Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчёт и проектирование технологического оборудования. Учебное пособие.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
В. Я. БОРЩЕВ, М. А. ПРОМТОВ
РАСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Утверждено Учёным советом университета в качестве учебного пособия
для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям подготовки
18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии,
нефтехимии и биотехнологии», 20.03.01 «Техносферная безопасность»,
21.03.01 «Нефтегазовое дело»
Учебное электронное издание
Тамбов
Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2018
1
УДК 502.3(075.8)
ББК 839.ж.н6я73
Б84
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор,
главный научный сотрудник ФГБНУ ВНИИТиН
С. Н. Сазонов
Доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Техника и технология производства
нанопродуктов» ФГБОУ ВО «ТГТУ»
А. Г. Ткачев
Б84
Борщев, В. Я.
Расчёт и проектирование технологического оборудования [Электронный ресурс] : учебное пособие / В. Я. Борщев, М. А. Промтов. – Тамбов :
Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2018. – 1 электрон. опт. диск
(CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ;
CD-ROM-дисковод ;
рана.
с эк
26,5 Mb ; RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл.
ISBN 978-5-8265-1967-7
Изложены основные положения, позволяющие ввести студента в круг проблем, связанных с расчётом и проектированием элементов технологического оборудования. Дисциплина знакомит студента с элементами конструирования технологического оборудования химических производств.
Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям подготовки 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической
технологии, нефтехимии и биотехнологии»
ность», 21.03.01 «Нефтегазовое дело».
, 20.03.01 «Техносферная безопас-
УДК 502.3(075.8)
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
ISBN 978-5-8265-1967-7
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2018
ББК 839.ж.н6я73
2
ВВЕДЕНИЕ
Развитие промышленности основывается на проектировании и разработке
нового оборудования, удовлетворяющего современным требованиям по технологичности изготовления, эксплуатационным характеристикам и полифункциональности при решении производственных задач. Какими бы не были сложными машины, аппараты и агрегаты, основная часть этих устройств представляет собой апробированные и стандартизованные элементы, детали и узлы.
Тем не менее пр
даже одной детали требует расчёта и изменения конструкции зависимых от её
характеристик деталей. Поэтому для специалиста по разработке или эксплуатации технологического оборудования важно владеть знаниями, умениями и
навыками по расчёту и проектированию как стандартных, так и нестандартных
элементов технологического оборудования.
Настоящее учебное пособие напр
расширение знаний студентов по расчёту и конструированию элементов технологического оборудования. Эти знания и навыки необходимы студентам в их
дальнейшей производственной деятельности при выполнении расчётов различных элементов технологического оборудования.
Учебное пособие позволит получить необходимые теоретические знания и
приобрести практические навыки в решении инженерных задач по раз
нового и совершенствованию существующего технологического оборудования,
анализу образцов элементов технологического оборудования по функциональным возможностям, надёжности, ремонтопригодности, эксплуатационным
затратам с учётом требований к энергетическим, массогабаритным, прочностным, технологическим, эксплуатационным и другим характеристикам.
В учебном пособии излагаются особенности расчёта и конструирования
типовых элементов технологического оборудования, применяемого в химической, нефтехимической, не
мышленности. В каждом разделе пособия приведены назначение, подробное
описание и конструкция соответствующих элементов технологического оборудования, а также расчётные зависимости. В учебном издании обобщены сведения, полученные при изучении многих общеобразовательных и общетехнических дисциплин, предшествующих специальным дисциплинам.
В процессе изучения курса «Расчёт и проектирование элементов техн
гического оборудования» студенты должны овладеть следующими компетенциями:
– ПКВ-7 – способность решать инженерно-технические задачи в области
проектирования и расчёта технологического оборудования;
– ПКВ-8 – способность проектировать отдельные узлы технологического
оборудования с использованием автоматизированных прикладных программ.
и проектировании технологического оборудования изменение
авлено на формирование, углубление и
работке
фтегазоперерабатывающей и смежных отраслях про-
оло-
3
1. КОНСТРУИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
1.1. ЗАДАЧИ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Основной задачей конструктора является разработка машин, которые полностью удовлетворяют потребности народного хозяйства, обеспечивают максимальный экономический эффект и имеют высокие технико-экономические и
эксплуатационные показатели, а также характеризуются конкурентоспособностью на внутреннем и внешнем рынках.
