Содержание курса, его задачи, значение
Цель: является образование необходимой базы знаний тео-ретических основ конструирования и расчета элементов оборудования отросли хим. нефтехим. промышленности.
Дисциплина объединяет общеинженерные и специальные дисциплины в единую логическую последовательную систему подготовки студентов к основным видам их деятельности:
- проектно конструированной
- производственная деятельность
- управленческая деятельность
Изучение курса формирует комплекс знаний по общим принципам и методам конструирования машин и аппаратов отрасли, по теории расчета машин и оборудования.
Расчет прочноплотных разъемных соединений, быстровра-щающихся дисков и оболочек, теория расчета оборудования в условиях динамических колебаний.
Соблюдается непрерывность использования ЭВМ. Проис-ходит знакомство с основными проблемами нефтехим. ком-плекса России и профессиональной терминологией.
Студент должен знать основные сведения об общеобразовательном стандарте: Основные принципы и приемы конструирования, нормы и методы расчета на прочность и устойчивость, теоретические основы норм и метода расчетов, правила устройства и безопасность эксплуатации сосудов, влияние конструкционного материала и технологии изготовления на конструкцию оборудования, пути снижения металлоемкости оборудования.
Студент должен уметь: использовать проф.терминологию, обосновать алгоритм решения типовых задач в области конст-руирования, решать типовые задачи с использованием справ. материала и ЭВМ, выполнять анализ конструкции оборудова-ния, читать и профессионально применять содержимое статей и разделов профессиональной литературы в области конструирования и расчета, применять на практике принципы и приемы конструирования и правила эксплуатации сосудов и аппаратов.
№ 2. Машина, аппарат как объект исследования и про-ектирования
. В общесоюзном классификаторе существует около 700 типов оборудования. К этим видам оборудования относятся :
– аппараты колонные, теплообменные, для физико-химических процессов, сосуды и аппараты емкостные, фильтры жидкост-ные, центрифуги оборудование для физико-химической обра-ботки материалов, трубопроводы, насосы, компрессоры и т.д.
номенклатура оборудования каждой группы делится на типы, а те в свою очередь на типоразмеры (диаметр, высота, и т.д.).
По функциональному и технологическому назначению мы можем выделить следующие группы оборудования: топки под давлением – генераторы инертного газа.
Машина отличается от аппарата, т.е. имеет специфические системы:
1) корпус основания, несущая конструкция устройства, закрепленная на фундаменте или иным способом.
2) устройство для подвода подачи обрабатываемой среды.
3) исполнительные механизмы (рабочие органы) приводимые в движение, исполняющие технологический процесс.
4) привод машины (двигатель и систему передачи движения)
5) Система обогрева или охлаждения рабочих зон машин.
6) система контроля технических параметров и управления машиной.
7) вспомогательные системы (система смазки и т.д.)
Машина и аппарат должны удовлетворять определенным требованиям, которые выражены деятельностью показателями качества.
Показатели качества характеризуют основные свойства оборудования ГОСТ 22851
Показатели назначения характеризуют функциональные свой-ства аппарата и машины:
1- производительность, энерго затраты и объем рабочих орга-нов
2- надежность, т.е. свойство во времени сохранять работоспособность в установленных пределах параметра.
3- эргономические показатели
4- показатели технологичности, характеризуют свойства объекта связанные с его эффективностью изготовления
5- показатели транспортабельности
6- показатели стандартизации и унификации.
7- патент
8- экономические показатели
9- показатели безопасности
10- эстетические показатели
№ 3. Классификация основных аппаратов и машин
Существует 700 видов оборудования: аппараты, колонны, теплообменники, аппараты для физ-хим процессов, сосуды и аппараты емкостные, фильтры, жидкостные центрифуги, обо-рудование для физ-мех обработки материала, трубопроводы, насосы, компрессоры и т.д.
Каждая группа делится на типы и типоразмеры
По функциональному и технологическому назначению мы можем выделить следующие группы оборудования:
1)печи трубчатые 2)топки под давлением 3)теплообменное оборудование 4)аппараты колонного типа 5)реакторы 6)емкостное оборудование 7)трубопроводы 8)насосы и ком-прессоры 9)вспомогательное
Сосудом наз-ся устройство, имеющее полость для обработки и хранения веществ.
Аппаратом наз-ся сосуд, имеющий внутреннее устройство для ведения технологического процесса.
Машины отличаются от аппарата тем, что имеют специфи-ческие системы:
- корпус – основная несущая конструкция аапарата;
- устройство для подвода и отвода обрабатываемой среды;
- исполняющие механизмы;
- привод машины;
- систему обогрева и охлаждения рабочих зон машины;
- систему контроля технологических параметров и управления машиной;
- вспомогательные системы.
№ 4. Показатели качества машин и аппаратов
К машинам предъявляется определенные требования, которые выражаются 10 показателями качества.
1)показатели назначения характеризуют функциональные свойства
2)надежность – свойство объекта сохранять работоспособность в установленных пределах параметра
3)эргономические показатели – приспособленность объекта к взаимодействию с человеком
4)показатели технологичности – характеризуют свойства объекта связанные с эффективностью его изготовления
5)показатели транспортабельности
6)показатели стандартизации унификации
7)патентно-правовые операции
8)экологические показатели
9)показатели безопасность
10)эстетические показатели
№ 5. Аппараты на которые распространяются правила ГОСГОРТЕХНАДЗОРа
Сосуды работающие под давлением являются опасными они находятся в ведение ГГТН. Правила устанавливают требования к проектированию, изготовлению, реконструкции, наладке, монтажу, ремонту, эксплуатации сосудов работающих под давлением. Правило распространяется на сосуды работающие под давлением воды с темп выше 115°С или др. жидкости темп превышающую темп кипения при Р0,07МПа, на баллоны принадлежащие транспортировке хранения сжатых сжиженных и растворенных газов с давлением выше 0,07МПа, на цистерны и бочки для хранения сжиженных газов давление паров при темп 50°С превышает 0,07МПа.
№ 6. Требования, предъявляемые к сосудам, подведом-ственным ГОСГОРТЕХНАДЗОРом
При проектирование используют отраслевые стандарты ОСТ 26-291-94.
Правила ГОСГОРТЕХНАДЗОРА
1)правило устройства и безопасное использование сосудов работающих под давлением.
2) правило устройства и безопасное использование технических трубопроводов.
3) правило устройства и безопасное использование паровых и водогрельных катлов.
И т.д.
№ 7. Рабочее, расчетное, пробное и условное давление
Рабочее – это маx разряжение при работе под вакуумом при нормальном течении тех. процесса.
Расчётное давление – это маx давление на которое производится расчет оборудования Ррасч = Рраб за исключением случаев, если аппарат снабжен предохранительным клапаном тогда при рабочем давлении Рраб > 0,07 МПа Ррасч = маx(1,1Рраб;Рраб + 0,2) МПа для сред взрывоопасных или токсичных 1 и 2 класса вредности, для остальных (1,1Р ;Р + 0,1)МПа, если снабжён аппарат предохранительной мембранной то Ррасч = 1,2Р
Если Р≤0,07МПа
Не зависимо от типа предохранительных устройств кроме углеводородных фракций
0,06≤Р≤0,07МПа Ррасч=0,1МПа
0,06>Р МПа Ррасч=0,06МПа
для углеводородных фракций Ррасч принимается давление насыщенных паров этих фракций и газов при t=50°С.
Если аппарат работает под вакуумом абсолютное давление меньше 500Па тогда Ррасч=Рнаруж=0,1МПа.
Условное давление используется для стандартизации узлов и деталей оборудования разработан для условного давления Ру 0,6;1;1,6;2,5;3,2;4МПа
Ру – это расчетное давление при нормальной температуре стандартного элемента.
Пробное давление – это давление испытаний аппаратов и машин.
Рпр – создаваемое водой замена на пневматическое давление возможно только при контроле за состоянием элемента метод ультразвуковой эмульсии.
№ 8. Расчетная температура аппарата
При расчете аппаратов и машин необходим ряд расчетных параметров к которым относится рабочая расчётная температура, давление, механические характеристики материалов, прибавки к расчетным толщинам конструкции элементов.
Рабочая температура – под рабочей температурой понимают мах температуру обрабатываемой среды при нормальном течении технического процесса.
Расчетная температура – это температура для определения физ. мех. свойств конструкции материала и его выбора.
Если температура конструкции элемента может подняться до температуры обрабатываемой среды тогда расчётная температура принимается рабочей.
Если от воздействия обрабатываемой среды элемент защи-щен изоляцией то расчетная температура элемента принимается равной нагреваемой среды соприкасаемой с элементом увеличивается на 20°С.
Если элемент обогревается открытым пламенем горячими газами с t большее 250°С или открытым электрообогревателем расчетная температура принимается равной нагреваемой среды соприкасаемой с элементом увеличивается на 50°С.
В др. случаях расчетную температуру определяют тепловым расчётом.
№ 9. Выбор допускаемых напряжений. Факторы, влияющие на допускаемые напряжения
Для стального проката напряжения рассчитывают:
(σ)=σт/nт по пределу текучести (1)
(σ)=σв/nв по пределу прочности (2)
(σ)=σдп/nдп по пределу длительной прочности (3)
(σ)=σпл/nпл по пределу ползучести (4)
запас прочности nт=1,5 nв=2,4 nдп=1,5 nпп=1,1
Если расчетная темп не превышает 380°С для углер ста-ли,420°С для низко лигир,525°С для высоко лигир, то расчет допускаемых напряжений производится по мин (1) и (2).
Если расчет темп превышает пределы то расчет по (1) (3) (4) при этом выбирается мин значение.
(4) применяется если требуется ограничить деформацию детали в рабочих условиях пи высокой темп в остальных случаях применяется (1), (3).
Для стального литья в формулы вводится коэффициент η:
Если отливка подвергается индив контролю то η=0,8;
Если выборочному то η = 0,7;
η умножается на σ.
№ 10. Формулы для определения допуск-х напряжений
См. в. № 7
№ 11. Запас прочности и его значение
См. в. № 7
№ 12. Геометрия оболочки вращения и ее свойства
Оболочкой вращения наз оболочкой серединная поверх-ность образована вращением плоской кривой вокруг оси лежа-щей в плоскости кривой и не пересекающей ее.
Серединной поверхностью наз поверхность все точки которой одинаково отстоят от внутренний и наружной поверхности. Точка пересечения оболочки вращения с осью наз полюсом.
Сечение оболочки осевой плоскостью наз первым главным сечением.
Сечение оболочки плоскостью перпенд меридиану наз вто-рым главным сечением.
Меридианом наз линию сечения пересечения оболочки осе-вой плоскости.
К2А = R2 радиус кривизны оболочки, второй главный ради-ус.
Свойства оболочки вращения:
1)R1 R2 являются мах мин радиусами кривизны оболочки в заданной точке.
2)главные радиусы кривизны лежат на одной нормали к по-верхности оболочки.
3)кривизна оболочки в полюсе во всех направлениях одинакова.
