Лекция 1 цель крам
| Вид материала | Лекция |
- «Социальная стратификация и социальная мобильность», 46.19kb.
- Лекция 1 курса «Методы автоматизации тестирования» Цель (ознакомительная), 139.21kb.
- Лекции и семинары проблемная лекция, 45.27kb.
- Первая лекция. Введение 6 Вторая лекция, 30.95kb.
- Петр Валентинович Турчин один из сильнейших специалистов в мире по популяционной динамике,, 156.73kb.
- Лекция Сионизм в оценке Торы Лекция Государство Израиль испытание на прочность, 2876.59kb.
- Лекция Алгоритмы и ЭВМ, 52.08kb.
- Теоретический курс Лекция 1 Основные термины и понятия, используемые в рамках проекта, 61.41kb.
- Урок 2 (лекция). Тема. , 46.88kb.
- Лекция Обеспечение качества товаров и услуг как основная цель деятельности по стандартизации,, 2426.08kb.
Лекция 1
ЦЕЛЬ КРАМ:
Изучение методов расчета и конструирования наиболее распространенных (типовых) деталей и сборочных единиц машиностроительного оборудования с учетом высокой механической надежности , конструктивного совершенства и требований техники безопасности.
ЗАДАЧА КРАМ:
1. Основные требования, предъявляемые к конструкциям аппаратов и машин;
2. Факторы, определяющие конструкцию основных деталей и сборочных единиц;
3. Поведение основных конструкционных материалов в зависимости от условий работы;
4. Современные методы расчета оборудования, обеспечивающие ему требуемую механическую надежность.
^ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ И КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКИ:
1. Высокие давления и вакуум;
2. Воздействие низких температур;
3. Воздействие агрессивных сред.
Машины и установки холодильного и криогенного машиностроения представляют собой сложную техническую систему, состоящую из большого числа элементов.
При проектировании машины или аппарата применяют блочно-иерархический метод, т.е. задача создания нового оборудования делится на несколько задач меньшей сложности.
Иерархические уровни по видам изделий (ГОСТ 2.101.-68)
Деталь.
Сборочные единицы.
Комплексы.
Комплекты.
^ ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1. Стадия НИР (научно-исследовательские работы)- стадия предпроектных исследований, технического задания и технического предложения. Сводится к формулировке технического задания (ТЗ).
2. Стадия ОКР (опытно-конструкторские работы) - стадия эскизного проекта. Проверяется корректность и реализуемость основных принципов и положений будущего проекта. Конечная цель- создание эскизного проекта.
3. Стадия ТП (технического проекта)- стадия всесторонней проработке всех частей проекта, конкретизируется и детализируется технические решения.
4. Стадия РП (рабочего проекта)- стадия формирования всей необходимой документации для изготовления изделия. 5. Создание и испытание опытного образца.
6. Внедрение в промышленность.
^ ТРЕБОВАНИЯ,ПРЕЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНСТРУКЦИИ
1. Назначение - характеризует функциональные свойства оборудования и определяет назначение машины и аппарата.
2. Технологичность- характеризует свойства изделия, обладающие оптимальным распределением затрат материалов, средств труда и времени при технологической подготовке производства, изготовления и эксплуатации изделия.
3. Надежность и безопасность эксплуатации. Надежность- это свойство объекта сохранять во времени и в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки.
4. Экономичность.
5. Эргономичность.
6. Эстетичность.
7. Патентоспособность
8. Максимальная стандартизация и унификация.
Коэффициент стандартизации - отношение числа стандартных изделий к общему числу.
9. Транспортабельность- возможность перемещения изделия в пространстве
^ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТПЦИЯ
Для того, чтобы обеспечить высокое качество создаваемых изделий, необходимо использовать единую нормативно-техническую документацию.
1. ЕСКД- единая система конструкторской документации
ЕСТД- единая система технологической документации
ЕСДП- единая система допусков и посадок
ЕСЗКС- единая система защиты от коррозии и старения материалов и изделий
ССБТ- система стандартов безопасности труда.
