6. ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ

Снижение металлоемкости машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов наряду с уменьшением себестоимости изготовления дает эффект при транспортных, монтажно-демонтажных работах, что особо важно в условиях морского шельфа, тундры, болотистой и гористой местности. Применяются методы:

1)изменения принципиальных и конструктивных схем;

2)рациональных сечений деталей;

3)рационального выбора материалов.

6.1. Методизмененияпринципиальныхикинематическихсхем

Данный метод распространен во многих отраслях машиностроения и заключается в применении рациональной компоновки и упрощении трансмиссий. В крупногабаритных машинах эффективны: переход от группового привода к индивидуальному приводу, от многоступенчатых редукторов и коробок перемены передач к регулируемому приводу с бесступенчатыми регулируемыми передачами, использование планетарных редукторов. Кроме снижения массы улучшаются рабочие характеристики, повышается долговечность. Эти тенденции характерны для буровых установок.

Примеры совершенствования конструктивных схем:

1)двухпоршневые буровые насосы двустороннего действия заменены на трехпоршневые насосы одностороннего действия: результат – насос НБТ-600 легче близкого по рабочим параметрам двухпоршневого У8-6МА2 на 40 % (19 т против 26,7 т) и при этом даже несколько мощнее. Насос УНБТ-950 легче насоса У87МА2 на 43,4 % (23,5 т против 33,7 т) и мощнее на 15,1 % [5 и 6]. При этом сократилось число быстроизнашивающихся деталей гидравлической части с 18 до12;

2)по буровым лебедкам – ЛБУ1100-ЭТ-3 легче ЛБУ37-1100Д1 на 14140 кг или на 35 % (26310 кг против 40450 кг) примерно те же соотношения по другим лебедкам.

Есть выигрыш по абсолютным и удельным показателям в массе у безбалансирных станков-качалок по сравнению с балансирными станками [7]. Их сравнение по параметрам приведено в табл. 6.1.

Вбезбалансирных станках-качалках перемещение колонны насосных штанг осуществляется гибким звеном – несколькими канатами, соединяющими кривошипы редуктора с канатной подвеской устьевого штока. Уравновешивание привода обеспечивается V-образной формой кривошипа.

6.ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ

6.1.Метод изменения принципиальных и кинематических схем

Таблица 6.1

Основные параметры станков-качалок

*Примечание: по установкам типа АГН масса указана без электродвигателя и мас-

ла.

Выигрыш по массе, как видно из табл. 6.1, сопровождается также существенным увеличением длины хода устьевого штока (в 1,2–1,5 раза), благоприятствующим повышению эффективности процесса откачки нефти.

При определенных условиях еще больший эффект дают установки типа АГН, работающие по принципиально иной схеме: с приводом штангового насоса от гидроцилиндров и уравновешиванием привода путем перемещения насосно-компрессорных труб. По массе выигрыш достигает до 5–6 раз, при этом ход устьевого штока увеличивается до 1,5 раз.

6.2. Методрациональныхсечений

При условии сохранения равнопрочности детали можно облегчить следующими способами:

удалением металла из явно малонагруженных участков;

удеталей типа шестерен и других вращающихся изделий, имеющих форму дисков, – выборками (выемками) или снятием металла больше к периферии и меньше к центру;

удеталей типа фланцев – изменением круглых форм на многоугольные или фигурные с выкружками.

увсех деталей, имеющих прямоугольные выступы, галтели, скосы, конусы и острые углы, – округлением углов, плавными переходами;

6.ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ

6.2.Метод рациональных сечений

встержневых и ферменных системах – заменой деформации изгиба растяжением-сжатием;

уменьшением пролетов между опорами, что снижает изгибающий мо-

мент;

обеспечением компактности конструкций, при этом уменьшать диаметры колес и компенсировать повышение окружных усилий удлинением зуба, переходом на косой или шевронный зуб, выбором более твердых и прочных материалов.

Облегчение деталей должно сопровождаться правильным выбором схем силового воздействия, то есть избегать асимметричного приложения нагрузок, стремиться к уменьшению напряжений растяжения и исключению изгиба; уменьшению равнодействующих сил в зацеплениях зубчатых передач с промежуточными шестернями и т. д.

Равнопрочность при сохранении требуемого уровня напряженности обеспечивается подбором рациональных соотношений между максимальными и минимальными размерами деталей. Относительная выгодность по массе профилей характеризуется при нагружении изгибом величинами приведен-

ной прочности WF и приведенной жесткости J F – отношением моментов

сопротивления и инерции к площади сечения [10].