4)начало второго радиуса кривизны лежит на оси вращения.
№ 13. Усилия и изгибающие моменты в оболочках вращения
Рассмотрим оболочку с внутренним давлением вырежем в стенки элемент с двумя осевыми плоскостями с углом dφ1. Т.к. оболочка нагружена давлением на границе элемента будут действовать силы явл равновесными силами давления, эти силы вызывают растяжение на гранях элемента.
Силы действ на меридиан грани обозначим Т, силы действ на на нижн и верхн грань наз меридианными силами S.
Оболочка наз осе симметричной если она явл оболочкой вращения и нагружена силами и моментами расположенными симметрично относительно оси вращения. В общем случае на грани элемента действуют меридианные моменты М, и каса-тельный момент К. силы Т одинаковы. Силы N на нижней и верхней части не одинаковы.
σ1 =S/SR ± σM/SR2 W = SR2/σ
σ2 = T/SR±σK/ SR2 τ = N/SR
№ 14. Определение величины напряжения от изгибаю-щего момента в цилиндрической оболочке
R1→ ∞
ε =σ2/Е → ε =PRR2/SRE
R2 увеличится до R2ε
Кривизна оболочки до деформации 1/R2
Кривизна после деформации 1/R2ε+R2
Изменение кривизны 1/R2-1/R2(1+ε)=1+ε-1/R2(1+ε)
Изменение кривизны вызвано изгибающим моментом:
M=EI(PR/SRE)=I(PR/SR)
Момент инерции I=SR3/12.
Напряжение изгиба:
σи=M/W; W=SR2/6;
σи=PR/2;
σ2/σи>10%
№ 15. Основное уравнение безмоментной теории расчета оболочек. Уравнение Лапласа
Рассмотрим осе симметричную оболочку нагруженную давлением. Рассмотрим равновесие элемента под действием сил и напряжений, для этого найдем проекцию всех сил на нормаль к центру поверхности элемента:
∑n-n=0=PRdl1dl2-2σ1SRdl1sindφ1/2-2σ2dl2Sindφ2/2
sindφ1/2=dL2/2R1
Sindφ2/2=dL1/2R2
∑n-n=0=PRdl1dl2-2σ1SRdl1dL2/2R1-2σ2dl2dL1/2R2
PR/SR=σ1/R1+σ2/R2- уравнение Лапласа.
№16. О краевой задаче. Причины вызывающие краевые усилия.
При расчете тонкостенных оболочек, мы не учитываем закрепление их краев. В реальных конструкциях эллиптические, конические, полусферические оболочки соединены с цилиндрическими оболочками, т.е. края оболочек не свободны и деформация краев оболочек должна происходить одинаково. Вследствие различной деформационной способности краев различных оболочек соединенных между собой возникают равномерно распределенные по краю оболочек краевые силы и моменты.
№ 17. Расчет тонкостенных цилиндров, работающих под внутренним давлением
Расчет выполняется если SR/D≤0,1
R1→ ∞
πR2PR=σ12πR2SR → σ1=PRR2/2SR
по условию первой теории прочности разрушение произой-дет когда max и нормальное напряжение превысят допускаемые
1)σ2≤(σ)φ
2)σ2 - σ3/2≤(τ)φ σ2 - σ3/2≤(σ)φ/2
3) σ2≤(σ)φ
1), 3) гипотезы положены в основу расчета тонкостенной оболочке нагруженных давлением
P RR2/SR≤(σ)φ; R2=(D+SR)/2
PR(D+SR)/2SR≤(σ)φ
SR≥PRD/2(σ)φ-PR
Исполнительная толщина стенки цилиндра:
S≥SR+C
C=C1+C2+C3
C1-прибавка на коррозию и эрозию
С2-прибавка на – допуск
С3-прибавка по техническим и монтажным соображениям.
№18. Эллиптические днища, работающие под внутрен-ним избыточным давлением и их расчет
Применим к расчету выпуклого днища Ур-ие Лапласа:
. Из анализа Ур-ия следует, что напряже-ния будут max в точках с max радиусом. Для эллиптического днища max R равен
Д-0,5SR=R1. Тогда уравнение будет выглядеть след-м обра-зом: , . Тогда, учитывая, что R=D+SR/2 получим:
№19. Расчет конических днищ, работающих под внут-ренним давлением
Расчет конических днищ и переходов выполняется по Ур-ю Лапласа:
. Для конических днищ R2=r1/Cosa; R1∞. Тогда
σ2 max при r1 max, , ,
тогда: . Зная, что , можно получить формулу для расчета необхо-димой толщины стенки конического днища: . Max допуст-е давление опр-ся по формуле: . В месте соединения неотборто-ванного конического днища с цил-й обечайкой возникают доп-ые краевые силы и моменты, которые увеличивают напряжения в этом сечении, поэтому Ур-ие для расчета толщины прин-т след-й вид: , где β1 – учитывает условия соединения конической оболочки с цил-й и зависит от соотношения геометрических размеров цил-й и кон-й оболочек. Для отбортованных днищ расчетная толщина переходной части с радиусом закругления r, определяется по формуле:
№ 20. Критерии применения расчетных формул при расчете тонкостенных цилиндров, работающих под внутренним давлением
SR/D≤0,1
(PRD/2(σ)φ-PR)≤0,1
2(σ)φ-PR/PR≥10
2(σ)φ/PR-1≥10
(σ)φ/PR≥5,5
№ 21. Прибавки к расчетным толщинам конструктив-ных элементов
C=C1+C2+C3
C1-прибавка на коррозию и эрозию если VtH; Et=αΔt;
Величина напряжений прямо пропорциональна произведе-нию EαΔt, Δt=tB-tH:
В общем случае эти напряжения суммируются с напряжениями от давления. Температурные напряжения учитываются, если t не превышает:
для углеродистых сталей - 380ºС;
для низколегированных - 420ºС;
для аустенитной высоколегированной стали - 525ºС.
При превышении t – ых пределов напряжения по толщине стенки выравниваются в результате явления ползучести материала.
Проверочный расчет выполняют с учетом эквивалентных напряжений определяемых по 4 – ой теории прочности (энергетическая теория):
№30. Расчет толстостенных аппаратов
Аппараты толстостенные сосуды с внутренними устройствами.
Это как правило реактора. Такие аппараты имеют большой вес. Сложные по устройству и дорогие.
Для толстостенных цилиндров гипотезы прочности плохо согласуются с опытом, материал цилиндра находится в трехмерном напряженном состоянии.
В этом случае лучшие результаты дает расчет цилиндров по предельному состоянию. В соответствии с теорией Сен-Вана при трехмерном напряженном состоянии материал перейдет в пластическое состояние, когда разность σmax- σmin= σT
Для цилиндра (1)
Для решения задачи проинтегрируем уравнение (1):
(2), в уравнение (2) подставим уравнение (1): ; ; ;
где с – постоянная интегрирования. Для нахождения с исполь-зуем граничные условия r=RH, σr=0
На внутренней границе цилиндра σr=-РR. При условии когда наступит пластическая деформация обозначим РТ, тогда для условия пластичности , поделим правую и левую часть уравнений на запас прочности по пределу текучести:
CК– в конце срока службы.
RH=RBH+SR
SR=(β-1)(RBH+CK)
№31. Конструкции толстостенных сосудов
Сначала толстостенные сосуды изготавливались коваными т.к. кованая сталь в 1,5 – 2 раза прочнее литья.
На смену кованым пришли штампосварные аппараты.
Днища также изготавливались штампосварными или кова-ными. Они привариваются электрошлаковой сваркой.
Затем появились многослойные сосуды. Недостаток – сложная конструкция и технология изготовления. Была разработана конструкция изготовления аппарата методом рулонирования.
№34. Определение ветровой нагрузки на аппарат.
Ветровая нагрузка действующая на аппарат зависит от района, где установ¬лен аппарат. В России в соответствии с принятым стандартом территория разделена на 7 районов. Чем выше номер района, тем больше максимальной силы ветер который может воздействовать на аппарат. Максимальной силы ветер может быть предсказан в настоящее время за несколько часов, а иногда суток. В этом случае предприятие получает штормовой предупреж¬дение. При этом предприятие прекращает все работы на высоте и все гидро¬испытания. Сила ветра измеряется скоростным напором ветра – q0, Н/м2 (Па)
В связи с этим расчет аппаратов осущ-ся с учетом max силы ветра действующего в данной местности. При расчете на ветровую нагрузку аппарат разбивают на несколько участков. Чем больше число участков, тем точнее расчет. Обычно число участков не менее 4 – 5. Вес участка условно считается сосредоточенным в центре участка. Ветровое воздействие на аппарат складывается из двух составляющих: - статическая сост-я – давление ветра; - динамическая сост-я. Дин-я сост-я представляет собой силы инерции действующие на колонный аппарат в результате его раскачивания под порывами ветра. Порывы ветра связаны с турбулентными пульсациями ветрового напора. Стати-я сост-я зависит от размеров участка и др-х хар-к: Pi st =Di Hhiqi st. qi st – расчетный скоростной напор, зависит от высоты участка аппарата над пов-ю земли: qi st = q0ΘiK. Θi – коэф-т зав-й от высоты участка над пов-ю земли; Θi=(xi/10)0,31. К – аэродинамический коэф-т, зависит от формы сооружения. Для аппаратов круглого сечения К=0,7.
Динамическая сост-я ветровой нагрузки зависит от ускорения центра тяжести участка аппарата от колебаний аппарата. Pi дин=νGiξηi. ν – коэф-т пространственной корреляции пульсаций ветра. ,
ξ – коэф- т дин-й нагрузки, зависит от периода собственных колебаний аппарата и нормативного скоростного напора. ηi – приведенное относительное ускорение центра тяжести участка аппарата, зависит от геом-х размеров аппарата и его участков, момента инерции сечения аппарата, статической сост-й ветровой нагрузки, высоты аппарата и веса участка. Приведенное ускорение возрастает в соответствии с ростом координаты участка.
Вопрос №35 Определение сейсмической нагрузки на аппарат
Сила землетрясений оценивается в баллах по шкале Рихтера. Колонные аппараты относительно прочные сооружения и расчет проводимый на сейсмическую нагрузку выполняется для районов от 7 до 9 баллов. Сейсмические силы действующие на наземные сооружения явл-ся инерционными силами возникшими в рез-те колебания вместе с земной корой. Колонный аппарат в расчетной схеме представляется в виде упругой линии упруго защемленной в основании. Масса участков аппарата представляется сосредоточенной в отд-х точках упругой линии в центре участка. Сейсмическая сила представляется силой приложенной к этим точкам. Si=KSβGiη, КS – сейсмический коэф-т, зависит от сейсмичности района. Β – коэф-т динамичности конструкции β=1,9/Т, Т – период собственных колебаний аппарата, измеряемый в секундах
Сейсмичность 7 8 9
КS 0,1 0,2 0,4
0,8<=β<=2,5. ηi – приведенное ускорение силы тяжести участка.