2. Система стандартов СТ СЭВ, ГОСТ,
ОСТ- отраслевые стандарты
СТП- стандарты предприятия
ТУ- технические условия на разрабатываемую продукцию.
3. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (Правила ГОСГОРТЕХНАДЗОРА).
ГОСГОРТЕХНАДЗОР- инспекционный орган по безопасному проведению работ в промышленности
Данные правила распространяются на:
1. сосуды и аппараты, работающие под избыточным давлением более 0,07 МПа без учета гидростатического давления;
2. цилиндры для перевозки сжиженных газов, давление паров которых при температуре ниже 50оС больше 0,07 МПа;
3. баллоны, предназначенные для перевозки и хранения сжатых сжиженных газов, под давлением свыше 0,07 МПа.
Требования к сосудам:
1.сосуд должен иметь люки для осмотра, продувки и ремонта;
2.сварные швы аппарата должны быть только стыковые;
3.аппарат должен подвергаться пробным гидравлическим испытаниям.
4. СниП - строительные нормы и правила. Регламентируются размещением оборудования по цеху
^ ОБОЗНАЧЕНИЯ ИСПОЛНЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ
1. Учет района работы:
У - район с умеренным климатом
УХЛ - район с умеренным и холодным климатом
Т - тропическое исполнение
О - общеклиматическое исполнение ( кроме районов с очень холодным климатом)
В - всеклиматическое исполнение
2. Учет места размещения оборудования
1 - эксплуатация на открытом воздухе;
2 - эксплуатация под навесом, в палатках, кузовах
3 - эксплуатация в закрытых помещениях с естественной вентиляцией;
4 - эксплуатация в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями;
5 - для эксплуатации в помещениях с повышенной влажностью.
Габариты оборудования, перевозимого на железнодорожном транспорте должны соответствовать ГОСТ 9238-73
| ТРАНСПОРТАБЕЛЬНОСТЬ | |||||
| М, т | 400 | 240 | 120 | 120 | 120 |
| D,мм | 4380 | 3900 | 4000 | 3800 | 3200 |
| L,м | 11 | 22 | 21 | 37 | 48 |
M- масса; D - диаметр; L- длина.
Для перевозки оборудования водным и специальным автомобильным транспортом ограничения менее жесткие.
^ СТАНДАРТИЗАЦИЯ И УНИФИКАЦИЯ
Стандартизация оборудования- это сведение многочисленных видов изделий одинакового функционального назначения к ограниченному числу обязательных образцов.
Стандартизации подвергаются так же нормы и методы расчетов некоторых видов оборудования и их отдельных элементов. Разработаны ГОСТы для наиболее совершенных конструкций машин. Они определяют типы машин, их основные параметры и размеры, технические требования , правила приемки , методы испытаний, требования безопасности и т.п.
Унификация - сокращение:
1. типов и размеров изделий и их элементов
2. сортамента материалов
3. возможность использования одних и тех же элементов в различных агрегатах для выполнения одинаковых функций.
Все это облегчает проектирование и изготовление машин и аппаратов, повышает эффективность их использования.
^ ОСНОВНЫЕ СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕСТАНДАРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Разберем на примере проектирования витого теплообменного аппарата.
1. Технологический расчет - определение основных размеров аппарата или машины
2. Конструктивный расчет- определение основных конструктивных размеров аппарата
Определение длины l , lоп - расстояние между опорами, D - диаметр корпуса, z - число ходов, t - шаг трубы, n - число труб.
3.Прочностной или механический расчет - определение механических характеристик:
3.а - Конструкторский ( проектный ) расчет - производится при разработке нового оборудования;
3.б - Проверочный расчет - проверка прочностных характеристик оборудования.
Основный принцип расчета - производится расчет на наихудшие условия, которые могут возникнуть при монтаже, эксплуатации и ремонте оборудования.
^ ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА
1. Расчет на прочность по допускаемым напряжениям.
Выбираются наиболее опасные сечения детали и в них рассчитываются напряжения. Полученные напряжения сравнивают с допустимыми напряжениями для данного материала.
