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

–возможность простой разборки (без специальных приспособле-

ний);

–предотвращение попадания моющих растворов в подшипниковые узлы, элементы привода, электродвигатели и т. п. (предусмотрение специальных стоков, возможность отсоса, наличие кожухов);

–возможность применения моющих растворов с агрессивными составляющими (применение соответствующих материалов, стоков, вытяжек);

–отсутствие застойных зон, где мог бы скапливаться продукт. Например, чистка шнеков для подачи теста в тестоприготовитель-

ных агрегатах весьма трудоемка. Для облегчения этих операций возможно применение двух самоочищающих шнеков с взаимным зацеплением.

4. Выбор смазочных материалов и устройств

Наличие смазочной пленки на трущихся поверхностях защищает рабочие поверхности от интенсивных молекулярных процессов, возникающих при трении. Смазочная пленка устраняет непосредственный контакт между трущимися поверхностями, охлаждает их и уносит вредные продукты износа. Отсутствие смазочного материала между трущимися деталями, хотя бы на короткое время, приводит к значительному усилению процесса трения и к повышенным износам, а иногда к серьезным поломкам. При любых режимах работы машины и различных внешних условиях смазочный материал должен своевременно

ив достаточном количестве поступать к рабочим поверхностям.

Впроцессе работы смазочная пленка изнашивается, и в зону трения вводят новые порции смазочного материала. Поэтому важным фактором для обеспечения высокой надежности и долговечности оборудования является правильный выбор режима смазывания, т. е. определения дозы смазочного материала и частоты его подачи. Повышение количества смазочного материала не снижает коэффициента трения и интенсивности изнашивания и приводит к значительному перерасходу смазочных материалов и загрязнению машины.

Смазочные материалы подразделяются:

по происхождению – на минеральные (нефтяные), растительные

иживотные (органические, например касторовое, горчичное масло и др.), синтетические (используются в ответственных узлах трения, но дороги);

по агрегатному состоянию – на жидкие (нефтяные и раститель-

ные), пластичные (технический вазелин, солидол и др.), твердые (графит, слюда, тальк и др.);

31

по назначению – на моторные (двигатели внутреннего сгорания), трансмиссионные, индустриальные, гидравлические (для гидравлических систем), компрессорные, приборные и др.

Развитие новых отраслей промышленности требует разработки узлов трения, надежно и длительно работающих при высоких скоростях и нагрузках, в вакууме и т.п.

Наиболее перспективны для работы в таких условиях узлы сухого трения.

Применение деталей из самосмазывающихся материалов сухого трения эффективно в следующих случаях:

–при невозможности постоянной или периодической подачи жидких или консистентных смазок в зону трения;

–при недопустимости загрязнения систем и продуктов смазочными материалами (некоторые машины и аппараты пищевой промышленности);

–при значительных контактных нагрузках, превышающих несущую способность стандартных смазок;

–при низких или повышенных (выше 200°С) температурах, приводящих к замерзанию или окислению смазки (хлебопекарные печи, аппараты для уваривания и т. п.) и в высоком вакууме, когда жидкие и консистентные смазки испаряются.

Ниже приведены области применения некоторых типов самосмазывающихся материалов.

Из этих материалов изготовляют трущиеся детали: втулки подшипников скольжения, направляющие для возвратно-поступательного движения, сепараторы и ролики подшипников качения, зубчатые колеса и шестерни, кулачки и т. д.

32

Вкачестве смазки в особо быстроходных подшипниках используется воздух или жидкость. Опоры с воздушной смазкой практически не ограничивают скорости вращения валов, работают с малыми потерями

инеограниченным ресурсом. Недостатками этой системы являются необходимость высокой точности изготовления и недопустимость перегрузок, приводящих к сухому трению.

Воздушные подшипники подразделяются на аэродинамические, в которых воздух самозасасывается в зазор, и аэростатические, в которых воздушная подушка образуется в результате непрерывного поддува

сжатого воздуха. Момент трения в таких опорах чрезвычайно мал и частота вращения может достигать 1300 с-1 (например, в гироскопах).