МОС=ΣSixi. Рассмотренный момент учитывает только низшие формы колебаний , когда все точки аппарата одновременно удаляются от точки равновесия и одновременно в нее возвра-щаются. Но возможна и высшая форма колебаний. Учет выс-ших форм колебаний представляет довольно сложную задачу до конца не решенную. В нормах расчетов принято, что сейс-мический момент в результате высших колебаний возростает в основании на 25%, постепенно понижается с увеличением высоты. И на высоте 75% высоты аппарата составляет 25% от момента в основании.
№43. Конструкции фланцев
По конструкции фланцы можно разделить на цельные, когда корпус аппарата и фланец работают под нагрузкой совместно, и свободные, когда корпус аппарата разгружен от действия изгибающих моментов, возникающих при затяжке фланцевого соединения. Конструкция фланцев в значительной мере опре-деляется давлением рабочей среды и требованиями минималь-ных затрат времени на сборку или разборку соединения.
Плоские приварные фланцы представляют собой плоские кольца, приваренные к краю обечайки по ее периметру. Их рекомендуется применять при условном дав-и 0,3-1,6 МПа и теп-ре до 300С. Фланцы приварные встык имеют конические втулки-шейки. Втулку фланца приваривают стыковым швом к обечайке. Свободные фланцы представляют собой кольца, диаметр отверстия которых несколько больше наружного диаметра обечайки, на которую их свободно надевают. При затяжке фланец упирается в отбортовку обечайки или кольцо, привариваемое к ее краю. Такие фланцы применяют при р до 1,6 МПа и Т=300С, а число циклов нагружения не должно превышать 2*103. Обычно их применяют в аппаратах, изг-ых из мягких(медь) или хрупких(керамика) материалов.
№ 44. Выбор прокладок. Материал прокладок фланце-вых соединений.
1 Плоские эластичные прокладки из паронита. Паронит – ком-позиционный материал, основа – резина, наполнитель – асбест. Р – до 2,5 МПа, t–до 400ºС
2 Ме прокладки овального или 8-ми угольного сечения. T – состветствует температурному интервалу Ме. Р – состветствует условному давлению фланца. Изготавливаются из железа АРМКО или аустенитной хромоникелевой стали (08Х18Н10Т).
3 Асбометалические прокладки. Применяются для фланцев с плоской уплотнительнй поверхностью. Р – до 6,3 МПа. T – до 500ºС.
4 Спираленавитые прокладки. Между спиралью из Ме распо-ложена полоса из паронита, асбеста или графитоплена. Область применения таже, что и 1 и 3 вид прокладок.
№45. Болтовая нагрузка фланцевого соединения
Рб1=мах[(α*Qд+Rn);π*Дж*b*q;(0,4[σ]б*Z*fб)]
/ / /
герметич-ть смятие затяжка гайки
α- коэф-т учит-ий жесткость флан-го соед-я при монтаже
q- уделное давление необ-е для снятия прок-ки
[σ]б- допускаемое напрежение для мат-ла болтов или шпилек
В рабочих условиях
Рб2= Рб1+(1- α) Qt +Qд
Условие прочности болтов
Рб1/ Z*fб≤[σ]б20С Рб2/ Z*fб≤[σ]бtr fб= fш= π/4*d2.
№46. Температурные напряжения в болтах и шпиль-ках фланцевых соединений
Фланец соприкасается с обрабатываемой средой и поэтому нагревается практически до t обрабат-й среды. Шпильки или болты фланцевого соединения взаимодейст-т с материалом фланца, а также воздухом и поэтому нагреты до более низкой t. Разность деформации шпилек и болтов Δl: где lБ – рабочая длина болта, tФ, tБ – температура фланца и болта, αФ, αБ – коэф-т температурного расширения ; εt=tФ•αФ- tБ•αБ εt – относительное температурное расширение. Учитывая что площадь сечения фланца во много раз превосходит площадь сечения всех болтов и шпилек, в соответствии с законом Гука σБ=εt•ЕБ, ЕБ-модуль упругости. Отсюда найдём температурное усилие действ-ее на болт Qt=σБ•fБ•zБ, fБ - площадь сечения болта, zБ - число болтов Qt=( tФ•αФ- tБ•αБ)•ЕБ•fБ•zБ•ν, ν - коэф-т жёсткости фланцевого соединения, учитывает деформационную способность ν3000 болта не применяют для фланцевых соединений.
№48; 49. Расчет аппарата на ветровую нагрузку
Рассматривается как наружный так и внутренний диаметр. При расчёте на ветровую нагрузку аппарат условно разбивают на ряд участков по высоте, так чтобы они заканчивались в месте перехода от одного диаметра к другому. Условно считают, что ветровая нагрузка приведена к центру участка, вес участка также считают сосредоточенным в центре. Координаты участка от поверхности земли x. Ветровое воздействие на аппарат складывается из 2-х составляющих: статической (давление ветра Рi st) и динамической Рi дин. Рi дин – это силы инерции действующие в результате раскачивания. Порывы ветра связаны с турбулентными пульсациями скоростного напора Рi= Рi st+ Рi дин. Статич-я составляющая зависит от размеров участка Рi st=Di н•hi•qi st; qi st-расчётный скоростной напор. qi st зависит от высоты участка от поверхности земли qi st=q0•θi•K θi - коэф-т зависит от высоты участка от поверхности земли ; K-аэродинамический коэф-т (для некруглых сечений К=1,4; для круглых сечений К=0,7). Динамическая составляющая зависит от ускорения центра тяжести участка аппарата от колебания аппарата: Рi дин=ν•Gi•hi•ξ ν - коэф-т пространственной корреляции пульсации ветра ν=0,968 – 0,025 ; ξ – коэф-т динамичности конструкции зависит от периода собственных колебаний аппарата и нормативного скоростного напора; hi-приведённое относительное ускорение центра тяжести участка аппарата, зависит от геом-х размеров аппарата и его его участков, момента инерции сечения ап-та и участков, статич-ой составляющей ветровой нагрузки, высоты ап-та и веса участков. Ап-т имеет площадки обслуживания координаты их xj. В результате воздействия ветровой нагрузки на площадке действует сила Рj, вызывающая изгибающий момент: -ветровой момент в сечении Aj-площадь проекции элментов площадки обслуживания на вертикальную плоскасть вне зоны аэродинамической тени; - коэф-т учитывающий пульсацию ветрового напора mj- коэф-т пульсации, учитывает расстояние увеличения нагрузки от земли.
№50. Определение периода собственных колебаний аппарата
Определение периода собственных колебаний колонных аппаратов является составной частью расчета аппаратов на ветровую нагрузку.
Период собственных колебаний аппарата постоянного сечения с приблизительно равномерно распределенной по высоте аппарата массой следует определять по формуле
T = T 0 ,(1)где T 0 = 1,8 H .(2)
Период основного тона собственных колебаний аппарата переменного сечения следует определять по формуле
T = 2 H ,(3)
где CF определяется по данным инженерной геологии; при отсутствии таких данных CF выбирают в зависимости от плотности грунтов по табл. 1.1;
i относительное перемещение центров тяжести участков рассчитываемое по формуле
,(4)
где i коэффициент, определяемый по формуле
(5)
коэффициент, определяемый по формуле
.(6)
Для аппаратов с двумя переменными J0 и J1 в формуле (6) следует принимать Н2 =0;
, , определяют по формулам
,(7) ,(8) .
№51. Сейсмическая нагрузка. Определение момента с учетом высших форм колебаний
Колонные аппараты являются относительно прочными конст-рукциями. Расчет на сейсмическую устойчивость выполняется для районов с сейсмичностью 7 – 9 баллов.
Сейсмические силы являются по существу инерционными силами, действующими на аппарат во время землетрясения. При расчетах сейсмические силы прикладываются горизон-тально в середине участков аппарата.
Расчетная сейсмическая сила в середине i го участка для первой формы колебаний определяется по формуле
, ( 23 )
где - коэффициент динамичности находят по формуле (24), но во всех случаях принимают не менее 0,8 и не более 2,5.
1,9/T. ( 24 )
Сейсмический коэффициент KS выбирают в зависимости от района установки колонны по табл. 1.3;
I – приведенное ускорение центра тяжести участка
Максимальный изгибающий момент в нижнем сечении колон-ны при учете только первой формы колебаний определяют по формуле
.( 25 )
Учет высших форм колебаний представляет собой сложную, до конца не решенную задачу.
В нормах расчета принято, что в результате высших форм колебаний нагрузка возрастает в основании аппарата на 25 %, постепенно снижается с увеличением высоты и на высоте 0,75 полной высоты составляет 25% от момента в основании.
Расчетный изгибающий момент MR C в сечении с учетом влияния высших форм колебания рассчитывают по следующим формулам
Если 0, 75 H, . ( 26 ) Если 0, 75 H , . 27 )
№52. Расчетные сечения и сочетание нагрузок, действующих на аппарат
Под расчетными сечениями понимаются сечения колонного аппарата в которых производится проверочный расчет на прочность и устойчивость от совместного действия всех нагрузок.
В качестве расчетных сечений рассматриваются сечения аппарата в месте изменения толщины стенки или диаметра; поперечное сечение корпуса в месте присоединения опоры; поперечное сечение опорной обечайки в месте присоединения к фундаментному кольцу и сечение в месте расположения отверстий в опорной обечайке.
Колонный аппарат необходимо рассчитывать для следую-щих трех условий работы аппарата:
рабочие условия;
условия испытания;
условия монтажа.
Примечание:
1. При расчете моментов MV1 и MG1 исходят из общей весовой нагрузки в рабочих условиях.
2. При расчете момента MV2 исходят из общей весовой нагрузки в условиях испытания.
3. При расчете моментов MV3 и MR3 исходят из общей весо-вой нагрузки в условиях монтажа; при расчете MV4 учитывают изоляцию.
№53. Расчет корпуса аппарата на прочность от действия моментов, осевой силы и расчетного давления
Допускаемый изгибающий момент определяется по формуле
[М] = , где [М]р = Wс[] – допускаемый изги-бающий момент из условия прочности; Wс = ; [М]Е = D3[ ]-2,5 – допускаемый изгибающий мо-мент из условия местной устойчивости.
Допускаемая осевая нагрузка определяется по формуле
[F] = , где [F]р – допускаемая осевая нагрузка из условия прочности, [F]Е - допускаемая осевая нагрузка из условия устойчивости
Допускаемое давление определяется по аналогичной формуле
[Р] =
В случае комплексного нагружения устойчивость аппарата определяется долей устойчивости от каждого вида нагруже-ния + + + 1.
№54. Расчет опорного кольца
1 Расчет ширины нижнего кольца
Нагрузка от веса G и момента М, вызывает напряжение в опоре кольца, определяемое
бет = + []бет;
fк =Dбb2;
Dб – диаметр болтовой окружности кольца
Wк = ,
Откуда получим
b2 ( + ) / []бет.