Эффективность технологических машин характеризуется высокой производительностью, экономичностью, прочностью, надёжностью, малой массой и
металлоёмкостью, минимальными габар
итами, энергоёмкостью, объёмом и
стоимостью ремонтных работ, расходами на оплату труда рабочих, высоким
техническим ресурсом и степенью автоматизации, простотой и безопасностью
обслуживания, удобством управления, сборки и разборки.
В процессе проектирования машины конструктор должен стремиться увеличивать её рентабельность и повышать экономический эффект за весь период
эксплуатации.
1.2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАШИНАХ
В современном производстве используется большое разнообразие высокоэффективных машин.
Под машиной понимают механическое устройство, которое предназначено
для выполнения конкретной работы, связано с процессом производства или
транспортирования или же с процессом преобразования энергии, движения или
информации.
Использование машин способствует повышению производительности труда, облегчению физического и умственного труда людей и т.д.
В зависимост
и от характера рабочего процесса и назначения различают
следующие классы машин.
1. Энергетические машины служат для преобразования энергии (электрической, тепловой и т.п.) в механическую работу и наоборот. К этим машинам относятся машины-двигатели (электродвигатели, тепловые и ядерные двигатели и т.п.)
и машины-преобразователи (компрессоры, электрические генераторы и др.).
2. Техн
ологические машины предназначены для выполнения производственных процессов, в которых происходит изменение формы, свойств и положения перерабатываемых материалов (отраслевые машины, например металлорежущие и ткацкие станки, сельскохозяйственные машины, машины для измельчения твёрдых материалов, грохоты, смесители и т.п.).
3. Транспортные машины служат для перемещения объектов труда.
формационные (электронно-вычислительные) машины предназначены
4. Ин
для преобразования информации для контроля, регулирования и управления технологическими процессами (вычислительные, кибернетические машины и др.).
Машина, преобразующая энергию (материал и информацию) без прямого
участия оператора, называется машиной-автоматом. Совокупность машин-
4
автоматов, которые соединены между собой автоматическими транспортными
устройствами, управляемые единой системой управления и предназначенные
для выполнения конкретного технологического процесса, составляет автоматическую линию.
Механизмы и их назначение. Механизмом называется часть машины,
реализующая рабочий процесс путём выполнения определённых механических
движений.
Основные функции механизма заключаются в передаче энергии от источ-
ника, например двигателя, к одн
ому или нескольким рабочим органам машины;
преобразовании и регулировании механического движения; заданной компоновке машины.
Деталью называется изделие, которое изготавливается из однородного по
наименованию и марке материала, При этом сборочные операции не применяются. Примерами деталей являются: валик из одного куска материала, литой
корпус; пластина из биметаллического листа и т.д. При изго
товлении детали
могут применяться сварка, пайка, склеивание и т.д. (трубка паянная или сваренная из одного куска листового материала, коробка, склеенная из одного куска
картона). Детали могут иметь защитное или декоративное покрытие.
Изделием называется предмет производства (или набор предметов), кото-
рый изготавливается на предприятии.
По назначению выделяют изделия осн
овного и вспомогательного произ-
водства.
Изделиями основного производства являются изделия, которые предназначены для реализации, а изделиями вспомогательного производства – изделия,
которые служат только для удовлетворения нужд предприятия.
Различают следующие типы изделий: детали, сборочные единицы, комплексы, комплекты.
Сборочной единицей называется изделие, составные части которого соеди-
няют между собой на предприятии-изгото
вителе с помощью сборочных операций (свинчивание, сочленение, клепка, сварка, пайка, опрессовка и т.д.). Примерами сборочных единиц являются станок, редуктор, сварной корпус и др.
Комплекс состоит из двух или более специфицированных изделий, которые
не соединяются на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но служат для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций (авт
омати-
ческая телефонная станция, бурильная установка и т.п.).