Рациональность форм профиля характеризуется независимо от их абсо-

кости i = J/F2. Оценка рациональности выбора профилей для деталей, работающих на изгиб, может производиться с помощью формул определения ω и i по 8 типовым формам профилей сечений (из справочной литературы): круг, квадрат, прямоугольник, полые круг, квадрат и прямоугольник, швеллер, двутавр.

Выгодность полых профилей резко возрастает с утончением стенок и увеличением размеров сечения увеличением значений = h/H и e = b/B (на доске изобразить полые фигуры). При e = 0,9 и = 0,95, ω увеличивается в 6 раз, i в 15 раз по сравнению со сплошными профилями.

Для круглых деталей (вала, оси и др.) равнопрочность можно оценить соотношением моментов сопротивлений и моментов инерции [10]:

где a Dd ; индекс о – для массивного сечения (d = 0). Относительная масса

6.ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ

6.2.Метод рациональных сечений

менее резким уменьшением прочности и жесткости. При значении a 0,6

масса уменьшается на 40 %, а прочность и жесткость снижаются всего на 10 %. Далее уменьшать массу не выгодно.

6.3. Снижениемассыиметаллоемкостимашин путемрациональноговыбораматериалов

Показатель удельной металлоемкости изделия в общем виде выражается формулой

где mi – суммарные массы металлов, примененных в изделии; Р – главный

параметр (мощность, глубина бурения, грузоподъемность и т. д.). Надежным способом облегчения деталей является повышение прочно-

сти материалов.

6.4. Жесткостьконструкций

На выбор материалов и конструктивных решений большое влияние имеет жесткость – способность изделия сопротивляться действию внешних нагрузок с деформациями, допустимыми без нарушения их работоспособности.

Последствия недостаточной жесткости конструкций:

1)у корпусов нарушается взаимодействие размещенных в них механизмов, что повышает трение и износ подвижных соединений;

2)валов и опор зубчатых передач нарушается зацепление колес, вызывая ускорение износа зубьев;

3)цапф и подшипников происходит перегрев и заедания вследствие развития очагов полусухого трения;

4)неподвижных соединений, подверженных динамическим нагрузкам, появляется коррозия трения, наклеп и сваривание поверхностей;

5)рабочих органов обрабатывающих станков нарушается точность размеров обрабатываемых изделий.

6.ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ

6.4.Жесткость конструкций

К снижению жесткости приводят:

стремление к облегчению конструкций и максимальному использованию предела прочности материалов,

недооценка нагрузок, вызываемых неточностями монтажа, остаточными напряжениями и деформациями, перетяжкой крепежных соединений, повышенным трением и перекосами и т. д.

Коэффициентом жесткости – отношение нагрузки Р, приложенной к объекту, к величине максимальной деформации f объекта под ее воздей-

ствием:

При растяжении-сжатии бруса постоянного сечения в пределах упругой деформации

где F– площадь сечения бруса, мм2; E– модуль упругости, МПа; l– длина бруса в направлении движения силы.

Величину, обратную жесткости, называют коэффициентом податливости , который важен для пружин, рессор и других податливых деталей как свойство приобретать относительно большие деформации под воздействием нагрузок.

Для случая кручения бруса постоянного сечения коэффициент жесткости определяют как

где Mкр– момент кручения, приложенный к брусу; – угол поворота сечения под воздействием Mкр; Jp – полярный момент инерции сечения бруса, мм4.

При изгибе бруса постоянного сечения:

где J – момент инерции сечения бруса; a – коэффициент, учитывающий условия нагружения.

Зависимость коэффициента а от условий приложения нагрузки приве-

дена в табл. 6.2 [10].

6.ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ

6.4.Жесткость конструкций

Таблица 6.2

Жесткость при изгибе для различных схем нагружения

По табл. 6.2, жесткость бруса, заделанного консолью, при сосредоточенной нагрузке составляет всего лишь 0,063 жесткости бруса на двух опорах под такой же нагрузкой. Зная заданную нагрузку Р и геометрические размеры, жесткость можно определить по величине максимальной деформации и таким образом оценить напряженное состояние систем при практических расчетах [8].

Итак, на жесткость конструкций влияют:

6.ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ

6.4.Жесткость конструкций

1)модуль упругости материала Е при деформациях растяжения-сжатия

иизгибе, модуль сдвига G при кручении и сдвиге;

2)геометрические характеристики сечения деформируемого тела (F, J

иJp);

3)линейные размеры деформируемого тела (длина l);

4)вид нагрузки и тип опор (выражены через фактор а = 3–384).

На жесткость конструкций косвенно влияет прочность материала. Главным практическим средством увеличения жесткости является маневрирование геометрическими параметрами системы.

