального проектирования с учетом унификации и стан-
дартизации все оборудование подвергается иерархической схеме проектирования.
|
Общий вид |
|
основные детали |
|
узлы |
|
||
детали |
детали |
детали |
§ 6. Расчет и проектирование листовых конструкций
Основу всякого аппарата составляет его корпус. Корпус определяет размеры аппарата, его форму и объем, изолирует содержимое аппарата от внешней среды, служит для подвода и отвода тепла и воспринимает внутренние или наружные нагрузки.
Корпус состоит из пластин и элементарных оболочек вращения (рис 6.1).
1 – сферическая оболочка; 2 – эллиптическая оболочка;3 – цилиндрическая оболочка; 4 – торовая оболочка; 5 – коническая оболочка; 6 – пластина
Рис. 6.1
Оболочка – геометрическое тело, у которого одно измерение (толщина) несоизмеримо мало по сравнению с двумя другими (диаметр и высота).
Пластина (фланцы) – толщина соизмерима с диаметром.
Корпус образован оболочками вращения. Форма оболочки определяется формой образующей или меридиана.
Во 2-ой цилиндрической оболочке образующая или меридиан прямая. Отсюда напряжения, действующие на эту поверхность называются меридиональными.
1-ая оболочка образована вращением кривой, 3-я оболочка образована вращением наклонной прямой вокруг центральной оси, а 4-ая оболочка образована вращением шара (тора).
Радиус образующей или меридиана называется первым главным радиусом. В 1-ой оболочке R = ∞ .
Радиус вращения плоскости перпендикулярной меридиану – вторым главным радиусом.
Цилиндрическая оболочка вращения образуется вращением меридиана вокруг центральной оси.
В цилиндре: R1 = ∞ , R2 = Ry (радиус поверхности перпендикулярной к мери-
диональной)
Вконической оболочке: R1 = ∞ , R2 = RT cosα
Вшаровой оболочке: R1 = RШ , R2 = RШ
Цель расчета: определить напряжения, возникающие в оболочках вращения от действия заданных нагрузок.
Нагрузки: - внутренние (внутреннее давление – сосуд работает под вакуумом или под давлением в рубашке);
-распределенные (давление внутреннее и гидростатическое – вес сосуда с наполнением);
-сосредоточенные (осевая сжимающая сила, реакция опор);
Нагрузка может быть равномерно распределенной по аппарату или стенки могут работать на краевой эффект.
§7. Безмоментная теория прочности
Основное условие существования безмоментной теории прочности – отсутствие причин, вызывающих изгиб.
В основе безмоментной теории лежит аксиома, что оболочки работают на растяжение (сжатие) и не воспринимают изгибающих нагрузок.
Условие применения безмоментной теории прочности:
1) |
Сосуд должен состоять из оболочек |
Dнаружн |
≤ 1,2 ; |
|
|||
|
|
Dвнутр |
2)Оболочка должна быть оболочкой вращения;
3)Оболочка не должна иметь резких перегибов;
4)Края оболочки должны быть жестко закреплены;
5)Нагрузка должна быть равномерно распределенной относительно центральной оси;
6)Нагрузка должна быть осесимметричной.
Все эти условия должны обеспечиваться конструктивными разработками. При определении напряжений возникающих в тонкостенных оболочках от
действия равномерно распределения внутреннего давления используют метод независимости действия сил. Он заключается в следующем:
1.Оболочка рассекается в опасных сечениях плоскостями, перпендикулярными центральной оси.
2.В местах сечения обозначаются известные и неизвестные силы и моменты
3.действие отсеченных частей заменяется нагрузками
4.составляется уравнение равновесия действующих сил
5.определяются неизвестные напряжения или силы На элемент оболочки действуют следующие силы и моменты (рис. 7.1):
U – меридиональная сила, растягивает или сжимает элемент вдоль образующей или меридиана; Т – кольцевая сила, растягивает или сжимает оболочку оп параллельному кругу;
М – меридиональный момент, деформирует оболочку в плоскости, перпендикулярной к меридиану; К – кольцевой момент, деформирует оболочку в плоскости, перпендикулярной к кольцевой силе.
Рис. 7.1
Эти силы и моменты вызывают напряжения:
– меридиональные |
σ m |
= |
U |
, σ m = m |
6M |
|
|||||
|
|
δ 3 |
|||||||||
|
|
|
δ 2 |
|
|
||||||
– кольцевые |
σ k |
= ± |
T |
, σ k |
= m |
6K |
|||||
δ 2 |
δ 3 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Из оболочки выделяем элементарный участок и рассматриваем его равновесие (рис. 7.2)
Рис. 7.2
При действии внутреннего давления стенки тонкостенного сосуда или растягиваются или сжимаются. Элемент выделяется 2-мя плоскостями, перпендикулярными центральной оси и самому элементу (рис. 7.3). Стенка находится под действием внутреннего давления.
Рис. 7.3
В элементе оболочке от меридиональных напряжений возникают силы: Pσ m = σ m dl1δ . От кольцевых напряжений: Pσ k = σ k dl2δ . От внутреннего давле-
ния: Pp = dl1dl2 P
Усилия от внутреннего давления должны быть уравновешены усилиями от меридиональных и кольцевых напряжений.
P |
= P |
+ P |
p |
σm |
σk |
При решении (1) относительно напряжений получаем первое уравнение равновесия Лапласа:
σ m + σ k = P R1 R2 δ
Недостаток в том, что две неизвестных – σ m и σ k . Поэтому для определения одного из этих напряжений рассматривают уравнение равновесия зоны оболочки. Для этого из оболочки отсекают зону и рассматривают её равновесие (рис. 7.4). На зону оболочки действуют равномерно распределенные внутренние давле-