Комплект состоит из двух или более изделий, которые не соединяют на
предприятии-изготовителе сборочными операциями, и представляет собой набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного
характера (комплект запасных частей, комплект инструмента и т.д.).
1.3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАШИНАМ И МЕХАНИЗМАМ
К основным характеристикам машин относятся: назначение и область
применения, способ управления, мощность и производительность, коэффициент
полезного действия, масса, габаритные размеры, стоимость и др.
5
Основные характеристики машин приводят в техническом паспорте.
К машинам и механизмам предъявляют следующие требования: работоспособность; надёжность; технологичность; экономичность; эргономичность.
Под работоспособностью понимают состояние машин и механизмов, при
котором обеспечивается нормальное выполнение заданных функций с параметрами, определёнными нормативно-технической документацией (техническими
условиями, стандартами и т.п.).
Надёжность изделия – это его свойст
во выполнять заданные функции при
сохранении во времени значений установленных параметров эксплуатации
в определённых пределах, которые соответствуют заданным режимам в рабочих
условиях, техническом обслуживании, ремонте, хранении и транспортировании.
Надёжность изделия определяется необходимой наработкой, которая
может выражаться в часах работы станка, технологического оборудования
и т.д., в километрах пробега автомобиля и т.д. На надёжно
сть влияют все этапы
разработки и эксплуатации изделий. Ошибки, допущенные при проектировании,
в процессе производства, упаковки, транспортировки и эксплуатации изделия
оказывают существенное влияние на его надёжность.
Основными свойствами, определяющими надёжность изделий, являются
безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.
Безотказностью называется свойство изделия быть работоспособным
в течение заданной наработки без вынуж
денных перерывов.
Под долговечностью понимают свойство изделия сохранять работоспособность до критического состояния с необходимыми перерывами для ремонтов и
технического обслуживания.
Ремонтопригодностью называется пригодность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и поломок с помощью технического
обслуживания и ремонта.
Под сохраняемостью понимают свойство изделия сохранять необходимые
эксплуатационные показатели после заданного срока х
ранения и транспортиро-
вания.
Надёжность деталей машин в значительной степени определяется запасами
по основным критериям работоспособности. Кроме того, надёжность сильно
зависит от качества изготовления, изменяющего ресурс в несколько раз.
Полная или частичная утрата работоспособности изделий называется отказом. Различают отказы, связанные с разрушением деталей или их поверхностей
(поломки, износ, ко
ррозия) или не связанные с разрушением (ослабление
соединений). Отказы могут быть полными и частичными; внезапными (например, поломки) и постепенными (изнашивание, коррозия и др.); опасными
для жизни человека, тяжёлыми и лёгкими; устранимыми и неустранимыми.
По времени возникновения различают отказы приработочные (возникают
в начальный период эксплуатации и вызваны отсутствием приработки и наличием в сборк
е бракованных деталей); отказы при нормальной эксплуатации
(до наступления износовых отказов) и износовые отказы.
Основной показатель безотказности – это вероятность безотказной работы в течение заданного времени или заданной наработки. Экспериментально
этот показатель оценивается отношением числа образцов, которые сохранили
6
работоспособность, к общему числу испытанных образцов, если последнее достаточно велико.
Технологичностью называют комплекс признаков, которые обеспечивают
максимально экономичное, быстрое и качественное изготовление оборудования
с помощью современных способов обработки. Под технологичностью также
понимают технологичность сборки и технологичность ремонта оборудования.
На технологичность оказывают влияние масштаб и тип производства (единичное, мелкосерийное, крупносерийное и ма
ссовое).
Экономичность оценивают с учётом затрат на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт. Экономичность оборудования обеспечивается за
счёт уменьшения металло-, энерго- и трудоёмкости производства, а также максимального коэффициента полезного действия в процессе эксплуатации и т.д.
1.4. СЛУЖЕБНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Большое влияние на формирование качества разрабатываемого оборудования имеет точность формулировки его служебного назначения.
Служебное назначение оборудования – это максимально уточнённая и корректно сформулированная технологическая задача, для решения которой оно
предназначается.
