Рекомендовані значення коефіцієнта h

Мембранна теорія оболонок. Рівняння рівноваги елемента і зони тонкостінної оболонки. Меридіанне, кільцеве і нормальне напруження в оболонці під дією внутрішнього тиску. Оцінка міцності тонкостінних посудин. Припустимий внутрішній тиск і товщина стінки оболонки. Врахування особливостей конструкції і експлуатації апарату

Вихідний, кінцевий та проміжні описи об’єкту конструювання. Блочно-ієрархічний підхід. Функціональний, конструкторський і технологічний аспекти. Диференціація описів. Богатоетапність та ітераційність конструювання. Типізація і уніфікація конструкторських рішень.

Задачі і нормативна база конструювання. Загальні вимоги до конструкції обладнання. Особливості конструкторської роботи в сучасних умовах. Стадії функціюнування технічної системи і етапи її створення. Принципи конструювання.

НМетАУ

Конспект лекцій з дисципліни “Основи конструювання обладнання” для студентів спеціальності 6.070800 “Екологія”/ Уклад. І.І. Іванов. – Дніпропетровськ: Національна металургійна академія України, 2005. - с.

Укладач:

І.І. Іванов, канд. техн. наук, доцент

Відповідальний за випуск завідувач кафедрою ІЕ та ОП В.П. Бобилєв, канд.. техн. наук, проф..

Тема 1. Вступ. Технічна система як об’єкт конструювання.

Призначення та структура САПР.

Слово «конструювати» у перекладі з латинської мови означає створювати, будувати, споруджувати. Перед тим, як щось створювати, людина формує у своїй уяві суб’єктивну модель предмету праці, а потім реалізує її. Тобто, існують два етапи створення об’єкту – це проектування та виконання. Розглянемо співвідношення понять “проектування” та “конструювання”.

Проектування (від латинського слова projctus – спрямований уперед) – це процес розробки проектної документації або проекту деякого об’єкту, тобто створення упорядкованої раціональним чином системи елементів, яка у випадку реалізації забезпечить виробництво технологічного продукту заданої якості у потрібній кількості. При проектуванні розробляється цілий технологічний комплекс (цех, підприємство), який включає як нові, так і типові елементи, що вже серійно випускаються.

Конструювання – це розробка тільки нових елементів об’єкту, які є відмінними від існуючих та володіють новими якостями. Тобто, конструювання – це складний творчій процес графічного перетворення знань, втілення наукових розробок у нові конструкції. Можна сказати, що поняття “проектування” є більш ширшим, ніж поняття “конструювання” і конструювання є невід’ємною складовою частиною проектування.

Якщо у процесі праці приймає участь одна людина, то модель предмету праці може замикатися у її власній уяві та поняттях. Це може стосуватися, насамперед, нескладного об’єкту. Як тільки до процесу праці буде залучений іншій учасник, з’являється потреба передачі йому інформації щодо предмету праці. Це може бути зроблено у тому чи іншому умовному коді – у формі мови, словесного або графічного опису.

Теоретичні основи конструювання механізмів були закладені у другий половині 18 – го сторіччя академіком Л. Ейлером. Численні досягнення у техніці 19 – го сторіччя, що випереджали розвиток науки, були для неї основою бурхливого розвитку. Існує два основні етапи конструювання:

1) Пошук та прийняття рішення;

2) Опис та перетворення опису об’єкту.

Саме другому етапу приділялася у цей період і у наступному основна увага. Це дозволило розробити фундаментальні основи таких наук, як нарисна та аналітична геометрія, креслення, теоретична механіка, теорія механізмів та машин, деталі машин та інш.

Основним документом, що закріплює у законодавчому порядку послідовність етапів конструювання, форму та зміст технічних документів, є єдина система конструкторської документації (ЄСКД). Що стосується першого етапу конструювання, тобто методів пошуку та прийняття рішень, таких великих досягнень немає, особливо щодо формалізації цього процесу.

Конструювання – це водночас і наука, і мистецтво. Наука тому, що воно спирається на узагальнені та систематизовані знання. Мистецтво тому, що воно нерозривно пов’язано з творчістю. У різні періоди співвідношення цих двох компонент у конструюванні були різними. Якщо, наприклад, у епоху Відродження технічною творчістю займалося багато видатних мислителів та митців, то з розвитком і удосконаленням техніки одних творчих здібностей стає недостатнім. Зараз самий талановитий митець навряд чи візьметься за технічне конструювання, якщо він не має фахової підготовки. Однак і зараз багато у процесі конструювання залежить від творчих здібностей людини, його уяви та інтуїції. Лише при наявності таких якостей, як грамотність, майстерність, зацікавленість, творчість, працелюбність можна розраховувати на успіх у процесі конструкторської роботи.

Розвиток науки у 20 – му сторіччі зіштовхнувся з низкою протиріч. Перше полягає у випередженні темпу зростання складності технічних систем над розвитком методів їх конструювання. Зростає розподіл праці і кількість фахівців, що розробляють технічну систему. Це ускладнює узгодженість їх дій; втрачається уява щодо технічної системи, що розробляється, як до єдиного цілого.

Друге протиріччя виявляється між тривалістю розробки та строком морального старіння технічної системи. Якщо строк розробки з підвищенням складності системи зростає, то час до морального старіння її неухильно зменшується з-за прискорення науково-технічного прогресу. Усунення цього протиріччя або його пом’якшення може бути досягнуто двома шляхами:

1)Підвищенням продуктивності праці при конструюванні;

2)Побудовою технічної системи на основі перспективних технічних рішень.

Важливим засобом досягнення цієї мети є використання систем автоматизованого проектування (САПР). Ефективність таких систем особливо зростає при конструюванні складних технологічних систем. Сутність застосування САПР полягає у сполученні праці людини для рішення творчих задач і роботи машини для рішення задач, що піддаються формалізації. Це скорочує витрати часу на відбір вихідної інформації, дозволяє проводити параметричний, а інколи і структурний синтез з високою надійністю та точністю, відмовитися від спрощень, що є невід’ємною частиною традиційних методів розрахунку.

У САПР кожну задачу вирішують як оптимізаційну, тобто знаходять такі параметри обладнання, що відповідають найкращому значенню вибраного критерію оптимальності. Таким чином, метою САПР є підвищення якості конструювання, зменшення строків та матеріальних витрат на конструювання, скорочення кількості працівників, що зайняті конструюванням. Основними труднощами запровадження САПР є значна вартість, зокрема програмного забезпечення, необхідність навчання персоналу та реорганізація кадрів.