2. Расчет на жесткость по допускаемым перемещениям. Для машин часто является основным критерием. Например - вал быстро вращающихся роторов турбомашин - его прогиб может привести к быстрому износу подшипников и к опасным вибрациям машины.
3. Расчет на износ. Определяются среднего и максимального удельного давления в контактирующей паре (гидродинамические подшипники, уплотнение поршень-цилиндр). На износ влияют- характер поверхности, величина зазора в контактирующей паре, количество смазки в зазоре.
4. Расчет на вибрацию - расчет вала на критическое число оборотов; расчет подшипника на пороговое число оборотов и на устойчивость.
5. Расчет на термическую устойчивость.
В машинах при повышении температуры изменяются зазоры в подшипниках, нарушается герметичность. В аппаратах и трубопроводах - уменьшается длина при понижении температуры.
Лекция 2
Материалы холодильной и криогенной техники
Холодильная и криогенная техника включает в себя оборудование для:
1. Получения;
2. Хранения;
3. Транспортирования;
4. Газификации.
Криогенная техника предъявляет ряд специфических требований к материалам и требует учета особенностей, характерных для низкотемпературной области работы оборудования.
В изделиях криогенной техники в зависимости от температурно-силовых условий можно выделить 3 типа конструкций:
1. Работающих при статическом нагружении и температурах выше 70оК - практически вся холодильная техника (стационарные емкости для хранения О2, N2, Ar,CH4; ректификационные колонны ВРУ; теплообменники; статически нагруженные трубопроводы; вакуумные камеры с азотными экранами).
2. Работающие при цикличном нагружении и температурах выше 70оК-транспортные емкости и газификаторы; регенераторы.
3. Оборудование, работающее при температурах ниже 70оК и требующее специальных условий эксплуатации- оборудование для гелиевых и водородных ожижителей; сосуды для жидкого водорода и гелия; оборудование для сверхпроводящих устройств.
^ Температурные уровни работы оборудования
1. Теплообменники (Т"300К®повышение 400-500К; рекуперативные 300К®понижение 77К-4 К-0К)
2. Регенераторы (теплообменники) -огромный перепад температур по высоте аппарата /КМ "Филипс"/; большое число выключений -до 2 млн.циклов за период эксплуатации
3. Адсорберы -сордция примесей из газа на твердом носителе (цеонит, силикагель) температура регенерации до 600К
4. Детандеры (поршневые и турбо-)-верхний предел 300К, нижний предел 10-15К; размер пары "поршень-цилиндр" h=70 мм,d=50-60 мм, зазор 10-20- мкм
5. Магистральные трубопроводы для жидких криопродуктов- металл подвергаются наиболее частому нагреву и охлаждению
^ Свойства материалов при низких температурах
1. Химическое воздействие рабочей среды
Важнейшее условие возможности использования материала- совместимость с рабочей средой
А) возможность коррозии:
Кислород может контактировать с металлом в жидком и газообразном состоянии, причем при контакте с жидком O2 вероятность загорания ? ниже, чем в случае газообразного O2.
При контакте с жидком O2 химически активные металлы - титан и его сплавы, Мd и его сплавы - при ударном нагружении могут самопроизвольно загораться.
Условия применения металлов и сплавов в кислородном машиностроении
| Материал | Давление O2, МПа | ||
| Скорость потока ,м/с | |||
| 0 | <0,5 | >0,5 | |
| Стали углеродистые илегированные | 0,64 | 0,64 | 0,64 |
| Чугун | 3,2 | 0,8 | 0,4 |
| Нержавеющие стали типа12Х18Н10Т, 30Х13 | 16 | 4 | 2 |
| Алюминиевые сплавы типаАМ,Амц,АД1 | 3,2 | 0,64 | 0,4 |
| Медь, никель и сплавы на их основе | 42 | 42 | 42 |
Б) Влияние водорода Н2: растворяется во многих металлах, вызывает охрупчивание сталей с ОЦ и К решетками и сплавов на основе титана.