В служебном назначении технологического оборудования должно находить отражение как производственная необходимость его создания, так и учитываться современный уровень и сост
ояние научно-технических разработок
в данной отрасли промышленности. Качество описания служебного назначения
напрямую влияет на качество разрабатываемого оборудования.
В формулировке служебного назначения должна выражаться не только
общая задача, решаемая проектируемым оборудованием, но и все специальные
условия и требования, уточняющие и конкретизирующие эту задачу.
В оборудовании реализуется определённый технологический процесс.
Вследствие это
го перед формулированием служебного назначения оборудова-
ния следует проанализировать этот рабочий процесс.
Под технологическим процессом, который реализуется в оборудовании,
понимается совокупность последовательных действий, нацеленных на достижение конкретного результата. Для технологического процесса характерно его
развитие в постоянно изменяющихся условиях.
Качественное изучение технологического процесса предполагает рассмотрение четырёх аспектов:
• вид исхо
дного продукта и причины изменчивости его качества;
• тип энергии и её количественные характеристики;
• параметры, влияющие на внешнюю среду;
• сущность изменений состояния оборудования.
Основным источником исходных данных для проектирования оборудования является в основном описание технологического процесса. При этом описание может основываться или на описании аналогичного процесса или же он
разрабатывается вновь.
о
7
Любой технологический процесс, как правило, характеризуется какимилибо случайными отклонениями его параметров от установленных. В частности, могут изменяться следующие факторы: качество исходного материала; вид
и пределы изменения количества подводимой энергии; внешние условия
(температура, влажность, запылённость воздуха и т.д.).
В формулировке служебного назначения оборудования необходимо приводить подробную характеристику производимой п
родукции: вид, размеры, качество, количество. Кроме того, формулировка должна содержать показатели
производительности, а также требования по долговечности и надёжности
оборудования.
В формулировке служебного назначения необходимо излагать условия
размещения и эксплуатации оборудования для производства продукции необходимого качества в требуемых объёмах. К условиям работы относятся режим
работы, параметры окружающей среды и др. Их значения берутс
я из описания
технологического процесса.
В формулировку служебного назначения оборудования добавляют также
информацию по требованиям к внешнему виду, величине шума, степени механизации и т.п.
1.5. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Важнейшим документом, определяющим служебное назначение изделия,
являются технические условия (ТУ). Технические условия являются составной
частью технической документации на оборудование. Они содержат требования
к оборудованию, к его изготовлению, контролю, приёмке, поставке, а также те,
которые нецелесообразно указывать в конструкторской или другой технической
документации.
ТУ состоят из технических требований: правил приёмки, методов контроля
(испытаний, анализа, измер
ений), транспортирования и хранения, указаний
по эксплуатации (применению), гарантий поставщика.
ТУ и служебное назначение изделия тесно взаимосвязаны. Существует
ГОСТ на ТУ, являющийся нормативным документом. В ГОСТе обобщены,
унифицированы и узаконены все сведения по их разработке на различные
изделия.
Во вводной части ТУ содержится характеристика объекта, в котором применяется дан
ная продукция, общая характеристика области использования
и условия эксплуатации продукции (на открытом воздухе и т.п.).
Раздел «Технические требования» содержит требования, которые определяют параметры качества и эксплуатационные свойства продукции. Параметры
и свойства продукции следует приводить применительно к условиям и режимам
эксплуатации и испытаний.
В зависимости от типа и служебного назначения пр
одукции соответствующие ТУ должны содержать требования к качеству, которым продукция
должна отвечать.
8
2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И ОСВОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
2.1. ФАЗЫ ОПЫТНО-КОНСТРУКТОРСКОЙ РАБОТЫ
Перед разработкой новой техники проводится большой объём предварительной работы, включающей научные исследования, научное прогнозирование, патентный поиск, технико-экономические расчёты, расчёт технологических
возможностей предприятия, оценка конъюнктуры рынка как внутри страны, так
и за рубежом и др.
Под новой техникой понимают впервые используемые в промышленности
результаты научных исследований и прикладных разработок, бази
рующиеся на
изобретениях и научно-технических достижениях, а также новые, более эффективные технологические процессы, орудия и предметы труда, которые обеспечивают высокие технико-экономические показатели производства.