САПР – це організаційно – технічна система, що складається з комплексу засобів автоматизованого проектування, які взаємодіють із підрозділами проектної організації, та виконує автоматизоване проектування. Комплекс засобів проектування групують за видами забезпечення технічне, математичне, програмне, інформаційне, лінгвістичне, методичне та організаційне. Структура САПР показана на рис. 1 і її функціонування є можливим лише за наявності та взаємодії усіх означених засобів.

Організаційна система

Технічні засоби

САПР

Адміністративно-управлінський персонал

Служби цільового планування

Експлуатаційно-технічний персонал

Підготовка та введення даних

Передача даних

Програмна обробка даних

Відображення та документація

Архів проектних рішень

Засоби забезпечення

Організаційне забезпечення

Методичне забезпечення

Програмне забезпечення

Лінгвістичне забезпечення

Математичне забезпечення

Інформаційне забезпечення

Рис. 1. Структура САПР

Важливішою складовою САПР є математичне забезпечення, що включає у себе математичні моделі об’єктів, методи та алгоритми проектних процедур. Математичні моделі описують властивості об’єктів, а оперування ними з метою отримання корисної інформації щодо об’єктів називають математичним моделюванням. Математичні моделі повинні відповідати вимогам універсальності, адекватності, точності та економічності. Перші три вимоги суперечать вимозі економічності, тому звичайно шукають компромісне рішення.

Конструювання завжди пов’язано з необхідністю приймати рішення на основі критеріального, вольового або випадкового вибору. Випадковий вибір є найменш прийнятним і може застосовуватися лише як виключення. В умовах недостатньої інформації виконують вольовий вибір, який є цілком свідомою та відповідальною дією. Найбільш доцільним є критеріальний вибір. Теорія прийняття рішень ще не є досить розробленою і знаходиться у стадії бурхливого розвитку.

Як наслідок науково-технічної революції, виявляються принципові зміни у характері діяльності конструктора, його ролі у створенні нової техніки, у вимогах до його професійних знань, навичок, загальної ерудиції. До кола конструкторських дисциплін увійшли такі, як системотехніка, методи дослідження операцій, теорія рішень, мережне планування, ергономіка, технічна естетика та багато інших галузей науки і техніки. Якщо фахівець буде виявляти працелюбність, схильність до творчості та вирішувати проблеми оригінальним шляхом, то при дотриманні послідовності етапів творчого процесу і процесу конструювання він буде мати можливість створити виріб, що відповідає світовим стандартам.

Будь-яка галузь промисловості, якщо вона не буде розвиватися, удосконалюватися, на визначеному етапі стає нежиттєздатною у сучасному світі. На протязі усієї історії розвиток виробництва пов’язаний головним чином зі створенням нових видів продукції. Пошук та розробка нових ідей для створення нових видів продукції у останні роки набули великого значення. У майбутньому, з підсиленням конкуренції, появою все нових і нових видів продукції, строк використання існуючих виробів буде поступово неухильно скорочуватися.

Нові вироби характеризуються кривою циклу життя (рис. 2). Поняття циклу життя пов’язане з біологічними системами, наприклад, організмами. Їхнє життя досить чітко поділяється на такі стадії, як зародження, розвиток, зрілість, старіння, смерть. Аналогічно і у штучних системах, у тому числі технічних виробів, можна розділити період існування на послідовні етапи від створення до руйнації, зникнення. Збут продукції після її появи швидко зростає, досягає максимуму, коли ринок насичується, а потім починає скорочуватися. Форма кривої прибутку є аналогічною, але не співпадає з кривою збуту за фазою. Зменшення прибутку розпочинається раніш, ніж відбувається скорочення збуту. Максимальний розмір прибутку відповідає точці максимального нахилу кривої збуту. Як тільки приріст збуту починає зменшуватися, можна очікувати зменшення прибутку. Тому стратегію виробництва треба будувати на основі кривої прибутку, оскільки у такому випадку можна скласти довгостроковий прогноз і своєчасно переорієнтувати ресурси на розробку та випуск нового виробу.

Першу фазу циклу життя, тобто процес появи нового виробу можна розділити на низку етапів:

-пошук нових ідей;

-аналіз можливостей виробництва та збуту;

-розробка виробу;

-спробна продукція;

-перевірка стану ринку;

-організація масового виробництва.

Поява виробу

Ріст збуту

Стійкий збут

Насиче-ння

Падіння збуту

Рис. 2. Цикл життя виробу

Збут

Прибуток

Сам процес створення нового виробу умовно можна розділити на два етапи це розробка виробу та розробка технологічного процесу.

Розробка виробу включає конструювання, аналіз та випробування. Конструювання – це найбільш відповідальний етап, на якому визначається фізична форма та технічні характеристики виробу, перевіряється можливість здійснення самої ідеї. При аналізі можливості здійснення ідеї треба розрізняти інтуїтивні думки та формалізовану оцінку. Інтуїтивний підхід часто-густо призводить до великих втрат, оскільки на розробку виробу за методом спроб та помилок може бути витрачено багато часу та ресурсів. Формалізованому підходу треба віддавати перевагу, оскільки він базується на розрахунках оптимального використання матеріалів, робочої сили і дозволяє визначити відповідність виробу прогнозним характеристикам. Випробування – це найбільш дорогий етап; на їх проведення потрібні спеціально обладнані місця та апаратура. Випробування ретельно планують; вони дозволяють підтвердити прогнозні технічні характеристики, виявити недоліки виробу, перевірити його надійність та довговічність.

Друга стадія створення виробу, тобто розробка технологічного процесу включає також три етапи: виготовлення виробу, рух матеріалів, управління підприємством. Технологію виготовлення виробу розробляє фахівець – технолог разом з конструктором. Рух матеріалів включає купівлю, отримання та обробку всіх матеріалів, що потрібні для виготовлення виробу, а також зберігання та перевезення готової продукції. Управління підприємством є одним з найбільш складних видів діяльності, що дуже тяжко піддається формалізації. Він пов’язаний з відбором, фаховою підготовкою та розподілом кадрів.