В) Взаимодействие фреонов с маслами поршневых компрессоров.
2. Физические свойства
А) Плотность:
rстали=7800 кг/м3;
rмеди=8900 кг/м3;
rтитана=4500 кг/м3;
rалюминия=2750 кг/м3;
rвоздуха =1,29 кг/м3 при нормальных условиях
Удельная прочность - отношение прочности к плотности = s / r
В судостроении, в авиации , для изготовления транспортных емкостей для криожидкостей используют принцип необходимости минимизации массы - алюминий и его сплавы, титан и его сплавы имеют удельную прочность выше, чем сталь.
Б) Теплоемкость - Ср ( Дж/г К )
Для всех металлов теплоемкость с понижением температуры падает на 1-2 порядка
| Температура, К | Теплоемкость, Ср, Дж/г К | |||
| 12Х18Н10Т | Медь М1 | Ал.сплав АМц | Тит.сплав ВТ1 | |
| 300 | 0,47 | 0,380 | 0,879 | 0,52 |
| 100 | 0,262 | 0,260 | 0,490 | 0,295 |
| 20 | 0,0113 | 0,0075 | 0,0119 | 0,00712 |
| 10 | - | 0,0012 | 0,005 | 0,003 |
В) Теплопроводность - l (Вт/м К )
l - коэффициент теплопроводности - такое количество теплоты, которое передается за единицу времени сквозь единичную площадь стенки толщиной в единицу при разности температур между поверхностями стенки в 1 градус.
Теплопроводность всех металлов сильно зависит от его чистоты, чем чище металл, тем выше его теплопроводность. С понижением температуры, l , как правило, падает, но для некоторых металлов l сначала растет, затем падает.
1 - нержавеющая сталь 18-8
2 - латунь
3 - холоднотянутый алюминий
4 - отожженная медь высокой чистоты
Существенную роль при эксплуатации криогенного оборудования играет количество теплоты, которое необходимо отвести от объекта охлаждения ( т.е. при захолаживании объекта). Это особенно важно в том случае, когда велико число циклов нагрева и охлаждения. Q возрастает, Ср падает, l возрастает
Г) Показатели термического расширения
Термическое расширение одно из наиболее важных свойств конструкционных материалов.
Два показателя термического расширения:
1) Объемный коэффициент термического расширения -ßт
Для изотропных материалов ßт=3aт
2) Линейный коэффициент термического расширения-aт (1/К)
-изменение длины на единицу изменения температуры, когда нагрузка на материал остается постоянной.
где lт=l0*(1+ат+Т), l0- длина образца при 0оС, - длина образца при ТоС.
Изменение коэффициента теплового расширения с увеличением температуры можно объяснить на основе рассмотрения межмолекулярных сил взаимодействия в материале.
С повышением температуры увеличивается энергия молекул и увеличивается пространство, занимаемое каждым атомом относительно соседних. Скорость увеличения этого среднего пространства повышается с повышением температуры повышается aт.
С падает Т ( от Т=300 К) aт резко падает ( 2-5 раз) и принимает очень низкие значения
При Т=300 К для основных металлов aт=(20-30) 10-6 1/К.
При понижении температуры до азотных температур Т=77 К aт=(4-5)10-6
Самый малый коэффициент aт у инвара в широком диапазоне температур ( инвар- сплав железа с 30-50% никеля).
Для компенсации длины трубопровода при охлаждении используют линзовые компенсаторы и сильфоны.
3. Технологические свойства:
Литейность, обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость.
Количественная оценка этих свойств отсутствует.
Все многообразие криогенного оборудования представляет собой сварные конструкции. Характеристики свариваемости делятся на 4 группы:
1.хорошая свариваемость- можно варить при комнатной температуре, нет ограничений по сварке;
2.удовлетворительная свариваемость - требуется нагрев свыше комнатной температуры;
3.ограниченная свариваемость - нагрев до 600 К;
4.неудовлетворительная свариваемость - необходим отжиг перед сваркой.
4. Экономические требования.