Вэлектрических счетчиках применяются магнитные опоры с использованием сил притяжения или сил отталкивания. Магниты изготавливают из высококоэрцитивного сплава. Опоры такого типа работают без смазки, не требуют ухода в течение длительного времени.

Смазочный материал, так же как и способы его подачи к трущимся элементам, выбирают на стадии эскизного и технического проектирования в зависимости от назначения машины и условий работы, например от силовых нагрузок, скорости скольжения трущихся поверхностей, места расположения, теплового режима и условий эксплуатации.

С целью унификации ассортимент масел, используемых в одной машине или для групп совместно эксплуатируемых машин, должен быть возможно меньшим, поэтому масло следует выбирать с учетом максимальной возможности использования его в равных трущихся парах. При централизованной смазке соблюдение этого условия обязательно.

Требуемую вязкость смазочного материала определяют рабочей температурой. С возрастанием вязкости ухудшается подвижность масла, что затрудняет циркуляцию и проникновение его в малые зазоры подшипника. Это особенно важно для периода пуска непрогретых машин, эксплуатируемых при низких температурах окружающей среды.

Жидкие смазочные масла применяют для смазки элементов машин, работающих с небольшими нагрузками и при небольших скоростях. Смазку производят вручную индивидуально, без принудительного давления с помощью наливных масленок, а также пресс-масленок.

Точечную смазку под принудительным давлением осуществляют одноплунжерными масленками ручного действия (лубрикаторами), а непрерывную смазку без принудительного давления – масленками с фитилями или набивной, наливной капельной масленкой с запорной иглой, а также методом частичного погружения движущихся (вращающихся) элементов машин в масло (масляные ванны). Непрерывная смазка исключает при пуске машины сухое трение.

33

Фитильные и набивные масленки применяют тогда, когда необходима умеренная подача масла при вертикальном или горизонтальном расположении валов.

Движение масла по фитилю (сквозь набивку) происходит под действием капиллярных сил. Один фитиль подает от 0,5 до 5 см3 масла в час. Набивные масленки с запорной иглой устанавливают в ответственных местах индивидуальной системы смазки, например в местах установки подшипников скольжения и качения, не требующих обильного количества масла.

Смазку в масляной ванне применяют для зубчатых передач, при окружной скорости колес до 12-14, червяков – до 10 м/с, а также подшипников качения, подпятников, цепей, кулачков, роликов и др. Нормы погружения: цилиндрические колеса – 1-5 модулей, конические – 0,5- 1,0 длины зуба, червяки – 1-4 модуля, но не выше центра нижнего шарика подшипника качения вала червяка.

Чем меньше окружная скорость элемента машины, тем больше может быть глубина его погружения. Например, медленно вращающиеся зубчатые колеса могут погружаться до половины их радиуса.

Смазку зубчатых колес при окружной скорости свыше 12-14 м/с следует производить прерывно под давлением через струйные насадки, подающие масло непосредственно в место контакта зубьев со стороны начала зацепления.

Смазку труднодоступных элементов машин, работающих непрерывно, но не требующих обильной подачи масла, можно производить без принудительного давления с помощью групповых капельных масленок, расположенных выше мест смазки, или разбрызгиванием.

Трущиеся пары машин, работающие в тяжелых условиях, требуют непрерывной подачи масла под давлением. Для смазки единичных и многоточечных пар применяют плунжерные (многоплунжерные), лопастные или шестеренчатые насосы. Плунжерные насосы применяют для подачи небольшого количества масла под высоким давлением до 10 МПа. Лопастные насосы применяют для подачи масла под давлением до 0,3 МПа. Они компактны, но высота всасывания у них небольшая. Шестеренчатые насосы служат для подачи любых количеств масла под давлением до 1 МПа. Они компактны и имеют небольшую высоту всасывания. Производительность насосов выбирают заведомо больше расчетной на 10-20% для компенсирования падения производительности в результате износа насосов и при возрастании температуры масла.