Конструювання являє собою неперервний процес, у якому наукова та технічна інформація використовується для створення нової системи, нового пристрою або процесу, які приносять деяку користь суспільству. Методологія конструювання базується на двох принципах – еволюційних змін та створення нового. У методі еволюційних змін виріб удосконалюється поступово на протязі деякого проміжку часу шляхом внесення незначних його перетворень. При такому підході ризик припуститися великих помилок є невеликим. В умовах науково-технічної революції, конкуренції за ринки сировини та збуту на перший план виходить задача створення принципово нових виробів на основі технічних новинок. Але така практика конструювання пов’язана зі значним ризиком з-за відсутності досвіду побудови подібних систем або пристроїв. Конструювання повинно бути спрямоване у майбутнє, але воно повинно спиратися на те, що було відомо у минулому. Тобто, при конструюванні водночас створюється нове і здійснюються еволюційні зміни відомого.

При конструюванні виробу треба враховувати різноманітні вимоги до нього – експлуатаційні, екологічні, соціальні. Головною вимогою є безпека та добрі умови праці для обслуговуючого персоналу.

Тема 2. Методика конструювання.

Стадії конструювання. Передпроектні дослідження. Технічне завдання і технічна пропозиція. Ескізний, технічний і робочий проект. Випробування і упровадження конструкції. Етапи, процедури і операції конструювання.

Конструювання технічного об’єкту пов’язане зі створенням, перетворенням та представленням у прийнятій формі образу цього об’єкту. Образ об’єкту створюється в уяві людини у результаті творчого процесу. Конструювання починається при наявності завдання, що відображує потреби суспільства в отриманні виробу. Це завдання є вихідним або первинним описом об’єкту. Результатом конструювання є повний комплект документації, що є достатнім для виготовлення об’єкту. Ця документація є кінцевим описом об’єкту. Перетворення вихідного опису у кінцевий проходить через проміжні описи або проектні рішення.

Основними принципами конструювання є блоковість та ієрархічність описів об’єкту, багатоетапність та ітераційність, типізація та уніфікація конструкторських рішень.

Блочно-ієрархічний підхід передбачає розділення описів за ступенем деталізації (рис. 3).

S

S₁

S_i

S_n

S_i1

S_ij

S_in

Рис. 3. Блочно-ієрархічний опис об’єкту.

На верхньому рівні складний об’єкт S розглядають як систему з n взаємопов’язаних елементів S_i. Кожен з елементів S_i є складним для наступного рівня з елементами S_ij. Подібне ділення продовжується до базових елементів, що діленню не підлягають. Наприклад, у машинобудуванні це деталі – шпонка, вал, зубчасте колесо, болт, гайка; у електротехніці резистор, конденсатор і таке інше. Більш високий рівень – це збірні одиниці, наприклад редуктор, карбюратор, клапан; у електротехніці – підсилювач. Наступний рівень – агрегати: металообробний верстат, гідравлічний прес, двигун внутрішнього згоряння і т.д. Ще більш високий рівень – комплект, наприклад, автомобіль, поточна лінія.

Використовують також блоковість і за характером властивостей об’єкту, що відбиваються, так званих аспектів. Це функціональний, конструкторський та технологічний аспекти.

Функціональний аспект пов’язаний з відображенням основних принципів функціонування, характеру фізичних та інформаційних процесів, що протікають у об’єкті. Цей аспект знаходить свій вираз у принципових, функціональних, структурних, кінематичних схемах та супровідних документах.

Конструкторський аспект пов’язаний з реалізацією функціонального конструювання, тобто з визначенням геометричної форми об’єкту, розташуванням його відносно інших об’єктів.

Технологічний аспект відноситься до реалізації результатів конструкторського, тобто пов’язаний з описом методів та засобів виготовлення об’єкту.

Можна диференціювати описи. Наприклад, функціональний аспект можна розділити за фізичними основами на електричний, механічний, гідравлічний, пневматичний і т.д.

Використання типових та уніфікованих конструкторських рішень призводить до спрощення і прискорення конструювання, тому що типові елементи розробляють один раз, а використовують багато разів у різних об’єктах. Це також поліпшує техніко-економічні показники виробництва та експлуатації виробів.

Ілюстрацією багатоетапності та ітераційності процесу конструювання може служити рис. 4.

Аналіз

Отримане потрібне рішення?

Формулювання технічного завдання

Синтез структури

Створення моделі

Вибір параметрів

Корегування технічного завдання

Синтез структури

Зміна параметрів

Так

Ні

Оформлення документації

Формулювання ТЗ на елементи

Рис. 4. Етапи процесу конструювання

На основі технічного завдання конструювання системи починається з синтезу вихідного варіанту її структури. Для оцінки цього варіанту створюється модель – фізична або математична. Після вибору вихідних параметрів аналізують варіант за умов працездатності, що сформульовані у технічному завданні. Якщо ці умови виконуються, то оформлюється документація та формулюється технічне завдання для більш низького рівня. Якщо умови ТЗ не виконуються, спочатку змінюють величини параметрів елементів об’єкту. Це процедура параметричної оптимізації. Якщо таким шляхом неможливо задовольнити вимоги технічного завдання модифікують структуру об’єкту, а у разі необхідності – змінюють вимоги ТЗ. Повторне виконання операцій обумовлює ітераційний характер конструювання.

Конструювання як процес, що розвивається у часі, поділяється на стадії, етапи, проектні процедури та операції.

Розрізняють стадії перед проектних досліджень, технічного завдання та технічної пропозиції, ескізного, технічного та робочого проектів, випробувань та упровадження.

На стадіях перед проектних досліджень та технічного завдання на основі вивчення потреби у виробі, науково-технічних досягнень, наявних ресурсів визначають призначення та вимоги до об’єкту. Це стадія науково-дослідних робіт, після якої виконавець узгоджує технічне завдання із замовником.

На стадії технічної пропозиції виконавець відбирає та вивчає необхідний інформаційний матеріал, обґрунтовує технічну та техніко-економічну доцільність створення різних варіантів виробу із урахуванням досвіду і патентних матеріалів, розробляє технічну пропозицію.

На стадії ескізного проекту (це стадія дослідно - конструкторських робіт) перевіряється реалізуємість об’єкту та можливість його функціонування, приймаються принципові конструкторські рішення щодо устрою та принципу роботи виробу. Розробник наводить основні параметри об’єкту, виконує найбільш важливі схеми, креслення загального виду або найбільш важливих вузлів, виготовляє та здійснює випробування на макеті. У кінці він затверджує ескізний проект.

