Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств. Курс лекций

а) технологичностьконструкциипритехническомобслуживании; б) ремонтную технологичность конструкции.

Различают понятия технологичности конструкции детали, сборочной единицы и изделия в целом.

Оценка технологичности конструкции детали может производиться по основным конструктивным характеристикам: форма поверхности, размеры, материал и др.

При конструировании МАПП исходят из принципов технологической и конструктивной преемственности.

Технологическая преемственность для разрабатываемой машины заключается в выборе таких деталей и сборочных единиц, которые уже применялись в других машинах и технология изготовления которых уже освоена промышленностью.

Конструктивная преемственность при конструировании новой машины заключается в использовании предшествующего опыта машиностроения, во введении в разрабатываемый образец всего полезного, что есть в существующих конструкциях машин.

Иногда полезно использовать метод инверсии (обращение функций, форм и расположения деталей) – т. е. бывает выгодно поменять детали ролями: ведущую деталь сделать ведомой, направляющую – направляемой, неподвижную – подвижной, наружный конус заменить внутренним, что даетопределеннуюэффективностьконструкцииизделия.

Стандартизация – это установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации и требований безопасности.

Стандарт может быть:

1)в виде документа, содержащего ряд требований (норм), подлежащих обязательному выполнению;

2)в виде основной единицы или физической константы (ампер,

вольт, метр, g = 9,81 м/с2, π = 3,14...);

3)в виде какого-либо предмета для физического сравнения (эталон

метра).

Степень стандартизации оценивается коэффициентом:

ηc=(Nс/N)100%,

где Nс, N – число стандартных деталей и общее число деталей. Составными частями стандартизации являются унификация и типи-

зация.

Унификация – рациональное сокращение числа видов, типов, марок и типоразмеров изделий одинакового функционального назначения; составных элементов этих изделий; основных и второстепенных размеров; допусков и посадок; марок материалов; способов изготовления; технологических указаний; технической документации и т. п.

11

Виды унификации:

–межтиповая;

–отраслевая и межотраслевая;

–унификация деталей, сборочных единиц и машин;

–унификация конструктивных элементов машин и аппаратов;

–унификация марок и сортамента материалов, электродов, типоразмеров крепежных и других стандартных изделий;

–унификация технической документации.

Для оценки достигнутого уровня стандартизации и унификации используют систему показателей:

1) коэффициент применяемости (является обязательным):

Кпр= (n-n0)/n,

где п – общее количество изделий; п0 – количество оригинальных изделий (оригинальные – разработанные впервые для этого изделия);

2) коэффициент повторяемости:

Кп=N/n ,

где N – общее количество составных частей изделия;

3) коэффициент межпроектной (взаимной) унификации:

типоразмеров составных частей в i-м изделии; Q – количество типоразмеров составных частей, из которых состоит группа из n изделий; nmах – максимальное количество типоразмеров составных частей одного из изделий, входящих в эту группу;

4) коэффициент унификации группы изделий:

Kг im 1 Kпрi Пi Цi ,

im1 Пi Цi

где т – количество изделий в группе; i – порядковый номер изделия в группе; Knpi – коэффициент применяемости i-го изделия; Пi – годовой выпуск i-го изделия; Цi – оптовая цена i-го изделия.

Типизация – это разработка и установление типовых конструктивных или технологических решений с общими техническими характеристиками.

Образование производных машин на базе унификации производится следующими методами:

1. Секционирование – разделение машины на одинаковые секции и образование производных машин набором унифицированных секций. Секционированию хорошо поддаются транспортеры – ленточные, скребковые, цепные, ковшовые элеваторы и т. д., дисковые фильтры, пластинчатые теплообменники, центробежные насосы.

12

2.Метод изменения линейных размеров – изменение длины маши-

ны или агрегата с сохранением формы поперечного сечения. Метод применим главным образом к роторным машинам (шестеренные и центробежные насосы, компрессоры, валковые машины, мешалки и т. п.).

3.Метод базового агрегата – применение базового агрегата, превращаемого в машины различного назначения присоединением к нему специального оборудования (дорожные машины, самоходные краны, погрузчики, сельскохозяйственные машины, кухонные комбайны).