При окончательном решении по выбору конструкторского варианта можно воспользоваться матрицей коэффициентов. При этом эксперты предварительно по каждому фактору определяют средневзвешенный балл. Максимальная сумма баллов характеризует вариант как наиболее близкий к оптимальному решению поставленной задачи

34

Лекция 3

ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ МАШИН 1. Основные понятия и термины теории надежности

Надежностью называется свойство объекта выполнять заданные функции при постоянстве эксплуатационных показателей в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени.

Быстрое развитие науки о надежности связано с:

–задачами безлюдной технологии;

–непрерывным форсированием машин, уменьшением их металлоемкости, повышением их силовой, тепловой, электрической напряженности.

Теория надежности является комплексной дисциплиной и состоит из разделов:

–математическая теория надежности;

–надежность по отдельным физическим критериям отказов («физика отказов»);

–расчет и прогнозирование надежности;

–мероприятия по повышению надежности;

–контроль надежности ( испытания, статистический контроль, организация наблюдений) и техническая диагностика;

–теория восстановления;

–экономика надежности.

2. Законы состояния

Законы состояния – это закономерности, описывающие взаимосвязи обратимых процессов, когда после прекращения действия внешних факторов материал (деталь) возвращается в исходное состояние.

Классификация закономерностей, оценивающих изменения свойств и состояния материалов

35

Законы старения – это закономерности, описывающие необратимые процессы, т. е. изменения начальных свойств материалов, происходящие в процессе эксплуатации изделия.

Статические законы – функциональные зависимости, описывающие связь между входными и выходными параметрами без учета фактора времени (закон Гука, закон теплового расширения твердых сред и др.).

Переходные законы – учитывают изменения выходных параметров во времени (колебания упругих систем, процессы теплопередачи и др.).

Законы превращения – зависимости, в которых время непосредственно не фигурирует, а связано с другими факторами, которые изменяются во времени (закон коррозии).

Законы старения, оценивающие степень повреждения материала в функции времени, являются основным объектом рассмотрения в «физике отказов».

3. Классификация процессов старения

Процессы старения классифицируются по их внешнему проявлению на следующие:

I. Объемные явления:

а) разрушение (хрупкое, вязкое); б) деформация (пластическая, ползучесть, коробление);

в) изменение свойств материала (изменение структуры материала, механических свойств – пластичности, химического состава, загрязнение);

II. Поверхностные явления:

а) разъедание (коррозия, эрозия, кавитация, прогар, трещинообразование);

б) нарост (налипание, нагар, заращивание); в) изменение свойств поверхностного слоя (изменение шерохова-

тости, твердости, отражательной способности, напряженное состояние).

4. Общие зависимости теории надежности

Рассмотрим эксплуатацию числа N элементов в течение времени t. Пусть к концу срока эксплуатации остается Np работоспособных и п отказавших элементов. В этом случае относительное количество отка-

зов Q(t)

Q(t) = n/N.

Если N достаточно велико, то Q(t) можно рассматривать как вероятность отказа.

Тогда вероятность безотказной работы P(t)

36

Р(t) = Np/N= 1-n/N= 1- Q(t).

Из этого следует, что

P(t) + Q(t) = 1.

5.Показатели надежности

5.1.Показатели безотказности

Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пре-

делах заданной наработки отказ не возникнет.

Средняя наработка до отказа – наработка до отказа невосстанавливаемого изделия (подшипники качения, лампы накаливания).

Средняя наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого изделия к числу его отказов в течение этой наработки.

Интенсивность отказов – показатель надежности невосстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказавших в единицу времени объектов к числу объектов, оставшихся работоспособными.

Параметр потока отказов – показатель надежности восстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки.

5.2. Показатели долговечности

Технический ресурс – наработка объекта от начала эксплуатации до предельного состояния.

Срок службы – календарная наработка до предельного состояния (в го-

дах).

i 1

период;

– коэффициент готовности

37

где Тр.с – время нахождения машины в работоспособном состоянии за

n

некоторый период эксплуатации; Т' рем.i – суммарная продолжитель-

i 1

ность ремонтов машины за тот же период;

где Ti – срок службы (наработка) до i-го отказа; ti – продолжительность (трудоемкость) i-го отказа.