На стадії технічного проекту виконується всебічна проробка усіх частин проекту, конкретизуються та деталізуються технічні рішення. Технічний проект – це сукупність конструкторських документів, що вміщують кінцеві технічні рішення, які дають повну уяву щодо устрою виробу, що розробляється, і вихідні дані для розробки робочої конструкторської документації.

На стадії технічного проекту виконавець виконує наступні роботи:

-створює конструкторські рішення виробу та його складових частин, у тому числі, за необхідності, розробляє креслення збірних одиниць та деталей;

-виконує всі необхідні розрахунки, у тому числі і таки, які підтверджують техніко-економічні показники, що встановлені у технічному завданні;

-виконує всі необхідні схеми (гідравлічні, кінематичні, пневматичні, електричні і т.д.);

-розробляє та обґрунтовує технічні рішення щодо забезпечення встановлених технічним завданням показників надійності;

-аналізує технологічність конструкції виробу з урахуванням вимог нормативно-технічної документації, виявляє потребу у новому технологічному обладнанні для виготовлення виробу;

-оцінює виріб з точки зору його відповідності вимогам екології, ергономіки, технічної естетики, транспортабельності, зберігання та монтажу;

-оцінює експлуатаційні дані виробу, тобто взаємозамінність, зручність обслуговування, здатність до ремонту, стійкість до дії зовнішнього середовища, можливість швидкого усунення відмов, контролю якості роботи і т.д.;

-забезпечує вказаний у технічному завданні рівень стандартизації та уніфікації виробу;

-перевіряє патентну чистоту і спроможність до конкуренції виробу, оформлює заявки на винаходи;

-виявляє номенклатуру виробів, що закуповуються;

-оцінює технічний рівень та якість виробу;

-перевіряє відповідність прийнятих рішень вимогам техніки безпеки та виробничої санітарії.

Для технологічних установок технічний проект включає:

-принципові схеми технологічного процесу, основні вихідні технологічні та енергетичні параметри, схеми контролю і управління об’єктом;

-креслення загальних видів основних технологічних агрегатів та нестандартного допоміжного обладнання;

-компановачні та будівельні креслення з необхідною кількістю планів на різних рівнях по висоті споруди;

-розгорнуті схеми енерго-, водо-, газо забезпечення;

-специфікації на усе серійне та стандартне допоміжне обладнання, контрольно - вимірювальні прилади, елементи схеми автоматизації та захисту;

-перелік основних вимог щодо техніки безпеки, протипожежної, грозової, повіневої та інших видів захисту об’єкту;

-кошториси на обладнання, монтаж та наладку;

-кошториси на спробну експлуатацію змонтованого обладнання;

-пояснювальну записку.

На основі технічного проекту замовляють основне та допоміжне обладнання, прилади контролю і автоматичного регулювання, визначають витрати на реалізацію проекту.

У робочому проекті остаточно уточнюють конструкцію, її вартість, виконують робочі креслення, складають специфікації на будівельні матеріали, труби, арматуру, кабелі, монтажне обладнання і інструменти, допоміжні матеріали і засоби механізації; конструкція проходіть технологічний та нормалізацій ний контроль.

Комплект робочих креслень включає:

-креслення транспортних, енергетичних та каналізаційних комунікацій;

-будівельні та монтажні креслення;

-креслення основного устаткування у зборі зі всіма комунікаційними трубопроводами, сходами, майданчиками обслуговування і стаціонарними під’йомно – транспортними пристроями;

-креслень вузлів та окремих елементів устаткування;

-креслень монтажно – комунікаційних схем щитів, пультів управління і установки приладів контролю та управління;

-креслень різних спеціальних конструкцій.

При виготовленні робочих креслень звичайно широко використовують типові креслення, і лише як виняток, - спеціальні. При наявності досвідченого монтажного персоналу об’єм робочих креслень може бути скорочений.

Після розробки робочого проекту створюється та здійснюється випробування дослідного зразка виробу. За результатами випробувань вносять корективи у конструкторську документацію та здійснюють запровадження виробу у виробництво.

Етап конструювання включає формування усіх потрібних описів об’єкту, що відносяться до даного рівня або аспекту. Наприклад, при розробці технологічних процесів – це етапи розробки принципових схем технологічного процесу, операційної технології і т.д.

Проектні процедури – це складові частини етапу, які закінчуються отриманням проектного рішення. Це, наприклад, оформлення креслення виробу, вибір типової конструкції електродвигуна, розрахунок параметрів підсилювача.

Проектні операції – це, наприклад, креслення типового зубчастого зчеплення, рамки аркуша, рішення системи алгебраїчних рівнянь і т.д.

Тема 3. Вимоги до конструкції обладнання.

Показники якості конструкції і критерії працездатності обладнання. Міцність; жорсткість; тепло-, зносо-, вібростійкість; довговічність; надійність. Взаємозамінність деталей і вузлів обладнання. Навантажувальна здатність і види навантажень. Припустимі напруження при статичному і змінному навантаженні. Коефіцієнт запасу міцності.

Матеріальне та моральне зношування обладнання; економічно доцільна межа експлуатації конструкції; вплив режимів роботи обладнання на його довговічність. Наробка на відмову, коефіцієнт готовності, інтенсивність відмов обладнання; кількісне визначення надійності конструкції; резервування.