Потребление металлических конструкционных материалов в криогенной технике
5. Механические свойства: пределы прочности, текучести, усталости
С понижением температуры у стали, как правило, прочностные характеристики повышаются , снижаются показатели пластичности ( относительные удлинение и сужение) и ударная вязкость повышается хладноломкость.
Хладноломкость - свойство некоторых металлов и сплавов переходить при понижении температуры к хрупкому разрушению без заметной пластической деформации. Материалы в ХКТ должны обладать хладноломкостью.
Для углеродистых сталей
Для сталей аустенитного класса
Разрушение металла зависит от внутренних и внешних факторов.
Внутренние факторы:
· тип кристаллической решетки;
· химический состав сплава;
· металлургические условия получения металла; (влияет на зерно)
· вид термообработки. (влияет на зерно)
Хладноломкие материалы:
1.Металлы с кристаллической решеткой типа ОЦК ( объемноцентрированного куба) - стали на основе a-железа, вольфрам, хром, молибден ;
2.Некоторые металлы с ГП решеткой ( гексалокальной плотноупокованной)-цинк, кадмий Cd, Мn.
Не склонны к хладноломкости:
1.Металлы с решеткой ГЦК ( гранецентрированного куба) -аустенитные стали на основе g-железа, медь, алюминий, никель .
2.Титан, хотя имеет ГП решетку.
Размер зерна
Измельчение зерна до 10-20 мкм существенно понижает критическую температуру охрупчивания (хрупкости). Для ферритных и ферритно-перлитных сталей для уменьшения размера зерна вводят карбидообразующие элементы - Cr, V, Ti, Tn (тантал). В аустенитной стали для стабилизации аустепита вводят повышенное содержание Ni и Mn.
Термообработка сталей существенно понижает граничную температуру надежной работы (Т, до которой оборудование работает надежно).
Углеродистые и легированные стали подвергают двойной термообработке: закалке и отпуску. Для легированных сталей температура нагрева под закалку выше, а охлаждение ведут обычно в масле.
| Материал | Без термообработки | После улучшения |
| Сталь углеродистая качественная | -30оС | -60оС |
| Сталь 03Х13АГ19 | -130оС | -200оС |
| Алюминиевый сплав АМr1 | -253оС | -269оС |
| Титановый сплав ВТ1 | -196оЧС | -253оС |
Г- азот, А -алюминий.
Внешние факторы
1. температура
2. тип концентратора напряжений
3. условия и скорость нагружения
4. характер окружающей среды
5. форма и размеры детали
По хладостойкости конструкционные металлы и сплавы можно разделить на 5 групп:
1. Удовлетворительные характеристики всех механических свойств при температуре климатического холода до 220К (-50оС). Это так называемые изделия " северного исполнения"- качественные углеродистые и низколегированные стали ферритно-перлитного и мартенситного классов с ОЦК решеткой (70-75%).
2. Удовлетворительные характеристики всех механических свойств до 170К
Стали , сохраняющие вязкость и пластичность после термического улучшения, например, малоуглеродистые ферритные стали ( С до ,2%, легированные добавки - Ni, Cr, V, Mo).
3. Удовлетворительные характеристики всех мех. свойств до 77К .
· Стали типа ОН9А
· Большинство сплавов на основе Al, Cu, Ti , не обнаруживающих склонности к хрупкому разрушению
· Высоколегированные стали марок 10Х14Г14Н4Т,07Х13Н4АГ20,03Х13АГ19
4. Температура ниже 77К - космическая техника, потребление Н2,Не,О2, экспериментальная физика:
· Высоколегированные нержавеющие стали-12Х18Н10Т,ОХ25Н20,ОХ15Н25МТ2
· Некоторые бронзы
· Никелевые ,алюминиевые сплавы, легированный магний
· Некоторые сплавы титана на основе a-фазы
5. Конструкционные материалы специального назначения, работающие в широком диапазоне температур при нагреве и охлаждении до криотемператур с сохранением необходимых механических, электрических свойств-ОЗХ20М16АГ6 - 4К-870К; сплав 36НХ - 4К-500К.