38

Лекция 4

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ МАШИН

Под технологическим расчетом проектируемого объекта обычно понимают совокупность расчетов, связанных непосредственно с параметрами, видом и особенностями технологического процесса, осуществляемого этим объектом.

Основной целью технологического расчета является определение исходных параметров, необходимых при выполнении графической конструкторской проработки проектируемого объекта, а также для проведения последующих специальных расчетов его отдельных элементов.

Задачи, решаемые при проведении технологического расчета, обычно сводятся к определению основных технологических, конструктивных, силовых, кинематических и энергетических факторов, необходимых на начальном этапе проектирования и являющихся основой для последующего проведения конструкторских и расчетных работ по созданию поточной линии, агрегата, машины или устройства определенного технологического назначения. Результаты технологического расчета дают возможность, опираясь на передовую прогрессивную технологию, обосновать применение в промышленности выбранной поточной линии, агрегата, машины, устройства. При этом предусматривают применение наиболее интенсивных технологических процессов.

При компоновке линии, агрегата, машины выбирают оптимальный вариант технологического процесса, транспортные и перегружающие устройства, планировку и т. д. Все эти вопросы решают так, чтобы при соблюдении всех требований к качеству продукции издержки производства были наименьшими, а оборудование имело высокие техникоэкономические показатели.

Основной характеристикой работы поточной линии, агрегата, машины или устройства является их производительность, под которой понимают количество (массовое, объемное, штучное) продукции, полученное в единицу времени. При выполнении курсовых и дипломного проектов эта задача приобретает особо важное значение, так как в этом случае студент имеет дело с реальной темой, заданием которой является конкретная разработка объекта или его существенная модернизация. Часто этот объект непосредственно связан с действующим производством в одной из отраслей пищевой промышленности, являясь составной частью определенного производственного цикла, выполняя определенную функцию в общем технологическом процессе. При этом проектируемый объект, как правило, тесно связан технологически или кинематически с другим оборудованием, и их общее взаимодействие позволяет производить качественную продукцию в заданном количестве.

39

Производительность проектируемого объекта должна быть выше фактической (номинальной) производительности поточной линии, где устанавливается этот объект.

Если не учесть при проектировании эксплуатационные потери, то заданная выработка продукции на том производственном участке, где устанавливается проектируемый объект, фактически не будет достигнута. Таким образом, производительность П, на которую должен быть рассчитан проектируемый объект, определяют следующим образом:

ПGT GП ,

В Э

где GT – требуемое количество продукции (массовое, объемное или штучное, шт.); ΣGП – сумма возможных потерь продукции (кг, м3, шт.); τВ – время выдачи продукции (с, мин, ч); ΣτЭ – эксплуатационные потери времени.

1. Определение основных конструктивных параметров оборудования

Определение основных конструктивных параметров проектируемого объекта (вместимости, емкости, рабочих объемов, размеров отдельных элементов конструкции и т. д.) в значительной степени зависит от принципа его работы: является ли объект машиной или устройством периодического или непрерывного действия, выдает готовую продукцию на своей стадии технологического процесса в виде отдельных порций (доз, поштучно) или в виде непрерывного потока.

В первом случае конструктивные параметры зависят как от величины производительности и времени обработки продукта, так и от времени загрузки и выгрузки. Во втором случае время загрузки и время выгрузки не учитывают, так как они совмещены с обработкой продукта, но при этом должна быть известна (задана или найдена) скорость потока продукта.

Для определения конструктивных параметров обычно используют величину объемной производительности W (м3/с), которую находят из отношения:

W = G/ρ,

где G – массовая производительность (т. е. производительность по массе продукта, выданной в единицу времени), кг/с; ρ – плотность или насыпная масса продукта, кг/м3.

Зная объемную производительность W и суммарное время, затраченное на загрузку, обработку и выгрузку определенной рабочей емкости объекта, находят вместимость V (м3) этой емкости:

V=WΣτ.

40