2 Расчет толщины нижнего опорного кольца
Изгибающий момент, действующий на выступающую часть кольца шириной b и длиной равной 1, будет равен
М = ,
Этот момент вызывает в кольце напряжения изгиба
изг = ; W = ; изг = , откуда Sк ,
Учитывая, что нагрузка на кольцо распределена неравномерно, толщину кольца определяют с учетом поправочного коэффициента
Sк ,
Полученное значение округляется до ближайшего стандартно-го.
3 Расчет толщины верхнего опорного кольца
На верхнее кольцо действует болтовая нагрузка от фундаментных болтов
Максимальное болтовое усилие можно определить по формуле
Рб = Аб []б,
где Аб = d12 – площадь поперечного сечения фундаментного болта по внутреннему диаметру резьбы
Болтовое усилие вызывает момент М = ; тогда изг = ; Wвк = , тогда [] из = , откуда S2
В нормативных методах расчета формула упрощается к виду S2 .
№56. Расчет сварного шва крепления опорной обечайки к корпусу аппарата
На сварной шов действуют напряжения
ш = + ;
Wсш – момент сопротивления сварного шва изгибу
Wсш = ;
fсш – площадь поперечного сечения сварного шва
fсш = Dвk
k – катет сварного шва, как правило выполняется равным толщине опорной обечайки.
Dв – внутренний диаметр опорной обечайки.
Условие прочности сварного шва имеет вид
ш []ш
№57. Расчет опорной обечайки на устойчивость
- условие устойчивости сплошного цилиндра.
, где 1 – коэффициент, учитывающий ос-лабления площади сечения опорной обечайки в месте лаза; 2 – момента инерции в месте выреза; 3 – центра тяжести сечения в месте выреза по отношению к центральной оси обечайки
№58. Уравнение равновесия элемента быстровра-щающегося диска
Вырежем из быстровращающегося диска элемент двумя осевыми плоскостями с углом dj между ними и двумя концен-трическими окружностями. Диск вращается с угловой скоро-стью . b – толщина диска. - разделим все уравнение на dr:
№59. Деформация элемента быстровращающегося диска
Воспользуемся обобщенным законом Гука. ;
Относительная деформация в радиальном направлении может быть выражена через деформацию его толщины в направлении его радиуса. ; *; *; Подставим уравнения * в получим диф. уравнение равновесия элемента, выраженное через его деформацию: где - решается интегрированием: ; ; ; . ;
Постоянные интегрирования можно найти из граничных условий: При отсутствии закрепленных деталей на наружной границе диска радиальные напряжения =0. На внутреннем контуре диска при посадке диска на ступицу без натяга радиальные напряжения =0.
№60. Общее решение быстровращающегося диска постоянной толщины
, где , коэффициенты зависящие от Х=R1/r.
; ; ; ; , если м=8000 кг/м3, иначе умножается на поправочный коэффициент (м/8000). Граничные условия: r= (r=R2) = r2. При отсутствии на наружном контуре деталей r2=0.
Иначе r2= , где - толщина диска. Fц – центробежная сила. , где m – масса закрепленной детали. При расположении лопастей на площади диска они увеличивают массу диска: , где mд и mл – масса диска и лопаток. Vд – объем диска.
Если диск закреплен с натягом на ступице ротора, Rсопр – радиус сопряжения со ступицей, то , где - величина натяга – разность диаметров ступицы и диска.
№61. Приближенный метод расчета диска переменной толщины
Диск переменной толщины можно разбить со сколь угодной точностью на диски постоянной величины, для них будут спра-ведливы все граничные условия. Условие на внутренней границе диска №2 находят из условия равенства сил на наружной границе диска №1 и внутренней границе диска №2. Отсюда: , , ,
(*) , где i – индекс диска.
1.Системы решают следующим образом: 1) Задаются произвольным знач. напряжения t1 на начальном радиусе диска. r1 – известно из начальных условий. 2) Вычисляют напряжения на наружной поверхности первого участка tI2, rI2 , что дает возможность с помощью (*) системы напряжение на внутренней поверхности второго участка. 3) Переходя от участка к участку получив в итоге напряжение на наружном контуре диска. Заканчивается первый расчет, все напряжения имеют служебный индекс 1. поскольку напряжение t было произвольно, то радиальное напр. На наружном контуре не совпадет с гранич. условиями.
2. 1)Новое произвольное значение t1II, принимают w=0,n=0,T=0. 2) Вычисляют напряжения с индексом II. Согласно принципу независимости действия сил значение 1 и 2 расчетов могут быть суммированы. n – номер последнего участка.
; , найдя k рассчитаем истинное напряжение на границе всех дисков.
№64. Особенности расчета аппаратов с рубашками
, . Для эллиптической части и днища рубашки: , . , где = 300, . Диаметр сопряжения рубашки с днищем сосуда d1 , не меньше диаметра зоны укрепления отверстий в корпусе аппарата. - коэффициент осевого усилия, учитывает расстояние между корпусом сосуда и рубашкой.
№66. Критическая скорость валов гибкие и жесткие валы
nкр=30кр/.Еще в середине ХIХ века было установлено, что при вращении валов, когда скорость их достигает определенной величины, они становятся неустойчивыми, начинают колебаться и теряют свою прямолинейную форму, давая значительные прогибы. При дальнейшем превышении скорости вращения описанное явление прекращается, но возобновляется, когда скорость достигает некоторого нового значения. Скорости, при которых возникают эти явления, называются критическими скоростями. Определение критических скоростей крайне важно, так как, если действительные скорости совпадают с критическими или даже слишком приближаются к ним, возникает явление, аналогичное явлению резонанса, вал может разрушиться. Гибким называют вал, скорость вращения которого превышает критическую скорость вращения. Жестким называют вал, скорость вращения которого ниже критической. Условие виброустойчивости ротора жесткий вал раб 0,7 кр 1 Гибкий вал 1,3 кр 1 < раб <0,7 кр 2
№67.Самоцентрирование валов
определим значение, на-пример, у1,когда раб .
Разделим все элементы числителя и знаменателя у1 на 2раб. Получим, подставляя вместо A1 и A2 их значения:
у1 =
При 2 после раскрытия определителя прогиб вала равен
у1= (1.3)
То есть при точки оси вала под нагрузками располагаются по оси вращения. Вал самоцентрируется. Подобное самоцентрирование валов крайне важно, так как при этом эксцентриситет, а с ним и центробежные силы значительно уменьшаются, вал работает спокойно, прогибы стремятся к нулю. Речь идет о конечной скорости, превышающей критическую. Поэтому, когда речь идет о быстровращающихся валах, если вращаются большие массы, целесообразно работать на скоростях вращения выше кри-тической.
№68.Определение критической скорости валов мето-дом наложения
Решение определителя сложно, когда много нагрузок и когда вал переменного сечения. В 1894г. Донкерли вывел фор-мулукр= ,где кр - наименьшая возможная критиче-ская частота вращения, 1/с; mi-масса i - го участка вала, кг. Преобразуя уравнение, получим
ii mi=iiGi/g=1/кр2=fстi /g,
где Gi - вес i- го участка вала, н; g - ускорение свободного падения, м/с2; fст i - статический прогиб вала под грузом (ве-сом вала), м.
Следовательно, 1/кр2 = 1/кр 12 + 1/кр 22 +1/кр 32 + +1/кр i2.В случае распределенной по какому-либо закону непрерывной нагрузки q(x) рассмотрим бесконечное число элементарных нагрузок q(x)dx, сосредоточенных в точке с абсциссой х. В этом случаекр2=g / q(x) dx,
где хх - прогиб в точке х под действием единичной силы, при-ложенной в этой точке; l - длина вала, к которому приложена распределенная нагрузка, м.
В общем случае действия сосредоточенных и распределенных нагрузок
кр2=1/ .
№69.Определение критической скорости валов мето-дом Рейлея
Применим к колеблющейся балке принцип сохранения энер-гии. Предполагая колебания без потерь энергии, имеем T+V=const; y=0; Т=Тmax, V=0; y=ymax, V=Vmax, Т=0, где V- потенциальная энергия; T- кинетическая энер-гия.V=
T= ,где yi- пере-мещение центра тяжести отрезка вала, м; yi -первая производная от перемещения по времени, м/с;
g -ускорение свободного падения, м/с2; Qi-вес i - го участка вала, н.
Из закона сохранения энергии следует: Tmax+0=const;Vmax+0=const; Tmax=Vmax. Рассмотрим случай колебания с наименьшей частотой, когда все массы одновре-менно достигают максимального удаления от положения по-коя и одновременно через него проходят. Так как грузы совершают гармоническое колебание, yi=icos(t+); yi=isin(t+); yimax=i; yimax=i,
где i-аплитуда колебания i - й точки; t – время, с; - сдвиг фазы.
Следовательно:Vmax= Tmax= .Отсюда следует:
= кр= .
Рейлей предположил и доказал, что можно заменить i статическими прогибами балки, т.е. принять: кр= , где fi- статический прогиб балки под грузом Qi. fi=i1Q1+i2Q2+.........= iкQк.
Если желательно учесть массу вала, последний разбивается на ряд участков, в центрах тяжести которых прикладывают сосредоточенные силы, равные их весу.
№70. Вынужденные колебания в линейных механических системах
если не учитывать вязкостное трение, то вынужденные колебания равны mxII=-P(x)+P(t). Решение состоит из общего решения и частного: x=A∙sin(ω0t+ φ)+(P0∙sinωt)/(m(ω02- ω2)), где Р0/с=Аст – статическая амплитуда колебаний, с- жёсткость системы, А0-амплитуда вынужденных колебаний, тогда А0=Р0/[m(ω02- ω2)], из ур-я видно, что амплитуда колебаний зависит от частоты собственных колебаний ω0 и частоты вынужденных колебаний ω.
№71. Вынужденные колебания в механических системах при вязком сопротивлении. xII+2nxI+02=(P0/m)sint; χ=[(1-2/02)+42n2/02]-0,5; где χ показывает, во сколько раз А0 больше Аст, т.е. χ=А0/Аст. для введения вязкостной силы трения в колеблющуюся систему вводят вибрационные опоры, состоящие из упруго-статической вставки, которая упруго-пластически деформируется в процессе колебаний и рассеивает энергию. Опора выбирается в зависимости от статической амплитуды колебаний.
№72.Колебания основные определения и термины
под механическими колебаниями понимают многократное поочерёдное возрастание и убывание во времени кинематиче-ских или динамических параметров, характеризующих систему. Колебания бывают: 1) свободные колебания за счёт ранее накопленной энергии, 2) вынужденные колебания вызваны переменным внешним воздействием, 3) параметрические колебания определяются изменением во времени параметров системы, 4) автоколебания возникают под действием источника энергии не колебательного характе-ра при условии, что источник энергии не входит в рассматриваемую систему. В зависимости от направления перемещения колеблющихся масс различают продольные колебания, поперечные и крутильные колебания стержней. способы вынуждения колебаний: 1) силовое возбуждение под действием внешних сил, 2) кинематическое возбуждение вызвано перемещением отдельных элементов системы, 3) параметрическое возбуждение при изменении во времени жёсткости, массы, моментов инерции, 4) автоколебания.