Ефективність роботи конструкції можна оцінити за наступними показниками якості:

1)Показники призначення характеризують функціональні властивості обладнання. Це продуктивність, енерговитрати, швидкість робочих органів, зусилля і таке інше. Ці показники визначаються призначенням конструкції;

2)Надійність, тобто властивість об’єкту зберігати у часі у встановлених межах значення всіх параметрів, що характеризують здатність виконувати потрібні функції в заданих режимах в умовах застосування, технічного обслуговування, ремонтів, зберігання та транспортування;

3)Ергономічні показники (антропометричні, біомеханічні, фізіологічні і т.д.) характеризують умови функціонування системи “людина – технічний засіб”;

4)Естетичні показники (форма, кольорова гама, стиль і т.д.) визначають досконалість художнього вигляду конструкції;

5)Показники технологічності характеризують оптимальність розподілу витрат матеріалів, засобів праці та часу при підготовці виробництва, виготовленні та експлуатації виробу. Це трудомісткість виготовлення виробу, його технологічна собівартість, питома вартість ремонтів і т.д.;

6)Показники транспортабельності характеризують пристосованість обладнання до переміщення у просторі, яке не супроводжується використанням його. Це середня тривалість та трудомісткість підготовки обладнання до транспортування, середня тривалість установки виробу на засіб транспортування, коефіцієнт використання його об’єму і т.д.;

7)Показники стандартизації та уніфікації, що відображують ступінь використання стандартних та однотипних деталей і вузлів у даному агрегаті. Це коефіцієнти повторення, взаємної уніфікації, застосування і т.д.;

8)Патентно-правові показники характеризують ступень оновлення технічних рішень, що використані у конструкції, їх патентний захист, можливість використання у державі та за кордоном. Це показники патентного захисту, патентної чистоти та таке інше;

9)Екологічні показники визначають рівень шкідливої дії на довкілля при експлуатації обладнання. Це вміст шкідливих домішок, що відходять у довкілля; ймовірність викидів шкідливих речовин, випромінювань при зберігання, транспортуванні, експлуатації конструкції;

10)Показники безпеки характеризують безпеку обслуговуючого персоналу при транспортуванні, монтажі, експлуатації та зберігання обладнання.

Показники якості у залежності від стадії визначення можуть бути:

-прогнозні, що отримані у технічному завданні на конструюванні;

-проектні;

-виробничі, які отримані при випробуваннях;

-експлуатаційні, що отримані при експлуатації на підприємстві.

Будь – яка конструкція повинна відповідати загальним вимогам, до яких слід віднести:

1)Ефективність функціонування конструкції;

2)Надійність обладнання;

3)Міцність, жорсткість, стійкість;

4)Мінімальна матеріало – та енергомісткість;

5)Виробнича та експлуатаційна технологічність;

6)Транспортабельність;

7)Безпека при експлуатації;

8)Екологічна досконалість;

9)Відповідність основним положенням ергономіки та технічної естетики;

10)Патентна чистота;

11)Економічна ефективність, тобто отримання прибутку від запровадження конструкції у виробництво.

Означені вимоги взаємопов’язані; у одних випадках їх дія на показники якості конструкції співпадають, а у інших – ні. Наприклад, вимоги функціональної ефективності, технологічності однозначно пов’язані з низкою показників якості. Це можна віднести і до співвідношення надійності та міцності; екологічних вимог до герметизації обладнання та безпеки експлуатації.

З іншого боку, підвищення міцності, жорсткості неминуче призводить до збільшення матеріаломісткості, вартості конструкції, зростання капітальних витрат. Підвищення ефективності об’єкту за рахунок інтенсифікації його роботи призводить до зниження його надійності.

Протиріччя у вимогах, що висуваються до конструкції, ставить задачу пошуку оптимального рішення, при якому співвідношення окремих вимог забезпечує найбільшу ефективність конструкції.

Розглянемо вимоги до механічної частини обладнання. Працездатність обладнання оцінюється критеріями міцності, жорсткості, вібро – та теплостійкості та іншими.

Міцність – це головний критерій працездатності, що характеризує тривалу та надійну роботу конструкції. Це здатність виробу спричиняти опір руйнуванню або пластичній деформації під дією прикладених до нього навантажень.

Властивості матеріалу, з якого виготовлена конструкція, характеризуються наступними параметрами:

1)тимчасовий опір s_В = Р_В/F₀, Па,

де F₀ – площа початкового поперечного перерізу;

Р_В – максимальне зусилля розтягу.

2)модуль нормальної пружності Е = s/d,

де s = Р/F₀ – напруження у конструкції;

d = Dl/l – відносне подовження зразку;

Р – навантаження розтягу;

Dl – абсолютне подовження зразку під дією навантаження;

l – вихідна довжина зразку.

3)межа тривалої міцності s_ДП, що характеризує напруження, яке призводить до руйнування матеріалу за заданий час при заданій сталій температурі. Цю межу визначають за 1000 годин (s₁₀₀₀) та за 10000 (s₁₀₀₀₀) годин роботи.

4)припустиме напруження [s], при якому в умовах даної температури за визначений час деформація не перевищує заданого значення.

У розрахунках на міцність велике значення має правильне визначення припустимих напружень, які, окрім матеріалу виробу, залежать від режиму роботи конструкції, виду термообробки, конфігурації та розмірів виробу, шорсткості поверхні і т.д. Найбільш розповсюдженим є метод оцінки міцності шляхом порівняння розрахункових (робочих) напружень, що виникають під дією експлуатаційних навантажень, з припустимими напруженнями. Умовою міцності конструкції є нерівність:

s £ [s],

де s та [s] – робоче та припустиме напруження.

Міцність конструкції можна також оцінювати шляхом порівняння дійсного та припустимого коефіцієнтів запасу міцності. Умова міцності у такому разі має вигляд:

S ³ [S].

Якщо дійсний коефіцієнт запасу міцності S значно відрізняється від припустимого [S], то у розміри та конструкцію виробу вносять відповідні корективи.

Жорсткість характеризується величиною пружної деформації конструкції під впливом діючих на неї навантажень. Тобто, жорсткість – це здатність системи протистояти дії зовнішніх навантажень з деформаціями, які є припустимими, без порушення працездатності системи. Поряд з міцністю, це один з важливіших факторів, який визначає працездатність виробу. Розміри таких деталей, як довгі вісі, вали, барабани кінцево визначають розрахунком на жорсткість. Розрізняють об’ємну (власну) жорсткість, коли деформується увесь об’єм матеріалу, як, наприклад, при згинанні валу або барабану, і контактну жорсткість, коли деформуються поверхневі шари матеріалу, як, наприклад, при зминанні поверхні зубчастих коліс в місцях їх контакту або зминання поверхневих шарів опорних роликів і бандажів в барабанному апараті. Поняття, яке є зворотнім жорсткості, - це пружність, тобто властивість системи отримувати відносно великі деформації під дією зовнішнього навантаження. Цей параметр має важливе значення для таких пружних деталей, як ресори, пружини і т. д.

Жорсткість оцінюють коефіцієнтом жорсткості, який являє собою відношення сили Р, яка прикладена до системи, до максимальної деформації Dl, яку викликає ця сила. У випадку розтягу – стиску в межах пружної деформації коефіцієнт жорсткості за законом Гука:

,

де Е – модуль нормальної пружності матеріалу;

F – площа поперечного перерізу зразку;

l – його довжина.