Опытно-конструкторской работой (ОКР) называется процесс разработки одного или нескольких вариантов изделия. ОКР состоит из конструкторских
разработок, включающий большой объём расчётно-экспериментальных иссле-
ваний, изготовление опытных образцов оборудования и их тщательную
до
экспериментальную проверку и отработку в процессе освоения промышленного
производства.
Содержание ОКР зависит от вида и назначения проектируемого оборудования, сложности и новизны его конструкции, способов изготовления и применения его в условиях эксплуатации.
ОКР состоит, как правило, из трёх фаз.
Первая фаза з
аключается в формулировании цели (разработке технического задания). Здесь происходит осмысление конструкции путём сопоставления и
анализа данных производственного опыта и результатов научно-исследовательских работ и потребностей потребителей и формирование предварительного варианта объекта разработки, его отличительных признаков.
Вторая фаза заключается в информационном моделировании продукции,
т.е. в разработке проектной конструкторской до
кументации: технического
предложения, эскизного и технического проектов. Здесь на основе данных технического задания и практического опыты углубляются знания об объекте разработки.
Третья фаза состоит в материальном воплощении конструкторской идеи
(разработке рабочей конструкторской документации опытного образца или партии). Здесь в процессе изготовления и экспериментального исследования натурных образцов изделия во вр
емя освоения его производства сопоставляют опытные данные с техническим заданием и документацией на него и вносят необходимые уточнения в эту документацию.
Важнейшая задача ОКР заключается в обеспечении и поддержании качества проектируемого объекта на современном техническом уровне и максимально
возможном сокращении сроков изготовления и освоения нового изде
лия.
9
2.2. СТАДИИ И ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ
КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
Конструирование машин является творческим процессом, имеющим свойственные ему закономерности построения и развития. Основными особенностями данного процесса являются многовариантность решения, необходимость
согласовывания принимаемых решений с общими и специфическими требованиями, которые предъявляются к конструкциям, а также с требованиями соответствующих ГОСТов, которые регламентируют термины, определения, условные обозначения, систему измерений, ме
тоды расчёта и т.п.
Изготовление деталей, узлов, машин осуществляют по чертежам, которые
выполняют на основе проектов. Под проектом понимается совокупность расчётных и графических материалов, на основании которых проводится обоснование и определение параметров конструкции (кинематических, динамических,
геометрических и др.), её производительность, экономическая эффективность.
Для особо ответственных конструкций в проекте раз
рабатываются макет или
действующая модель.
В соответствии с ГОСТ 2.102–2013 «Единая система конструкторской
документации (ЕСКД). Виды и комплектность конструкторских документов»
к основным конструкторским документам относятся графические и текстовые
документы. В соответствии с ними определяется состав и устройство изделия,
необходимые данные по его разработке или изготовлению, контролю, приёмке,
эксплуатации и ремонту.
В зависимости от стадии разработки различают проектные (техническое
предложение, эскизный проект и технический проект) и рабочие (рабочая документация) конструкторские документы.
Перечень конструкторских документов, которые разрабатываются на изделие, зависит от двух факторов:
1) вида изделия по ГОСТ 2.101–2016 (деталь, сборочная единица, ком-
плекс, комплект);
2) стадии разработки конструкторской документации (тех
нического пред-
ложения, эскизного проекта, технического проекта, рабочей документации).
Стадии разработки конструкторской документации и этапы работ определены стандартом.
Первая стадия называется «Разработка технического задания», т.е. доку-
мента, который содержит следующие разделы: наименование, основное назначение, технические требования, показатели качества, экономические показатели
и специальные требования заказчика к изделию.
Разработку технического за
дания осуществляют в соответствии с требованиями заказчика. При этом учитываются достижения и технический уровень
отечественных и зарубежных конструкций, результаты патентного поиска,
а также научно-исследовательских работ и научного прогноза.
Вторая стадия – «Разработка технического предложения» – заключается
в создании конструкторских документов, содержащих технические и техникоэкономические обоснования целесообразности конструирования нового обору-
вания. При этом анализируется техническое задание заказчика и различные
до
10