Вслучае изгиба рационально уменьшать деформацию выбором формы сечения, условий нагружения и расстановки опор. В этом случае удается уменьшить в десятки раз деформацию изделий по сравнению с исходной конструкцией, а то и исключить изгиб полностью.

Вслучае кручения детали необходимо по возможности уменьшать ее длину на участке кручения и увеличивать диаметр.

Вслучае растяжения-сжатия жесткость можно увеличить путем только уменьшения длины детали.

Недостаточная жесткость тонкостенных, в том числе оболочковых, конструкций может привести к внезапной потере их устойчивости. Бороться

сэтим явлением необходимо усилением легко деформируемых участков системы, введением местных элементов жесткости или связей между деформируемыми элементами или узлами жесткости (в которых могут, в частности, появиться зазоры), а также повышать прочность материала

Для составных конструкций, соединенных неподвижно, эффективны решения:

1)силовая затяжка соединений;

2)посадка с натягом;

3)увеличение опорных поверхностей;

4)повышение жесткости на участках сопряжений.

6.5. Обобщенныйпоказательвыгодностиприменения материалов

Выгодность выбора и применения в конструкциях материалов характеризуется показателем A, выражающим их способность нести наиболее высокие нагрузки при наименьших деформациях и массе и определяемым по формуле

6.ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ

6.5.Обобщенный показатель выгодности применения материалов

E

– фактор жесткости. Показатель A и показатели прочности и жесткости материалов в отдельности приведены в пособии. Из 11 видов конструкцион-

ных материалов 6 видов имеют одинаковый показатель E 10 6 = 25,5, а три

вида близки к нему ( E 10 6 =25). Однако многие из них не могут нести высокие нагрузки и деформируются. Поэтому выбирать материалы надо с уче-

сти A (по этому показателю наилучшие данные имеют сверхпрочные стали и сплавы титана, на достаточно высоком уровне находятся также сплавы алюминия и магния). Алюминиевые и титановые сплавы, применяемые для бу-

ных легированных сталей.

Но выбор материала определяется кроме указанных характеристик и технологическими требованиями. Экономически целесообразна разработка мероприятий для создания достаточно прочных и жестких изделий с использованием материалов, обладающих невысокими значениями А.

Распространенные конструктивные способы повышения жесткости без существенного увеличения массы:

1) устранение изгиба, замена растяжения сжатием (пример на рис. 6.1).

Рис. 6.1. Конструкции литых кронштейнов

2) для деталей, работающих на изгиб – рациональная расстановка опор, исключение невыгодных видов приложения нагрузок (рис. 6.2);

Из схем нагружения, приведенных на рис. 6.2, при одних и тех же значениях l и Р максимальный момент в 4 раза меньше у двухопорной балки, чем у консольной, а также меньше и максимальный прогиб;

6.ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ

6.5.Обобщенный показатель выгодности применения материалов

3)рациональное увеличение моментов инерции (сопротивления), не сопровождаемое возрастанием массы.

Из сравнения профилей равных масс (табл. 6.3) следует, что при изгибе наиболее целесообразной является двутавровая форма профиля: прочность по сравнению с исходным профилем №1 увеличивается в 9–12 раз, жесткость в 40–70 раз.

При равной прочности различных профилей двутавровая форма при некотором снижении массы повышает жесткость в 3–3,5 раза по сравнению с исходным профилем.

4) рациональное усиление ребрами, работающими предпочтительно на сжатие;

5 ) усиление участков перехода от одного сечения к другому;

6)блокирование деформаций введением поперечных и диагональных связей (подъемные и буровые вышки, основания под тяжелое оборудование)

7)привлечение жесткости соседних деталей;

8)для деталей коробчатого типа (различного рода крышек, колпаков, резервуаров, емкостей и т. д.) рекомендуют применение скорлупчатых, сводчатых, сферических, яйцевидных и т. п. форм;

6)для деталей типа дисков рекомендуют конические, чашечные, сферические формы, рациональное оребрение, гофрирование;

7)для деталей типа плит рекомендуют коробчатые, двустенные, ячеистые и сотовые конструкции (станины насосов, лебедок, роторов и т. д.).

6.ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ

6.5.Обобщенный показатель выгодности применения материалов

Таблица 6.3

Прочность, жесткость и масса профилей

Примечание: F(m) – площадь сечения в функции от массы.

Типовые решения по увеличению жесткости даны в прил. 1, прил. 2 (рис. П1.1 и табл. П2.1).

Контрольныевопросы

1.По каким критериям производят оценку материалоемкости?

2.Какие методы используют для снижения металлоемкости?

3.Что такое жесткость изделия и жесткость материала?

4.Какие методы увеличения жесткости применяют в практике конструирования?

5.Охарактеризуйте связь между жесткостью и прочностью конструк-

ций.