Технологические основы химического и пищевого машиностроения

Тема 1 Основы обработки материалов и ее себестоимость

Л.1

Основные понятия и определения по курсу

План:

Введение

1. Основные понятия и определения

2. Основные типы производства

Введение

Человеку для его существования необходимы материальные и культурные блага. Источниками их получения являются предметы природы и человеческого труда. Природа предоставляет в распоряжение человека ничтожно малое количество предметов, которые можно использовать непосредственно, без приложения труда. Поэтому человеку приходится почти всегда затрачивать труд, чтобы путем качественного превращения приспосабливать предметы природы для удовлетворения своих потребностей.

Качественное изменение предметов природы, осуществляемое человеком, получило название технологического процесса.

Осуществляя технологический процесс, человек ставит перед собой две задачи:

1) получить изделие, которое удовлетворяло бы его потребность;

2) затратить при этом меньше труда.

Отрасль науки, занимающаяся изучением закономерностей, действующих в процессе изготовления машин и аппаратов, с целью использования этих закономерностей для обеспечения требуемого качества машин и наименьшей их себестоимости, называется технологией машиностроения.

Вот некоторые главные этапы пути развития и совершенствования технологии машиностроения. Еще в Киевской Руси в ХІ веке ремесленники изготовляли оружие в достаточном количестве для вооружения княжеских дружин. В прошлом технология машиностроения получила наибольшее развитие в оружейных мастерских – знаменитая «Царь-пушка», отлитая и изготовленная Андреем Чоховым в 1586г.

В 1615г. в России была изготовлена первая пушка с нарезным стволом. В 1632г. около Тулы были построены заводы для изготовления стволов орудий с применением сверления и растачивания. Мастер Иван Моторин отлил “Царь-колокол” весом 200 т. В эпоху Петра I русский умелец А.К. Нартов впервые в истории машиностроения построил токарный станок с механическим суппортом. В 1761 году впервые в мире было разработано и внедрено изготовление взаимозаменяемых деталей и их измерение при помощи калибров. В 1765 году И.И. Ползунов (1729-1766) и его сподвижники построили первую в мире паровую машину. М.В. Ломоносовым созданы оригинальные станки для шлифования оптических линз.

Накопленный опыт был впервые описан профессором Московского университета И. Двигубским, в 1807г. вышла в свет его книга “Начальные основы технологии или краткое описание работ, на заводах и фабриках производимых”.

В создание технологии машиностроения крупный вклад внесли профессора Л.И. Соколовский, А.М. Каширин, Б.С. Балакшин, В.М. Кован, М.Е. Егоров и др. Эти ученые разработали теоретические основы технологии машиностроения, вопросы точности обработки деталей и жесткости системы станок – приспособление – инструмент – деталь, теорию размерных цепей, типизацию технологических процессов и др.

В тридцатые годы в учебные программы наших вузов впервые были включены новые дисциплины “Технология автомобилестроения”, “Технология тракторостроения”, “Технология станкостроения”. Дальнейшая работа по формированию технологии машиностроения привела к делению дисциплины на две части: 1) Основы технологии машиностроения; 2) Специальная часть технологии машиностроения. В первой части курса излагаются общие вопросы для всех отраслей машиностроения. Во второй – вопросы, специфические для данной отрасли машиностроения, касающиеся главным образом изготовления основных деталей машин и аппаратов, их сборки и ремонта.

В соответствии с этим построение курса технологии химического и пищевого машиностроения базируется на следующих основных положениях:

1. изучение требований к качеству, которым должна обладать готовая машины или аппарат;

2. технологические основы снижения себестоимости и увеличения производительности машин и аппаратов;

3. изучение методов разработки технологических процессов изготовления основных деталей аппаратов, их сборки и ремонта.

Технологические процессы изготовления аппаратов и машин охватывают почти все виды обработки материалов: правку, разметку и раскрой, все виды резки, горячую и холодную обработку методами давления, гибку и вальцовку, штамповку и обкатку, обработку резанием, способы получения отверстий, сварку, пайку и пр.

Химическое оборудование работает в широком диапазоне температур и давлений. Например: получение кислорода осуществляется при температуре –183-196С, а получение карбида кальция при +3000С. Эти аппараты выдерживают давление до 250 МПа (процессы синтеза) и глубокий вакуум (получение многих чистых веществ). Многие химические вещества обладают сильным агрессивным воздействием на аппараты. Эти условия работы оборудования накладывают определенные требования к материалам и технологии изготовления.

Химическое машиностроение обеспечивает проектирование, изготовление и поставку основного оборудования для таких отраслей народного хозяйства, как химическая и нефтехимическая, нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая, газовая, целлюлозно-бумажная и микробиологическая, пищевая и многие другие отрасли. Кроме того, продукция химического машиностроения широко применяется для оснащения технологических процессов в черной металлургии, энергетике, сельском хозяйстве и других отраслях.

Большие задачи стоят перед народным хозяйством страны. В их решении многое зависит от успешной работы отрасли химического машиностроения. Решить эти задачи возможно лишь при внедрении и углублении прогрессивных технологий и рациональной организации производства, создании новых мощностей и улучшении работы существующих предприятий, расширения кооперирования и концентрации производства путем организации объединений и ликвидации лишних звеньев в производстве и управлении.