4.Конвертирование – использование базовой машины или основных ее элементов для создания агрегатов различного назначения. Пример

–перевод поршневых двигателей внутреннего сгорания с одного вида топлива на другой – бензиновых в газовые; компрессоров воздушных – на фреон, аммиак(NH3).

5.Компаундирование – метод параллельного соединения машин, применяемых с целью увеличения общей мощности или производительности установки. Установка двух и более двигателей на крыле самолета.

6.Модифицирование – переделка машины с целью приспособить ее к иным условиям работы, операциям и видам продукции без изменения основной конструкции.

7.Агрегатирование – создание машин путем сочетания унифицированных агрегатов, представляющих собой автономные узлы, устанавливаемые в различном числе и комбинациях на общей станине.

8.Комплексная стандартизация – метод, близкий к агрегатирова-

нию. Используется для агрегатов простого типа: отстойники, выпарные установки (днища, трубные решетки, трубы, фланцы и др.).

Материалоемкость и облегчение деталей и узлов

Различают материалоемкость структурную и удельную.

Структурная материалоемкость позволяет исследовать рацио-

нальность выбранной номенклатуры материалов, возможность исключения дорогостоящих и дефицитных материалов, использования стандартных профилей проката и т. д.

Удельная материалоемкость – отношение объема к основному параметру машины (мощность, производительность и т. д.):

Удельная материалоемкость (т. е. на единицу техникоэкономических характеристик) необходима для сравнения машин одинакового эксплуатационного назначения, но различной мощности, разной производительности и др.

13

Основные направления снижения материалоемкости:

1.Снижение массы.

2.Повышение коэффициента использования материала (отношение основного параметра машины к массе).

3.Выбор рационального материала.

4.Унификация узлов и деталей.

5.Рационализация конструктивных схем путем устранения излишних запасов прочности, замены металлических материалов неметаллическими, применения прочных материалов.

Снижение массы. Один из способов – рациональное нагружение деталей, когда напряжения будут одинаковы в каждом сечении детали по ее продольной оси и в каждой точке этого сечения. Это возможно, когда нагрузку воспринимает все сечение детали (сжатие-растяжение). Таким образом достигается равнопрочность. При изгибе, кручении и сложных состояниях напряжения распределяются по сечению неравномерно (т. е. нужно стараться по возможности осуществить замену изгиба и кручения растяжением-сжатием).

Удаление слабонагруженного центра сечения обеспечивает более равномерное распределение напряжений.

Рис 1. Схема удаления слабонагруженного центра сечения

Увеличение наружного диаметра (рис. 1в) позволяет привести напряжения к прежнему уровню и при дальнейшем увеличении dH даже снизить их.

На рис. 2 приведено изменение схемы нагружения шатуна: а и б – шатун работает на изгиб; в – шатун работает на сжатие, масса его будет меньше.

Для материалов с асимметрией прочностных свойств, сопротивляющихся сжатию лучше, чем растяжению (серый чугун, пластики),

14

руктивных схем с наименьшим числом деталей и наиболее выгодным течением силового потока. Сокращение звеньев механизма и устранение излишних звеньев способствуют значительному снижению массы машины.

Примером рационального размещения деталей с целью уменьшения объема и габаритных размеров может служить двухступенчатый редуктор. Исходную конструкцию (рис. 7а), выполненную по обычной трехвальной схеме, можно сделать более компактной и легкой, если конечное зубчатое колесо 4 перебора установить соосно с начальным колесом 1 (см. рис. 7б, двухвальнаясхема).

Рис. 7. Совершенство конструктивной схемы редуктора

При таком расположении колес 1 и 4 значительно снижаются силы, действующие на промежуточные колеса 2 и 3 и определяющие нагрузку на подшипники. На рис. 7а силы Р1 и Р2 от начального и конечного колес направлены в одну сторону; их результирующая R' значительна. На рис. 7б силы Р1 и Р2 направлены в разные стороны, благодаря чему результирующая R' уменьшается почти в 2 раза.