Цель: является образование необходимой базы знаний тео-ретических основ конструирования и расчета элементов оборудования отросли хим. нефтехим. промышленности.
Дисциплина объединяет общеинженерные и специальные дисциплины в единую логическую последовательную систему подготовки студентов к основным видам их деятельности:
- проектно конструированной
- производственная деятельность
- управленческая деятельность
Изучение курса формирует комплекс знаний по общим принципам и методам конструирования машин и аппаратов отрасли, по теории расчета машин и оборудования.
Расчет прочноплотных разъемных соединений, быстровра-щающихся дисков и оболочек, теория расчета оборудования в условиях динамических колебаний.
Соблюдается непрерывность использования ЭВМ. Проис-ходит знакомство с основными проблемами нефтехим. ком-плекса России и профессиональной терминологией.
Студент должен знать основные сведения об общеобразовательном стандарте: Основные принципы и приемы конструирования, нормы и методы расчета на прочность и устойчивость, теоретические основы норм и метода расчетов, правила устройства и безопасность эксплуатации сосудов, влияние конструкционного материала и технологии изготовления на конструкцию оборудования, пути снижения металлоемкости оборудования.
Студент должен уметь: использовать проф.терминологию, обосновать алгоритм решения типовых задач в области конст-руирования, решать типовые задачи с использованием справ. материала и ЭВМ, выполнять анализ конструкции оборудова-ния, читать и профессионально применять содержимое статей и разделов профессиональной литературы в области конструирования и расчета, применять на практике принципы и приемы конструирования и правила эксплуатации сосудов и аппаратов.
№ 2. Машина, аппарат как объект исследования и про-ектирования
. В общесоюзном классификаторе существует около 700 типов оборудования. К этим видам оборудования относятся :
– аппараты колонные, теплообменные, для физико-химических процессов, сосуды и аппараты емкостные, фильтры жидкост-ные, центрифуги оборудование для физико-химической обра-ботки материалов, трубопроводы, насосы, компрессоры и т.д.
номенклатура оборудования каждой группы делится на типы, а те в свою очередь на типоразмеры (диаметр, высота, и т.д.).
По функциональному и технологическому назначению мы можем выделить следующие группы оборудования: топки под давлением – генераторы инертного газа.
Машина отличается от аппарата, т.е. имеет специфические системы:
1) корпус основания, несущая конструкция устройства, закрепленная на фундаменте или иным способом.
2) устройство для подвода подачи обрабатываемой среды.
3) исполнительные механизмы (рабочие органы) приводимые в движение, исполняющие технологический процесс.
4) привод машины (двигатель и систему передачи движения)
5) Система обогрева или охлаждения рабочих зон машин.
6) система контроля технических параметров и управления машиной.
7) вспомогательные системы (система смазки и т.д.)
Машина и аппарат должны удовлетворять определенным требованиям, которые выражены деятельностью показателями качества.
Показатели качества характеризуют основные свойства оборудования ГОСТ 22851
Показатели назначения характеризуют функциональные свой-ства аппарата и машины:
1- производительность, энерго затраты и объем рабочих орга-нов
2- надежность, т.е. свойство во времени сохранять работоспособность в установленных пределах параметра.
3- эргономические показатели
4- показатели технологичности, характеризуют свойства объекта связанные с его эффективностью изготовления
5- показатели транспортабельности
6- показатели стандартизации и унификации.
7- патент
8- экономические показатели
9- показатели безопасности
10- эстетические показатели
№ 3. Классификация основных аппаратов и машин
Существует 700 видов оборудования: аппараты, колонны, теплообменники, аппараты для физ-хим процессов, сосуды и аппараты емкостные, фильтры, жидкостные центрифуги, обо-рудование для физ-мех обработки материала, трубопроводы, насосы, компрессоры и т.д.
Каждая группа делится на типы и типоразмеры
По функциональному и технологическому назначению мы можем выделить следующие группы оборудования:
1)печи трубчатые 2)топки под давлением 3)теплообменное оборудование 4)аппараты колонного типа 5)реакторы 6)емкостное оборудование 7)трубопроводы 8)насосы и ком-прессоры 9)вспомогательное
Сосудом наз-ся устройство, имеющее полость для обработки и хранения веществ.
Аппаратом наз-ся сосуд, имеющий внутреннее устройство для ведения технологического процесса.
Машины отличаются от аппарата тем, что имеют специфи-ческие системы:
- корпус – основная несущая конструкция аапарата;
- устройство для подвода и отвода обрабатываемой среды;
- исполняющие механизмы;
- привод машины;
- систему обогрева и охлаждения рабочих зон машины;
- систему контроля технологических параметров и управления машиной;
- вспомогательные системы.
№ 4. Показатели качества машин и аппаратов
К машинам предъявляется определенные требования, которые выражаются 10 показателями качества.
1)показатели назначения характеризуют функциональные свойства
2)надежность – свойство объекта сохранять работоспособность в установленных пределах параметра
3)эргономические показатели – приспособленность объекта к взаимодействию с человеком
4)показатели технологичности – характеризуют свойства объекта связанные с эффективностью его изготовления
5)показатели транспортабельности
6)показатели стандартизации унификации
7)патентно-правовые операции
8)экологические показатели
9)показатели безопасность
10)эстетические показатели
№ 5. Аппараты на которые распространяются правила ГОСГОРТЕХНАДЗОРа
Сосуды работающие под давлением являются опасными они находятся в ведение ГГТН. Правила устанавливают требования к проектированию, изготовлению, реконструкции, наладке, монтажу, ремонту, эксплуатации сосудов работающих под давлением. Правило распространяется на сосуды работающие под давлением воды с темп выше 115°С или др. жидкости темп превышающую темп кипения при Р0,07МПа, на баллоны принадлежащие транспортировке хранения сжатых сжиженных и растворенных газов с давлением выше 0,07МПа, на цистерны и бочки для хранения сжиженных газов давление паров при темп 50°С превышает 0,07МПа.
№ 6. Требования, предъявляемые к сосудам, подведом-ственным ГОСГОРТЕХНАДЗОРом
При проектирование используют отраслевые стандарты ОСТ 26-291-94.
Правила ГОСГОРТЕХНАДЗОРА
1)правило устройства и безопасное использование сосудов работающих под давлением.
2) правило устройства и безопасное использование технических трубопроводов.
3) правило устройства и безопасное использование паровых и водогрельных катлов.
И т.д.
№ 7. Рабочее, расчетное, пробное и условное давление
Рабочее – это маx разряжение при работе под вакуумом при нормальном течении тех. процесса.
Расчётное давление – это маx давление на которое производится расчет оборудования Ррасч = Рраб за исключением случаев, если аппарат снабжен предохранительным клапаном тогда при рабочем давлении Рраб > 0,07 МПа Ррасч = маx(1,1Рраб;Рраб + 0,2) МПа для сред взрывоопасных или токсичных 1 и 2 класса вредности, для остальных (1,1Р ;Р + 0,1)МПа, если снабжён аппарат предохранительной мембранной то Ррасч = 1,2Р
Если Р≤0,07МПа
Не зависимо от типа предохранительных устройств кроме углеводородных фракций
0,06≤Р≤0,07МПа Ррасч=0,1МПа
0,06>Р МПа Ррасч=0,06МПа
для углеводородных фракций Ррасч принимается давление насыщенных паров этих фракций и газов при t=50°С.
Если аппарат работает под вакуумом абсолютное давление меньше 500Па тогда Ррасч=Рнаруж=0,1МПа.
Условное давление используется для стандартизации узлов и деталей оборудования разработан для условного давления Ру 0,6;1;1,6;2,5;3,2;4МПа
Ру – это расчетное давление при нормальной температуре стандартного элемента.
Пробное давление – это давление испытаний аппаратов и машин.
Рпр – создаваемое водой замена на пневматическое давление возможно только при контроле за состоянием элемента метод ультразвуковой эмульсии.
№ 8. Расчетная температура аппарата
При расчете аппаратов и машин необходим ряд расчетных параметров к которым относится рабочая расчётная температура, давление, механические характеристики материалов, прибавки к расчетным толщинам конструкции элементов.
Рабочая температура – под рабочей температурой понимают мах температуру обрабатываемой среды при нормальном течении технического процесса.
Расчетная температура – это температура для определения физ. мех. свойств конструкции материала и его выбора.
Если температура конструкции элемента может подняться до температуры обрабатываемой среды тогда расчётная температура принимается рабочей.
Если от воздействия обрабатываемой среды элемент защи-щен изоляцией то расчетная температура элемента принимается равной нагреваемой среды соприкасаемой с элементом увеличивается на 20°С.
Если элемент обогревается открытым пламенем горячими газами с t большее 250°С или открытым электрообогревателем расчетная температура принимается равной нагреваемой среды соприкасаемой с элементом увеличивается на 50°С.
В др. случаях расчетную температуру определяют тепловым расчётом.
№ 9. Выбор допускаемых напряжений. Факторы, влияющие на допускаемые напряжения
Для стального проката напряжения рассчитывают:
(σ)=σт/nт по пределу текучести (1)
(σ)=σв/nв по пределу прочности (2)
(σ)=σдп/nдп по пределу длительной прочности (3)
(σ)=σпл/nпл по пределу ползучести (4)
запас прочности nт=1,5 nв=2,4 nдп=1,5 nпп=1,1
Если расчетная темп не превышает 380°С для углер ста-ли,420°С для низко лигир,525°С для высоко лигир, то расчет допускаемых напряжений производится по мин (1) и (2).
Если расчет темп превышает пределы то расчет по (1) (3) (4) при этом выбирается мин значение.
(4) применяется если требуется ограничить деформацию детали в рабочих условиях пи высокой темп в остальных случаях применяется (1), (3).
Для стального литья в формулы вводится коэффициент η:
Если отливка подвергается индив контролю то η=0,8;
Если выборочному то η = 0,7;
η умножается на σ.
№ 10. Формулы для определения допуск-х напряжений
См. в. № 7
№ 11. Запас прочности и его значение
См. в. № 7
№ 12. Геометрия оболочки вращения и ее свойства
Оболочкой вращения наз оболочкой серединная поверх-ность образована вращением плоской кривой вокруг оси лежа-щей в плоскости кривой и не пересекающей ее.
Серединной поверхностью наз поверхность все точки которой одинаково отстоят от внутренний и наружной поверхности. Точка пересечения оболочки вращения с осью наз полюсом.
Сечение оболочки осевой плоскостью наз первым главным сечением.
Сечение оболочки плоскостью перпенд меридиану наз вто-рым главным сечением.
Меридианом наз линию сечения пересечения оболочки осе-вой плоскости.
К2А = R2 радиус кривизны оболочки, второй главный ради-ус.
Свойства оболочки вращения:
1)R1 R2 являются мах мин радиусами кривизны оболочки в заданной точке.
2)главные радиусы кривизны лежат на одной нормали к по-верхности оболочки.
3)кривизна оболочки в полюсе во всех направлениях одинакова.