Величину m, що є зворотною l, називають коефіцієнтом пружності.

У випадку кручення коефіцієнт жорсткості – це відношення моменту крутіння М, що прикладений до зразку, до куту повороту перерізів зразку j, який викликаний цим моментом, на довжині l:

l = М/j = GI_П/ l,

де G – модуль пружності зсуву матеріалу;

І_П – полярний момент інерції перерізу зразку.

У разі згинання зразку:

,

де І – момент інерції перерізу зразку;

l – його довжина;

а – коефіцієнт, що залежить від умов навантаження. Для двохопорного зразку, що навантажений зосередженим навантаженням усередині його довжини а = 48; для того ж випадку при розподіленому навантаженні а = 77 і т.д.

Жорсткість конструкції визначається наступними факторами:

1)модуль пружності матеріалу Е при стиску, розтягу, згинанні; модуль зсуву G при крутінні;

2)геометричні характеристики виробу, тобто переріз F при розтягу та стиску; момент інерції при згинанні; полярний момент І_П при крутінні;

3)лінійні розміри конструкції, тобто довжина l;

4)вид навантаження та тип опор, що позначається на величині а.

Теплостійкість – це здатність конструкції працювати у межах заданих температур на протязі встановленого строку служби. Велике значення ця вимога має для високотемпературних агрегатів.

Зносостійкість – це властивість матеріалу спричиняти опір зношуванню. Зношування – це процес поступового зміни поверхневих розмірів виробу, що здійснюється при терті. Знос – це результат зношування у вигляді зміни розмірів деталей та властивостей їх поверхні.

Основними видами зношування є наступні:

1)механічне, тобто абразивне зношування при крихкому руйнуванні поверхні;

2)молекулярно-механічне, тобто схоплювання поверхнею двох деталей з проникненням матеріалу однієї деталі до іншої;

3)корозійно - механічне, як результат дії агресивного середовища на поверхню деталей;

4)молекулярно – теплове, як результат тертя між деталями.

Вібростійкість – це здатність конструкції працювати в умовах вібрації, які можуть призвести до виходу з ладу деталей унаслідок стомлюючих напружень. Здатність матеріалу багатократно сприймати дію змінних напружень без руйнації називають опором стомленню або витривалістю матеріалу. Досвід показує, що деталі, які піддаються на протязі тривалого часу дії змінних навантажень, руйнуються при напруженнях, що є значно меншими, ніж тимчасовий опір s_В. Випробування на витривалість виконуються на спеціальних машинах. При цьому задають визначене напруження s_max і визначають кількість циклів N₀, коли зразок руйнується. Величину N₀ називають базою випробувань. Для загартованої сталі N₀ = 10⁸. Напруження, що відповідає N₀, приймають за межу витривалості.

Межею витривалості називають найбільше напруження, при якому деталь може спричиняти опір без руйнування безмежно довго. Звичайно ці дані наводять у довідкових таблицях. У разі відсутності таких даних можна межу витривалості

s_-1 для конструкційних сталей визначити за допомогою спрощених залежностей від межі міцності s_В:

-при розтягу та стиску s_-1 = 0,33s_В + 1,25, кг/мм²;

-при згинанні s_-1 = 0,4s_В + 5,7, кг/мм²;

-при крутінні s_-1 = 0,2s_В + 4,8, кг/мм².

Довговічність – це властивість конструкції зберігати працездатність з можливо меншими перервами на технічне обслуговування та ремонт до руйнації або іншого граничного стану. Іноді використовують поняття ресурс довговічності, тобто час роботи агрегату до першого капітального ремонту.

Кількісними показниками довговічності є наступні;

1)технічний ресурс, тобто сумарна наробка агрегату за період експлуатації;

2)строк служби, тобто календарна тривалість експлуатації агрегату до руйнації або іншого граничного стану (першого капітального ремонту).

Конструкція може бути ремонтованою (поновлюваною) і неремонтованою (непоновлюваною). Ремонтованою називають таку, працездатність якої у випадку виникнення відмови можна поновити в умовах експлуатації шляхом ремонту, якій виконується підручними засобами. Неремонтованими називають вироби, працездатність яких у випадку відмови неможливо поновити у даних умовах експлуатації, або вони взагалі не підлягають ремонту. Для останніх конструкцій за першою відмовою вичерпується довговічність.

Велике значення має розробка та застосування методів підвищення довговічності обладнання. Збільшення довговічності обладнання звичайно досягається за рахунок поновлювальних ремонтів. Однак економічно такий шлях не завжди виправданий, оскільки іноді витрати на поновлювальні ремонти у багато разів перевищують початкову вартість обладнання. В початковий період експлуатаційні ремонтні витрати звичайно невеликі, але потім починають зростати. Економічно доцільною межею експлуатації обладнання, вірогідно, треба вважати такий момент, коли прогнозовані витрати на капітальний ремонт наближуються до вартості обладнання. Тобто, у такому разі вигідніше придбати нове обладнання, ніж ремонтувати старе.

Але окрім матеріального зношування, конструкція старіє морально. Моральне старіння наступає тоді, коли агрегат, що ще зберігає фізичне працездатність, за своїми показниками перестає задовольняти промисловість у зв’язку з підвищенням вимог або появою більш досконалих конструкцій.

Ознаками морального старіння є зниження у порівнянні з середнім рівня надійності, якості продукції, продуктивності, витрати енергії, матеріалів на одиницю продукції, вартості робочої сили, обслуговування та ремонтів і як загальний результат – зниження рентабельності агрегату. Тобто агрегат може морально застаріти, хоча і буде цілком здатний до роботи.

Таким чином, оптимальна довговічність обладнання вимірюється економічно найвигіднішим строком служби, що обмежений водночас впливом матеріального та морального зношування.

Фактична довговічність обладнання може значно відрізнятися від розрахункової величини у залежності від умов роботи. Вплив умов роботи на довговічність враховують за допомогою коефіцієнту режиму h_РЕЖ, який визначають за статистичними даними:

h^/ = h/h_РЕЖ,

де h^/ та h – фактична та розрахункова довговічність.