Масса конструкции во многом зависит от силовой схемы. Силовая схема рациональна, если силы замыкаются на коротком участке элементами, работающими на растяжение или сжатие. Привод роторной машины 1 через редуктор 2 и коническую шестеренную передачу 3 (рис. 8 а) нерационален.

17

Для конструкционных сталей чаще используют улучшение (закалка с высоким отпуском на сорбит), при котором достигается наиболее удачное сочетание прочности, вязкости, пластичности.

4.Упрочняющая химико-термическая обработка – насыщение по-

верхностного слоя углеродом (цементация) или азотом (азотирование), разновидность термодиффузионного поверхностного легирования – насыщение поверхностного слоя атомами легирующих элементов: хромалитирование – насыщение хромом (Сr) и алюминием (А1); сульфоциа-

нирование – насыщение серой (S), углеродом (С) и азотом (N2); бороцианирование – насыщение бором (В), углеродом (С) и азотом (N2); титанирование, бериллизация, борирование, силицирование(Si иFe2 Si) ит. д.

5.Обработка методами холодной пластической деформации – штам-

повка.

Жесткость конструкции

Жесткость – это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с деформациями, допустимыми без нарушения работоспособности системы (с наименьшими деформациями).

Податливость – понятие, обратное жесткости – свойство системы приобретать относительно большие деформации под действием внешних нагрузок.

Жесткость оценивается коэффициентом жесткости, представляющим отношение силы Р, приложенной к системе, к максимальной деформации f, вызываемой этой силой.

Для сжатия-растяжения согласно закону Гука

гдеF– сечениебруса, мм2; l – длинабрусавнаправлениидействиясилы. Коэффициент податливости

Pf ElF .

где IpДля– полярныйизгиба момент инерции сечения бруса.

изг Pf lJ3 a,

где а – коэффициент, зависящий от условий нагружения. Жесткость конструкции определяют следующие факторы:

19

–модуль упругости материала (Е – модуль нормальной упругости при растяжении–сжатии, модуль сдвига G – при сдвиге, кручении);

–геометрические характеристики сечения (сечение F – при сдвиге, растяжении-сжатии; I – момент инерции при изгибе, полярный момент инерции Iр – при кручении);

–линейные размеры деформируемого тела (l);

–вид нагрузки и тип опор (коэффициент а).

Конструктивные способы повышения жесткости

1.Всемерное устранение изгиба, замена его растяжением или сжа-

тием.

2.Для деталей, работающих на изгиб, – целесообразная расстановка опор, исключение невыгодных по жесткости видов нагружения.

3.Рациональное, не сопровождающееся возрастанием массы, увеличение моментов инерции сечений.

4.Рациональное усиление ребрами, работающими предпочтительно на сжатие.

5.Усиление заделочных участков и участков перехода от одного сечения к другому.

6.Блокирование деформаций введением поперечных и диагональных связей.

7.Привлечение жесткости смежных деталей.

8.Для деталей коробчатого типа – применение скорлупчатых, сводчатых, сферических, яйцевидных и тому подобных форм.

9.Для деталей типа дисков – применение конических, чашечных, сферических форм; рациональное оребрение, гофрирование.

10.Для деталей типа плит – применение прочных, коробчатых, двутельных, ячеистых и сотовых конструкций.

Замена изгиба растяжением-сжатием. При изгибе и кручении нагружены преимущественно крайние волокна сечения, при растяже- нии-сжатии напряжения одинаковы по всему сечению: материал используется полностью.

Жесткость стержней в раскосном кронштейне (рис. 9) видоизменяет условия их работы. Балочный кронштейн (см. рис. 9а) подвергается изгибу.

Стержни в раскосном кронштейне (см рис. 9б) работают преимущественно на растяжение-сжатие. Конструкция становится еще более прочной и жесткой, если стержни кронштейна соединить сплошной перемычкой (см. рис. 9в). Кронштейн ферменного типа с вертикальным стержнем (см. рис. 9г) значительно менее жесткий, чем кронштейн на рис. 9б, так как конец вертикального стержня под нагрузкой перемеща-

20