4)начало второго радиуса кривизны лежит на оси вращения.
№ 13. Усилия и изгибающие моменты в оболочках вращения
Рассмотрим оболочку с внутренним давлением вырежем в стенки элемент с двумя осевыми плоскостями с углом dφ1. Т.к. оболочка нагружена давлением на границе элемента будут действовать силы явл равновесными силами давления, эти силы вызывают растяжение на гранях элемента.
Силы действ на меридиан грани обозначим Т, силы действ на на нижн и верхн грань наз меридианными силами S.
Оболочка наз осе симметричной если она явл оболочкой вращения и нагружена силами и моментами расположенными симметрично относительно оси вращения. В общем случае на грани элемента действуют меридианные моменты М, и каса-тельный момент К. силы Т одинаковы. Силы N на нижней и верхней части не одинаковы.
σ1 =S/SR ± σM/SR2 W = SR2/σ
σ2 = T/SR±σK/ SR2 τ = N/SR
№ 14. Определение величины напряжения от изгибаю-щего момента в цилиндрической оболочке
R1→ ∞
ε =σ2/Е → ε =PRR2/SRE
R2 увеличится до R2ε
Кривизна оболочки до деформации 1/R2
Кривизна после деформации 1/R2ε+R2
Изменение кривизны 1/R2-1/R2(1+ε)=1+ε-1/R2(1+ε)
Изменение кривизны вызвано изгибающим моментом:
M=EI(PR/SRE)=I(PR/SR)
Момент инерции I=SR3/12.
Напряжение изгиба:
σи=M/W; W=SR2/6;
σи=PR/2;
σ2/σи>10%
№ 15. Основное уравнение безмоментной теории расчета оболочек. Уравнение Лапласа
Рассмотрим осе симметричную оболочку нагруженную давлением. Рассмотрим равновесие элемента под действием сил и напряжений, для этого найдем проекцию всех сил на нормаль к центру поверхности элемента:
∑n-n=0=PRdl1dl2-2σ1SRdl1sindφ1/2-2σ2dl2Sindφ2/2
sindφ1/2=dL2/2R1
Sindφ2/2=dL1/2R2
∑n-n=0=PRdl1dl2-2σ1SRdl1dL2/2R1-2σ2dl2dL1/2R2
PR/SR=σ1/R1+σ2/R2- уравнение Лапласа.
№16. О краевой задаче. Причины вызывающие краевые усилия.
При расчете тонкостенных оболочек, мы не учитываем закрепление их краев. В реальных конструкциях эллиптические, конические, полусферические оболочки соединены с цилиндрическими оболочками, т.е. края оболочек не свободны и деформация краев оболочек должна происходить одинаково. Вследствие различной деформационной способности краев различных оболочек соединенных между собой возникают равномерно распределенные по краю оболочек краевые силы и моменты.
№ 17. Расчет тонкостенных цилиндров, работающих под внутренним давлением
Расчет выполняется если SR/D≤0,1
R1→ ∞
πR2PR=σ12πR2SR → σ1=PRR2/2SR
по условию первой теории прочности разрушение произой-дет когда max и нормальное напряжение превысят допускаемые
1)σ2≤(σ)φ
2)σ2 - σ3/2≤(τ)φ σ2 - σ3/2≤(σ)φ/2
3) σ2≤(σ)φ
1), 3) гипотезы положены в основу расчета тонкостенной оболочке нагруженных давлением
P RR2/SR≤(σ)φ; R2=(D+SR)/2
PR(D+SR)/2SR≤(σ)φ
SR≥PRD/2(σ)φ-PR
Исполнительная толщина стенки цилиндра:
S≥SR+C
C=C1+C2+C3
C1-прибавка на коррозию и эрозию
С2-прибавка на – допуск
С3-прибавка по техническим и монтажным соображениям.
№18. Эллиптические днища, работающие под внутрен-ним избыточным давлением и их расчет
Применим к расчету выпуклого днища Ур-ие Лапласа:
. Из анализа Ур-ия следует, что напряже-ния будут max в точках с max радиусом. Для эллиптического днища max R равен
Д-0,5SR=R1. Тогда уравнение будет выглядеть след-м обра-зом: , . Тогда, учитывая, что R=D+SR/2 получим:
№19. Расчет конических днищ, работающих под внут-ренним давлением
Расчет конических днищ и переходов выполняется по Ур-ю Лапласа:
. Для конических днищ R2=r1/Cosa; R1∞. Тогда
σ2 max при r1 max, , ,
тогда: . Зная, что , можно получить формулу для расчета необхо-димой толщины стенки конического днища: . Max допуст-е давление опр-ся по формуле: . В месте соединения неотборто-ванного конического днища с цил-й обечайкой возникают доп-ые краевые силы и моменты, которые увеличивают напряжения в этом сечении, поэтому Ур-ие для расчета толщины прин-т след-й вид: , где β1 – учитывает условия соединения конической оболочки с цил-й и зависит от соотношения геометрических размеров цил-й и кон-й оболочек. Для отбортованных днищ расчетная толщина переходной части с радиусом закругления r, определяется по формуле:
№ 20. Критерии применения расчетных формул при расчете тонкостенных цилиндров, работающих под внутренним давлением
SR/D≤0,1
(PRD/2(σ)φ-PR)≤0,1
2(σ)φ-PR/PR≥10
2(σ)φ/PR-1≥10
(σ)φ/PR≥5,5
№ 21. Прибавки к расчетным толщинам конструктив-ных элементов
C=C1+C2+C3
C1-прибавка на коррозию и эрозию если VtH; Et=αΔt;
Величина напряжений прямо пропорциональна произведе-нию EαΔt, Δt=tB-tH:
В общем случае эти напряжения суммируются с напряжениями от давления. Температурные напряжения учитываются, если t не превышает:
для углеродистых сталей - 380ºС;
для низколегированных - 420ºС;
для аустенитной высоколегированной стали - 525ºС.
При превышении t – ых пределов напряжения по толщине стенки выравниваются в результате явления ползучести материала.
Проверочный расчет выполняют с учетом эквивалентных напряжений определяемых по 4 – ой теории прочности (энергетическая теория):
№30. Расчет толстостенных аппаратов
Аппараты толстостенные сосуды с внутренними устройствами.
Это как правило реактора. Такие аппараты имеют большой вес. Сложные по устройству и дорогие.
Для толстостенных цилиндров гипотезы прочности плохо согласуются с опытом, материал цилиндра находится в трехмерном напряженном состоянии.
В этом случае лучшие результаты дает расчет цилиндров по предельному состоянию. В соответствии с теорией Сен-Вана при трехмерном напряженном состоянии материал перейдет в пластическое состояние, когда разность σmax- σmin= σT
Для цилиндра (1)
Для решения задачи проинтегрируем уравнение (1):
(2), в уравнение (2) подставим уравнение (1): ; ; ;
где с – постоянная интегрирования. Для нахождения с исполь-зуем граничные условия r=RH, σr=0
На внутренней границе цилиндра σr=-РR. При условии когда наступит пластическая деформация обозначим РТ, тогда для условия пластичности , поделим правую и левую часть уравнений на запас прочности по пределу текучести:
CК– в конце срока службы.
RH=RBH+SR
SR=(β-1)(RBH+CK)
№31. Конструкции толстостенных сосудов
Сначала толстостенные сосуды изготавливались коваными т.к. кованая сталь в 1,5 – 2 раза прочнее литья.
На смену кованым пришли штампосварные аппараты.
Днища также изготавливались штампосварными или кова-ными. Они привариваются электрошлаковой сваркой.
Затем появились многослойные сосуды. Недостаток – сложная конструкция и технология изготовления. Была разработана конструкция изготовления аппарата методом рулонирования.
№34. Определение ветровой нагрузки на аппарат.
Ветровая нагрузка действующая на аппарат зависит от района, где установ¬лен аппарат. В России в соответствии с принятым стандартом территория разделена на 7 районов. Чем выше номер района, тем больше максимальной силы ветер который может воздействовать на аппарат. Максимальной силы ветер может быть предсказан в настоящее время за несколько часов, а иногда суток. В этом случае предприятие получает штормовой предупреж¬дение. При этом предприятие прекращает все работы на высоте и все гидро¬испытания. Сила ветра измеряется скоростным напором ветра – q0, Н/м2 (Па)
В связи с этим расчет аппаратов осущ-ся с учетом max силы ветра действующего в данной местности. При расчете на ветровую нагрузку аппарат разбивают на несколько участков. Чем больше число участков, тем точнее расчет. Обычно число участков не менее 4 – 5. Вес участка условно считается сосредоточенным в центре участка. Ветровое воздействие на аппарат складывается из двух составляющих: - статическая сост-я – давление ветра; - динамическая сост-я. Дин-я сост-я представляет собой силы инерции действующие на колонный аппарат в результате его раскачивания под порывами ветра. Порывы ветра связаны с турбулентными пульсациями ветрового напора. Стати-я сост-я зависит от размеров участка и др-х хар-к: Pi st =Di Hhiqi st. qi st – расчетный скоростной напор, зависит от высоты участка аппарата над пов-ю земли: qi st = q0ΘiK. Θi – коэф-т зав-й от высоты участка над пов-ю земли; Θi=(xi/10)0,31. К – аэродинамический коэф-т, зависит от формы сооружения. Для аппаратов круглого сечения К=0,7.
Динамическая сост-я ветровой нагрузки зависит от ускорения центра тяжести участка аппарата от колебаний аппарата. Pi дин=νGiξηi. ν – коэф-т пространственной корреляции пульсаций ветра. ,
ξ – коэф- т дин-й нагрузки, зависит от периода собственных колебаний аппарата и нормативного скоростного напора. ηi – приведенное относительное ускорение центра тяжести участка аппарата, зависит от геом-х размеров аппарата и его участков, момента инерции сечения аппарата, статической сост-й ветровой нагрузки, высоты аппарата и веса участка. Приведенное ускорение возрастает в соответствии с ростом координаты участка.
Вопрос №35 Определение сейсмической нагрузки на аппарат
Сила землетрясений оценивается в баллах по шкале Рихтера. Колонные аппараты относительно прочные сооружения и расчет проводимый на сейсмическую нагрузку выполняется для районов от 7 до 9 баллов. Сейсмические силы действующие на наземные сооружения явл-ся инерционными силами возникшими в рез-те колебания вместе с земной корой. Колонный аппарат в расчетной схеме представляется в виде упругой линии упруго защемленной в основании. Масса участков аппарата представляется сосредоточенной в отд-х точках упругой линии в центре участка. Сейсмическая сила представляется силой приложенной к этим точкам. Si=KSβGiη, КS – сейсмический коэф-т, зависит от сейсмичности района. Β – коэф-т динамичности конструкции β=1,9/Т, Т – период собственных колебаний аппарата, измеряемый в секундах
Сейсмичность 7 8 9
КS 0,1 0,2 0,4
0,8<=β<=2,5. ηi – приведенное ускорение силы тяжести участка.