УАТТ, ДЖЕЙМС (Watt, James, 1736-1819), шотландский инженер и изобретатель. Родился 19 января 1736г. в Гриноке, близ Глазго (Шотландия), в семье купца. Первая машина Уатта оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена. Интересно, что в основе разработок, следовавших за исходным изобретением Ньюкомена, лежало понятие “производительности” двигателя, что означало число фунтов воды, которое закачивалось на бушель угля. Кому принадлежала идея этой единицы, теперь не известно. Этот человек не вошёл в историю науки, но, наверное, это был какой-нибудь прижимистый владелец шахты, который замечал, что некоторые двигатели работали более эффективно, чем другие, и не мог допустить того, чтобы на соседней шахте была большая норма выработки.

И хотя испытания машины прошли успешно, в ходе её дальнейшей эксплуатации стало ясно, что первая модель Уатта оказалась не совсем удачной, и сотрудничество с Ребеком прервалось. Несмотря на нехватку средств, Уатт продолжал работать над усовершенствованием паровой машины. Его работы заинтересовали Мэтью Боултона (Matthew Boulton), инженера и богатого фабриканта, владельца металлообрабатывающего завода в местечке Сохо под Бирмингемом. В 1775г. Уатт и Боултон заключили соглашение о партнерстве. В 1781г. Джеймс Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины. Среди новшеств, внесённых в неё и в последующие модели, были:

• цилиндр двойного действия, в котором пар подавался попеременно по разные стороны от поршня, при этом отработанный пар поступал в конденсатор;

• жаровая рубашка, окружавшая рабочий цилиндр для снижения тепловых потерь, и золотник;

• 

  Рис. 1 – Принцип работы последних моделей паровых машин Джеймса Уатта

  преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала сначала посредством шатунно-кривошипного механизма, а затем с помощью шестеренчатой передачи, явившейся прообразом планетарного редуктора;

• центробежный регулятор для поддержания постоянства числа оборотов вала и маховик для уменьшения неравномерности вращения.

В 1782г. эта замечательная машина, первая универсальная паровая машина «двойного действия», была построена. Крышку цилиндра Уатт оснастил изобретенным незадолго до того сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня, но предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой, создавая вакуум с противоположной стороны цилиндра. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах.

Кроме того, в 1782г. Джеймс Уатт ввел принцип расширительного действия, разделяя поток пара в цилиндре в начале его течения так, что он начинал расширяться остальную часть цикла под своим собственным давлением. Расширительное действие означает некоторую потерю в мощности, но выигрыш в «производительности». Из всех этих идей Уатта самой полезной была идея расширительного действия. В дальнейшем её практическом внедрении очень помогла индикаторная диаграмма, созданная около 1790 г. помощником Уатта Джеймсом Саузерном. Индикатор был самопишущим устройством, который можно было присоединять к двигателю для того, чтобы отмечать давление в цилиндре в зависимости от объема пара, поступающего за данный такт. Площадь под такой кривой была мерой работы, проделанной за данный такт. Индикатор использовали для того, чтобы максимально эффективно настроить двигатель. Эта самая диаграмма впоследствии стала частью знаменитого цикла Карно (Сади Карно, 1796-1832) в теоретической термодинамике. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара.

Рис. 2 – Работа цилиндра «двойного действия»

Универсальный паровой двигатель двойного действия с непрерывным вращением (паровая машина Уатта) получил широкое распространение и сыграл значительную роль в переходе к машинному производству. Запатентованная Джеймсом Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Это привело к резкому повышению производительности труда. Именно с этого момента англичане отсчитывают начало большой промышленной революции, которая вывела Англию на лидирующее положение в мире.

Двигатель Джеймса Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов. Так паровая машина пришла на транспорт (пароход Фултона, 1807г.; паровоз Стефенсона, 1815г.). Благодаря преимуществу в средствах передвижения Англия стала ведущей державой мира. В 1785г. Уатт запатентовал изобретение новой топки котла, и в этом же году одна из машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Диаметр ее цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика достигал 4,27 м. Машина сохранилась до наших дней, и сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском музее «Пауэрхауз».

Компания «Боултон и Уатт», созданная в 1775г., испытала на себе все превратности судьбы, от падения спроса на её продукцию до защиты своих изобретательских прав в судах. Однако с 1783 дела этой компании, монополизировавшей производство паровых машин, пошли в гору. Так Джеймс Уатт стал очень обеспеченным человеком, и помощь «Пневматическому медицинскому институту» Томаса Беддо (Beddoes, Thomas, 1760-1808), с которым он начал сотрудничество в это время, Уатт оказывал весьма и весьма существенную. Не смотря на бурную деятельность по созданию паровых двигателей, Уатт вышел в отставку с занимаемой им должности в университете Глазго только в 1800г. Через 8 лет после своей отставки он учредил «Приз Уатта» для лучших студентов и преподавателей университета. Университетская техническая лаборатория, в которой он начинал свою деятельность, стала носить его имя. Имя Джеймса Уатта носит и колледж в Гриноке (Шотландия), родном городе изобретателя. Интересно, что в свое время в качестве единицы мощности Уатт предложил такую единицу, как «лошадиная сила». Эта единица измерения дожила и до наших дней. Но в Англии, где Уатта почитают как пионера промышленной революции, решили иначе. В 1882г. Британская ассоциация инженеров решила присвоить его имя единице мощности. Теперь имя Джеймса Уатта можно прочесть на любой электрической лампочке. Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения. С этого случая и началась традиция присвоения собственных имен единицам измерения.