У першому наближенні за нормальних умов експлуатації h_РЕЖ = 1; для тяжких умов h_РЕЖ = 1,2 – 1,5; для легких h_РЕЖ = 0,7 – 0,8.

Для обладнання, довговічність якого обчислюють у одиницях часу, строк служби знаходять за формулою:

,

де h_ВИК = Т_Ф/Т_К – коефіцієнт використання обладнання, що характеризує середню за період роботи ступінь його фактичного використання;

Т_Ф, Т_К – фактичний та календарний час роботи обладнання.

Надійність – це властивість виробу виконувати задані функції зі збереженням своїх експлуатаційних показників у заданих межах на протязі потрібного проміжку часу або потрібної наробки. Надійність виробу обумовлена його безвідмовністю, ремонтопридатністю, збереженістю, довговічністю. Розглянемо деякі терміни, що застосовують у теорії надійності.

Експлуатаційні показники – це показники продуктивності, економічності, рентабельності і т.д.

Працездатність – це стан виробу, при якому він здатний виконувати функції з параметрами, що встановлені вимогами технічної документації. Ці параметри обумовлюють експлуатаційні показники виробу.

Відмова – це подія, що містить у собі порушення працездатності.

Несправність – це стан виробу, при якому він не відповідає хоча б одній з вимог технічної документації. Несправності розрізняють на такі, що не викликають відмову, і на такі, що її викликають.

Наробка – це тривалість або об’єм роботи виробу, що вимірюється у годинах, кількістю циклів, виробленої продукції та у інших одиницях.

Безвідмовність – це властивість виробу зберігати працездатність на протязі деякої наробки без вимушених перерв. Для виробів, що працюють лише до першої відмови, не придатних до ремонту, або для виробів, для яких відмови є неприпустимими, показником безвідмовності слугує ймовірність безвідмовної роботи. Це ймовірність того, що за визначених режимів і умов експлуатації у межах заданої тривалості роботи не виникне відмови. Для ремонтованих виробів, окрім цього показника, застосовують ще наробку на відмову. Це середнє значення наробки ремонтованого виробу між відмовами. Якщо наробка визначається у одиницях часу, то можна користуватися середнім часом безвідмовної роботи.

Граничний стан виробу визначається неможливістю його подальшої експлуатації, яка обумовлена або зниженням ефективності, або вимогами безпеки.

Ремонтопридатність – це властивість виробу, що полягає у його здатності до попередження, визначення та усунення відмов і несправностей шляхом технічного обслуговування та ремонтів.

Середній час відновлення – це середній час вимушеного нерегламентованого простою, що викликаний пошуком та усуненням однієї відмови.

Коефіцієнт готовності – це ймовірність того, що виріб буде працездатним у довільно вибраний момент часу у проміжках між виконанням планового технічного обслуговування.

Коефіцієнт технічного використання – це відношення наробки виробу у одиницях часу за деякий період експлуатації до суми цієї наробки і часу усіх простоїв, що викликані технічним обслуговуванням і ремонтами за той же період експлуатації.

Інтенсивність відмов – це ймовірність відмови виробу, що не підлягає ремонту, у одиницях часу після даного моменту за умови, що відмова до даного моменту не виникла.

Збереженість – це властивість виробу зберігати обумовлені експлуатаційні показники на протязі і після строку збереження та транспортування, обумовленого у технічній документації.

Кількісна оцінка надійності базується на статистичних даних. Позначимо частоту появи події або статистичну ймовірність наступним чином:

Р^*(А) = m/n,

де m – кількість появ події А;

n – кількість проведених дослідів.

При n ® ¥ вибіркова ймовірність наближується до математичної ймовірності події А:

Р^*(А) = Р(А).

Тобто, наближено ймовірність відмови можна розрахувати за формулою:

,

де N₀ – кількість виробів, що були піддані випробуванням;

N(t) – кількість виробів, що не відмовили до моменту t.

Як зазначалося, інтенсивність відмов – це відношення кількості виробів Dn, що відмовили у одиницю часу, до кількості виробів, що продовжували працювати до даного проміжку часу Dt:

або.

Відношення Dn/N₀ є статистичною ймовірністю відмови у проміжок часу Dt, яка є прирощенням функції розподілу:

Dn/N₀ =.

Відношення N(t)/N₀ є статистичною ймовірністю безвідмовної роботи за час t з початку випробувань Р^*(t). Тобто, інтенсивність відмов:

, або при Dt ® 0 маємо:.

При безкінечному зростанні кількості випробувань N₀ статистичне значення l^*(t) збігається з математичним очікуванням l(t):

.

Ймовірність безвідмовної роботи відповідно складає:

Р(t) = 1 - або.

Тоді формула інтенсивності відмов буде мати вигляд:

.

Про інтегруємо цей вираз:;.

За початкових умов: P(t) = 1 при t = 0 отримуємо основну формулу надійності:

.

Цю формулу можна застосувати для будь-якого закону розподілу відмов. У випадку раптових відмов l(t) = const і отримуємо вираз для експонційного закону надійності:

.

Надійність системи може бути збільшена шляхом резервування. Резервування являє собою дублювання елементів таким чином, що за нормальних умов дублюючий елемент не працює, але в момент відмови системи він починає нормально функціонувати.

Резервування елементів пов’язано зі збільшенням вартості, маси та розмірів системи і повністю залежить від виробу. Воно є непотрібним уразі, якщо нормальне технічне обслуговування, тобто заміна елемента, що відмовив, не призводить до значних порушень у роботі системи. Але резервування є необхідним, коли навіть невелика зупинка ставить під загрозу функціонування системи.

Естетичність конструкції не вступає у протиріччя з вимогами міцності, стійкості, мінімальної маси та іншими. Навпаки, як свідчить досвід, гарний зовнішній вигляд відповідає раціональній та економічній конструкції. Цими питаннями займається технічна естетика, предметом якої є область діяльності митця – конструктора. Метою художнього конструювання є створення промислових об’єктів у тісному зв’язку з технічним конструювання, які б найбільш повно задовольняли вимоги обслуговуючого персоналу, відповідали умовам експлуатації, мали б високі естетичні якості, гармоніювали з оточуючою обстановкою. Наприклад, колір визначає не тільки естетичний рівень виробництва, але впливає і на стомлюваність робітника, продуктивність праці, якість продукції. При виборі кольору треба враховувати дію його на гостроту зору, зорову стомлюваність, нервову систему, настрій персоналу. Колір виробів, обладнання, приміщення повинні гармоніювати і створювати оптимальні умови праці.