МОС=ΣSixi. Рассмотренный момент учитывает только низшие формы колебаний , когда все точки аппарата одновременно удаляются от точки равновесия и одновременно в нее возвра-щаются. Но возможна и высшая форма колебаний. Учет выс-ших форм колебаний представляет довольно сложную задачу до конца не решенную. В нормах расчетов принято, что сейс-мический момент в результате высших колебаний возростает в основании на 25%, постепенно понижается с увеличением высоты. И на высоте 75% высоты аппарата составляет 25% от момента в основании.
№43. Конструкции фланцев
По конструкции фланцы можно разделить на цельные, когда корпус аппарата и фланец работают под нагрузкой совместно, и свободные, когда корпус аппарата разгружен от действия изгибающих моментов, возникающих при затяжке фланцевого соединения. Конструкция фланцев в значительной мере опре-деляется давлением рабочей среды и требованиями минималь-ных затрат времени на сборку или разборку соединения.
Плоские приварные фланцы представляют собой плоские кольца, приваренные к краю обечайки по ее периметру. Их рекомендуется применять при условном дав-и 0,3-1,6 МПа и теп-ре до 300С. Фланцы приварные встык имеют конические втулки-шейки. Втулку фланца приваривают стыковым швом к обечайке. Свободные фланцы представляют собой кольца, диаметр отверстия которых несколько больше наружного диаметра обечайки, на которую их свободно надевают. При затяжке фланец упирается в отбортовку обечайки или кольцо, привариваемое к ее краю. Такие фланцы применяют при р до 1,6 МПа и Т=300С, а число циклов нагружения не должно превышать 2*103. Обычно их применяют в аппаратах, изг-ых из мягких(медь) или хрупких(керамика) материалов.
№ 44. Выбор прокладок. Материал прокладок фланце-вых соединений.
1 Плоские эластичные прокладки из паронита. Паронит – ком-позиционный материал, основа – резина, наполнитель – асбест. Р – до 2,5 МПа, t–до 400ºС
2 Ме прокладки овального или 8-ми угольного сечения. T – состветствует температурному интервалу Ме. Р – состветствует условному давлению фланца. Изготавливаются из железа АРМКО или аустенитной хромоникелевой стали (08Х18Н10Т).
3 Асбометалические прокладки. Применяются для фланцев с плоской уплотнительнй поверхностью. Р – до 6,3 МПа. T – до 500ºС.
4 Спираленавитые прокладки. Между спиралью из Ме распо-ложена полоса из паронита, асбеста или графитоплена. Область применения таже, что и 1 и 3 вид прокладок.
№45. Болтовая нагрузка фланцевого соединения
Рб1=мах[(α*Qд+Rn);π*Дж*b*q;(0,4[σ]б*Z*fб)]
/ / /
герметич-ть смятие затяжка гайки
α- коэф-т учит-ий жесткость флан-го соед-я при монтаже
q- уделное давление необ-е для снятия прок-ки
[σ]б- допускаемое напрежение для мат-ла болтов или шпилек
В рабочих условиях
Рб2= Рб1+(1- α) Qt +Qд
Условие прочности болтов
Рб1/ Z*fб≤[σ]б20С Рб2/ Z*fб≤[σ]бtr fб= fш= π/4*d2.
№46. Температурные напряжения в болтах и шпиль-ках фланцевых соединений
Фланец соприкасается с обрабатываемой средой и поэтому нагревается практически до t обрабат-й среды. Шпильки или болты фланцевого соединения взаимодейст-т с материалом фланца, а также воздухом и поэтому нагреты до более низкой t. Разность деформации шпилек и болтов Δl: где lБ – рабочая длина болта, tФ, tБ – температура фланца и болта, αФ, αБ – коэф-т температурного расширения ; εt=tФ•αФ- tБ•αБ εt – относительное температурное расширение. Учитывая что площадь сечения фланца во много раз превосходит площадь сечения всех болтов и шпилек, в соответствии с законом Гука σБ=εt•ЕБ, ЕБ-модуль упругости. Отсюда найдём температурное усилие действ-ее на болт Qt=σБ•fБ•zБ, fБ - площадь сечения болта, zБ - число болтов Qt=( tФ•αФ- tБ•αБ)•ЕБ•fБ•zБ•ν, ν - коэф-т жёсткости фланцевого соединения, учитывает деформационную способность ν3000 болта не применяют для фланцевых соединений.
№48; 49. Расчет аппарата на ветровую нагрузку
Рассматривается как наружный так и внутренний диаметр. При расчёте на ветровую нагрузку аппарат условно разбивают на ряд участков по высоте, так чтобы они заканчивались в месте перехода от одного диаметра к другому. Условно считают, что ветровая нагрузка приведена к центру участка, вес участка также считают сосредоточенным в центре. Координаты участка от поверхности земли x. Ветровое воздействие на аппарат складывается из 2-х составляющих: статической (давление ветра Рi st) и динамической Рi дин. Рi дин – это силы инерции действующие в результате раскачивания. Порывы ветра связаны с турбулентными пульсациями скоростного напора Рi= Рi st+ Рi дин. Статич-я составляющая зависит от размеров участка Рi st=Di н•hi•qi st; qi st-расчётный скоростной напор. qi st зависит от высоты участка от поверхности земли qi st=q0•θi•K θi - коэф-т зависит от высоты участка от поверхности земли ; K-аэродинамический коэф-т (для некруглых сечений К=1,4; для круглых сечений К=0,7). Динамическая составляющая зависит от ускорения центра тяжести участка аппарата от колебания аппарата: Рi дин=ν•Gi•hi•ξ ν - коэф-т пространственной корреляции пульсации ветра ν=0,968 – 0,025 ; ξ – коэф-т динамичности конструкции зависит от периода собственных колебаний аппарата и нормативного скоростного напора; hi-приведённое относительное ускорение центра тяжести участка аппарата, зависит от геом-х размеров аппарата и его его участков, момента инерции сечения ап-та и участков, статич-ой составляющей ветровой нагрузки, высоты ап-та и веса участков. Ап-т имеет площадки обслуживания координаты их xj. В результате воздействия ветровой нагрузки на площадке действует сила Рj, вызывающая изгибающий момент: -ветровой момент в сечении Aj-площадь проекции элментов площадки обслуживания на вертикальную плоскасть вне зоны аэродинамической тени; - коэф-т учитывающий пульсацию ветрового напора mj- коэф-т пульсации, учитывает расстояние увеличения нагрузки от земли.
№50. Определение периода собственных колебаний аппарата
Определение периода собственных колебаний колонных аппаратов является составной частью расчета аппаратов на ветровую нагрузку.
Период собственных колебаний аппарата постоянного сечения с приблизительно равномерно распределенной по высоте аппарата массой следует определять по формуле
T = T 0 ,(1)где T 0 = 1,8 H .(2)
Период основного тона собственных колебаний аппарата переменного сечения следует определять по формуле
T = 2 H ,(3)
где CF определяется по данным инженерной геологии; при отсутствии таких данных CF выбирают в зависимости от плотности грунтов по табл. 1.1;
i относительное перемещение центров тяжести участков рассчитываемое по формуле
,(4)
где i коэффициент, определяемый по формуле
(5)
коэффициент, определяемый по формуле
.(6)
Для аппаратов с двумя переменными J0 и J1 в формуле (6) следует принимать Н2 =0;
, , определяют по формулам
,(7) ,(8) .
№51. Сейсмическая нагрузка. Определение момента с учетом высших форм колебаний
Колонные аппараты являются относительно прочными конст-рукциями. Расчет на сейсмическую устойчивость выполняется для районов с сейсмичностью 7 – 9 баллов.
Сейсмические силы являются по существу инерционными силами, действующими на аппарат во время землетрясения. При расчетах сейсмические силы прикладываются горизон-тально в середине участков аппарата.
Расчетная сейсмическая сила в середине i го участка для первой формы колебаний определяется по формуле
, ( 23 )
где - коэффициент динамичности находят по формуле (24), но во всех случаях принимают не менее 0,8 и не более 2,5.
1,9/T. ( 24 )
Сейсмический коэффициент KS выбирают в зависимости от района установки колонны по табл. 1.3;
I – приведенное ускорение центра тяжести участка
Максимальный изгибающий момент в нижнем сечении колон-ны при учете только первой формы колебаний определяют по формуле
.( 25 )
Учет высших форм колебаний представляет собой сложную, до конца не решенную задачу.
В нормах расчета принято, что в результате высших форм колебаний нагрузка возрастает в основании аппарата на 25 %, постепенно снижается с увеличением высоты и на высоте 0,75 полной высоты составляет 25% от момента в основании.
Расчетный изгибающий момент MR C в сечении с учетом влияния высших форм колебания рассчитывают по следующим формулам
Если 0, 75 H, . ( 26 ) Если 0, 75 H , . 27 )
№52. Расчетные сечения и сочетание нагрузок, действующих на аппарат
Под расчетными сечениями понимаются сечения колонного аппарата в которых производится проверочный расчет на прочность и устойчивость от совместного действия всех нагрузок.
В качестве расчетных сечений рассматриваются сечения аппарата в месте изменения толщины стенки или диаметра; поперечное сечение корпуса в месте присоединения опоры; поперечное сечение опорной обечайки в месте присоединения к фундаментному кольцу и сечение в месте расположения отверстий в опорной обечайке.
Колонный аппарат необходимо рассчитывать для следую-щих трех условий работы аппарата:
рабочие условия;
условия испытания;
условия монтажа.
Примечание:
1. При расчете моментов MV1 и MG1 исходят из общей весовой нагрузки в рабочих условиях.
2. При расчете момента MV2 исходят из общей весовой нагрузки в условиях испытания.
3. При расчете моментов MV3 и MR3 исходят из общей весо-вой нагрузки в условиях монтажа; при расчете MV4 учитывают изоляцию.
№53. Расчет корпуса аппарата на прочность от действия моментов, осевой силы и расчетного давления
Допускаемый изгибающий момент определяется по формуле
[М] = , где [М]р = Wс[] – допускаемый изги-бающий момент из условия прочности; Wс = ; [М]Е = D3[ ]-2,5 – допускаемый изгибающий мо-мент из условия местной устойчивости.
Допускаемая осевая нагрузка определяется по формуле
[F] = , где [F]р – допускаемая осевая нагрузка из условия прочности, [F]Е - допускаемая осевая нагрузка из условия устойчивости
Допускаемое давление определяется по аналогичной формуле
[Р] =
В случае комплексного нагружения устойчивость аппарата определяется долей устойчивости от каждого вида нагруже-ния + + + 1.
№54. Расчет опорного кольца
1 Расчет ширины нижнего кольца
Нагрузка от веса G и момента М, вызывает напряжение в опоре кольца, определяемое
бет = + []бет;
fк =Dбb2;
Dб – диаметр болтовой окружности кольца
Wк = ,
Откуда получим
b2 ( + ) / []бет.
2 Расчет толщины нижнего опорного кольца
Изгибающий момент, действующий на выступающую часть кольца шириной b и длиной равной 1, будет равен
М = ,
Этот момент вызывает в кольце напряжения изгиба
изг = ; W = ; изг = , откуда Sк ,
Учитывая, что нагрузка на кольцо распределена неравномерно, толщину кольца определяют с учетом поправочного коэффициента
Sк ,
Полученное значение округляется до ближайшего стандартно-го.
3 Расчет толщины верхнего опорного кольца
На верхнее кольцо действует болтовая нагрузка от фундаментных болтов
Максимальное болтовое усилие можно определить по формуле
Рб = Аб []б,
где Аб = d12 – площадь поперечного сечения фундаментного болта по внутреннему диаметру резьбы
Болтовое усилие вызывает момент М = ; тогда изг = ; Wвк = , тогда [] из = , откуда S2
В нормативных методах расчета формула упрощается к виду S2 .
№56. Расчет сварного шва крепления опорной обечайки к корпусу аппарата
На сварной шов действуют напряжения
ш = + ;
Wсш – момент сопротивления сварного шва изгибу
Wсш = ;
fсш – площадь поперечного сечения сварного шва
fсш = Dвk
k – катет сварного шва, как правило выполняется равным толщине опорной обечайки.
Dв – внутренний диаметр опорной обечайки.
Условие прочности сварного шва имеет вид
ш []ш
№57. Расчет опорной обечайки на устойчивость
- условие устойчивости сплошного цилиндра.
, где 1 – коэффициент, учитывающий ос-лабления площади сечения опорной обечайки в месте лаза; 2 – момента инерции в месте выреза; 3 – центра тяжести сечения в месте выреза по отношению к центральной оси обечайки
№58. Уравнение равновесия элемента быстровра-щающегося диска
Вырежем из быстровращающегося диска элемент двумя осевыми плоскостями с углом dj между ними и двумя концен-трическими окружностями. Диск вращается с угловой скоро-стью . b – толщина диска. - разделим все уравнение на dr:
№59. Деформация элемента быстровращающегося диска
Воспользуемся обобщенным законом Гука. ;
Относительная деформация в радиальном направлении может быть выражена через деформацию его толщины в направлении его радиуса. ; *; *; Подставим уравнения * в получим диф. уравнение равновесия элемента, выраженное через его деформацию: где - решается интегрированием: ; ; ; . ;
Постоянные интегрирования можно найти из граничных условий: При отсутствии закрепленных деталей на наружной границе диска радиальные напряжения =0. На внутреннем контуре диска при посадке диска на ступицу без натяга радиальные напряжения =0.
№60. Общее решение быстровращающегося диска постоянной толщины
, где , коэффициенты зависящие от Х=R1/r.
; ; ; ; , если м=8000 кг/м3, иначе умножается на поправочный коэффициент (м/8000). Граничные условия: r= (r=R2) = r2. При отсутствии на наружном контуре деталей r2=0.
Иначе r2= , где - толщина диска. Fц – центробежная сила. , где m – масса закрепленной детали. При расположении лопастей на площади диска они увеличивают массу диска: , где mд и mл – масса диска и лопаток. Vд – объем диска.
Если диск закреплен с натягом на ступице ротора, Rсопр – радиус сопряжения со ступицей, то , где - величина натяга – разность диаметров ступицы и диска.
№61. Приближенный метод расчета диска переменной толщины
Диск переменной толщины можно разбить со сколь угодной точностью на диски постоянной величины, для них будут спра-ведливы все граничные условия. Условие на внутренней границе диска №2 находят из условия равенства сил на наружной границе диска №1 и внутренней границе диска №2. Отсюда: , , ,
(*) , где i – индекс диска.
1.Системы решают следующим образом: 1) Задаются произвольным знач. напряжения t1 на начальном радиусе диска. r1 – известно из начальных условий. 2) Вычисляют напряжения на наружной поверхности первого участка tI2, rI2 , что дает возможность с помощью (*) системы напряжение на внутренней поверхности второго участка. 3) Переходя от участка к участку получив в итоге напряжение на наружном контуре диска. Заканчивается первый расчет, все напряжения имеют служебный индекс 1. поскольку напряжение t было произвольно, то радиальное напр. На наружном контуре не совпадет с гранич. условиями.
2. 1)Новое произвольное значение t1II, принимают w=0,n=0,T=0. 2) Вычисляют напряжения с индексом II. Согласно принципу независимости действия сил значение 1 и 2 расчетов могут быть суммированы. n – номер последнего участка.
; , найдя k рассчитаем истинное напряжение на границе всех дисков.
№64. Особенности расчета аппаратов с рубашками
, . Для эллиптической части и днища рубашки: , . , где = 300, . Диаметр сопряжения рубашки с днищем сосуда d1 , не меньше диаметра зоны укрепления отверстий в корпусе аппарата. - коэффициент осевого усилия, учитывает расстояние между корпусом сосуда и рубашкой.
№66. Критическая скорость валов гибкие и жесткие валы
nкр=30кр/.Еще в середине ХIХ века было установлено, что при вращении валов, когда скорость их достигает определенной величины, они становятся неустойчивыми, начинают колебаться и теряют свою прямолинейную форму, давая значительные прогибы. При дальнейшем превышении скорости вращения описанное явление прекращается, но возобновляется, когда скорость достигает некоторого нового значения. Скорости, при которых возникают эти явления, называются критическими скоростями. Определение критических скоростей крайне важно, так как, если действительные скорости совпадают с критическими или даже слишком приближаются к ним, возникает явление, аналогичное явлению резонанса, вал может разрушиться. Гибким называют вал, скорость вращения которого превышает критическую скорость вращения. Жестким называют вал, скорость вращения которого ниже критической. Условие виброустойчивости ротора жесткий вал раб 0,7 кр 1 Гибкий вал 1,3 кр 1 < раб <0,7 кр 2
№67.Самоцентрирование валов
определим значение, на-пример, у1,когда раб .
Разделим все элементы числителя и знаменателя у1 на 2раб. Получим, подставляя вместо A1 и A2 их значения:
у1 =
При 2 после раскрытия определителя прогиб вала равен
у1= (1.3)
То есть при точки оси вала под нагрузками располагаются по оси вращения. Вал самоцентрируется. Подобное самоцентрирование валов крайне важно, так как при этом эксцентриситет, а с ним и центробежные силы значительно уменьшаются, вал работает спокойно, прогибы стремятся к нулю. Речь идет о конечной скорости, превышающей критическую. Поэтому, когда речь идет о быстровращающихся валах, если вращаются большие массы, целесообразно работать на скоростях вращения выше кри-тической.
№68.Определение критической скорости валов мето-дом наложения
Решение определителя сложно, когда много нагрузок и когда вал переменного сечения. В 1894г. Донкерли вывел фор-мулукр= ,где кр - наименьшая возможная критиче-ская частота вращения, 1/с; mi-масса i - го участка вала, кг. Преобразуя уравнение, получим
ii mi=iiGi/g=1/кр2=fстi /g,
где Gi - вес i- го участка вала, н; g - ускорение свободного падения, м/с2; fст i - статический прогиб вала под грузом (ве-сом вала), м.
Следовательно, 1/кр2 = 1/кр 12 + 1/кр 22 +1/кр 32 + +1/кр i2.В случае распределенной по какому-либо закону непрерывной нагрузки q(x) рассмотрим бесконечное число элементарных нагрузок q(x)dx, сосредоточенных в точке с абсциссой х. В этом случаекр2=g / q(x) dx,
где хх - прогиб в точке х под действием единичной силы, при-ложенной в этой точке; l - длина вала, к которому приложена распределенная нагрузка, м.
В общем случае действия сосредоточенных и распределенных нагрузок
кр2=1/ .
№69.Определение критической скорости валов мето-дом Рейлея
Применим к колеблющейся балке принцип сохранения энер-гии. Предполагая колебания без потерь энергии, имеем T+V=const; y=0; Т=Тmax, V=0; y=ymax, V=Vmax, Т=0, где V- потенциальная энергия; T- кинетическая энер-гия.V=
T= ,где yi- пере-мещение центра тяжести отрезка вала, м; yi -первая производная от перемещения по времени, м/с;
g -ускорение свободного падения, м/с2; Qi-вес i - го участка вала, н.
Из закона сохранения энергии следует: Tmax+0=const;Vmax+0=const; Tmax=Vmax. Рассмотрим случай колебания с наименьшей частотой, когда все массы одновре-менно достигают максимального удаления от положения по-коя и одновременно через него проходят. Так как грузы совершают гармоническое колебание, yi=icos(t+); yi=isin(t+); yimax=i; yimax=i,
где i-аплитуда колебания i - й точки; t – время, с; - сдвиг фазы.
Следовательно:Vmax= Tmax= .Отсюда следует:
= кр= .
Рейлей предположил и доказал, что можно заменить i статическими прогибами балки, т.е. принять: кр= , где fi- статический прогиб балки под грузом Qi. fi=i1Q1+i2Q2+.........= iкQк.
Если желательно учесть массу вала, последний разбивается на ряд участков, в центрах тяжести которых прикладывают сосредоточенные силы, равные их весу.
№70. Вынужденные колебания в линейных механических системах
если не учитывать вязкостное трение, то вынужденные колебания равны mxII=-P(x)+P(t). Решение состоит из общего решения и частного: x=A∙sin(ω0t+ φ)+(P0∙sinωt)/(m(ω02- ω2)), где Р0/с=Аст – статическая амплитуда колебаний, с- жёсткость системы, А0-амплитуда вынужденных колебаний, тогда А0=Р0/[m(ω02- ω2)], из ур-я видно, что амплитуда колебаний зависит от частоты собственных колебаний ω0 и частоты вынужденных колебаний ω.
№71. Вынужденные колебания в механических системах при вязком сопротивлении. xII+2nxI+02=(P0/m)sint; χ=[(1-2/02)+42n2/02]-0,5; где χ показывает, во сколько раз А0 больше Аст, т.е. χ=А0/Аст. для введения вязкостной силы трения в колеблющуюся систему вводят вибрационные опоры, состоящие из упруго-статической вставки, которая упруго-пластически деформируется в процессе колебаний и рассеивает энергию. Опора выбирается в зависимости от статической амплитуды колебаний.
№72.Колебания основные определения и термины
под механическими колебаниями понимают многократное поочерёдное возрастание и убывание во времени кинематиче-ских или динамических параметров, характеризующих систему. Колебания бывают: 1) свободные колебания за счёт ранее накопленной энергии, 2) вынужденные колебания вызваны переменным внешним воздействием, 3) параметрические колебания определяются изменением во времени параметров системы, 4) автоколебания возникают под действием источника энергии не колебательного характе-ра при условии, что источник энергии не входит в рассматриваемую систему. В зависимости от направления перемещения колеблющихся масс различают продольные колебания, поперечные и крутильные колебания стержней. способы вынуждения колебаний: 1) силовое возбуждение под действием внешних сил, 2) кинематическое возбуждение вызвано перемещением отдельных элементов системы, 3) параметрическое возбуждение при изменении во времени жёсткости, массы, моментов инерции, 4) автоколебания.