Відповідність конструкції єдиній нормативно-технічній документації є однією з важливіших передумов якості виробів. При виконанні конструкторської документації треба дотримуватися вимог Єдиної системи конструкторської документації (ЄСКД). Єдиної системи технологічної документації (ЄСТД), Єдиної системи допусків та посадок (ЄСДП), Єдиної системи захисту від корозії та старіння матеріалів виробів (ЄСЗКС), Системи стандартів безпеки праці (ССБП) та інших. Конструкція апаратів повинна задовольняти вимогам правил Держгортехнагляду, Державних та галузевих стандартів, технічних умов, передбачати можливість огляду, очищення, промивання, продування, ремонту.

Взаємозамінність деталей і вузлів дозволяє прискорити конструювання устаткування, забезпечити обробку деталей високопродуктивними методами, суттєво полегшити та прискорити зборку. При ремонті устаткування деталі, що вийшли з ладу, швидко замінюють запасними.

Взаємозамінними деталями називають такі, які виготовлені та перевірені по калібрах, майже не відрізняються між собою, можуть займати свої місця у агрегаті без додаткової обробки, припасовування та підбору, виконувати при цьому свої функції у відповідності з заданими технологічними умовами. Взаємозамінність деталей забезпечується системою допусків та посадок.

Якісні показники конструкції (точність, довговічність, надійність і т.д.) у значній мірі залежать від правильного вибору посадок, тобто характеру з’єднання деталей, правильності вибору припустимої форми та розташування. При виборі посадок, допусків розмірів, форми та розташування деталей треба враховувати призначення деталі, роль окремих її поверхонь, вплив відхилень розмірів, форми та розташування осей або поверхонь деталі на сусідні деталі, вплив суми відхилень у точності параметрів усіх деталей на якісні показники виробу – точність, безшумність, довговічність.

При зборці деталей, що входять одна в одну, розрізняють охоплюючи та охоплювану поверхні. Охоплюючи поверхню називають отвором, а охоплювану – валом. Кожен з розмірів цих поверхнею виконують з деяким допуском. Дійсний розмір деталі повинен знаходитися між граничними розмірами – найбільшим та найменшим. Різниця між найбільшим або найменшим граничними розмірами і номінальним розміром називають відповідно верхнім або нижнім відхиленням, які мають знак відповідно “+” або “-“.

Допуском називають різницю між найбільшим і найменшим розмірами або алгебраїчну різницю між верхнім та нижнім відхиленнями. Правильний вибір допуску має велике економічне та виробниче значення тому, що він впливає на вибір верстатів і інструменту для обробки деталей, кваліфікацію робітників, режим обробки деталей, технологію зборки, якість деталей, що обробляються, їх собівартість. Правильно вибраними вважають такі найбільші допуски, при яких деталі, що з’єднані, працюють за заданими технічними умовами.

У залежності від призначення з’єднання деталі під час роботи повинні здійснювати рух відносно одна одної або, навпаки, зберігати одна відносно одної повну нерухомість. Для забезпечення рухомого з’єднання треба, щоб дійсний розмір поверхні деталі, що охоплює, тобто отвору, був більше, ніж дійсний розмір поверхні охоплюваного елементу другої деталі, тобто валу.

Сполучення, що утворені у результаті з’єднання отворів та валів з однаковими та номінальними розмірами, називають посадкою. Позитивна різниця дійсних розмірів отвору та валу називають зазором, а негативна (до зборки) – натягом.

Розрізняють найбільший та найменший зазори та натяги. Найбільший зазор S_max дорівнює різниці між найбільшим граничним розміром отвору D_max і найменшим граничним розміром валу d_min; найменший зазор S_min дорівнює різниці між найменшим граничним розміром отвору D_min і найменшим граничним розміром валу d_max:

S_max = D_max - d_min; S_min = D_min - d_max.

Найбільший та найменший натяги складають відповідно:

N_max = d_max - D_min; N_min = d_min – D_max.

Якщо граничні розміри деталей не гарантують отримання тільки зазору або тільки натягу, то такі посадки називають перехідними.

Отвір, нижнє відхилення якого дорівнює нулю, називається основним отвором, а вал, верхнє відхилення якого дорівнює нулю, називають основним валом. Посадки здійснюються у системі отвору та у системі валу. У системі отвору мінімальний розмір його дорівнює номінальному. Відхилення розмірів отвору спрямовано до збільшення діаметру отвору. Необхідна посадка тут здійснюється шляхом зміни розмірів валу. У системі валу, навпаки, найбільший розмір валу приймають за номінальний, а відхилення розмірів валу спрямовані у бік зменшення діаметру валу. Система отвору є більш розповсюдженою тому, що зміну розмірів валу зробити простіше, ніж розмірів отвору. Систему валу застосовують тоді, коли на гладкий вал сталого діаметру насаджують декілька деталей з різними видами посадок.

Важливою характеристикою конструкції є її навантажувальна здатність. У процесі роботи деталей і вузлів устаткування на них діють зовнішні робочі навантаження. Робочим називають навантаження – силу або момент, що сприймається деталлю або вузлом у процесі експлуатації устаткування. На деталь або вузол можуть діяти нормальні, випадкові та аварійні навантаження.

Нормальні навантаження за величиною і за характером відповідають паспортним умовам роботи устаткування. За ними виконують розрахунок на довговічність.

Випадкові навантаження – це найменш вигідне сполучення одночасно діючих на деталь або вузол навантажень, які можливі під час роботи на працездатному устаткуванні при правильному управлінні і експлуатації агрегату у дуже важких умовах; ці навантаження викликають максимальні напруження в деталях і вузлах.

Аварійні навантаження можуть виникати у випадку несправностей або порушень правил управління та експлуатації.

У часі навантаження можуть бути сталими або змінними.

Фактичні напруження у розрахунковому перерізі деталі порівнюють з припустимими і основною умовою міцності є наступна:

s £ [s] або t £ [t],

де [s], [t] – припустимі напруження на розтяг, стиск, згинання або крутіння.

Припустимі напруження при статичному навантаженні визначають за формулами:

[s] = s_ГР/[S]; [t] = t_ГР/[S],

де s_ГР, t_ГР - граничні значення нормального та дотичного напруження, з досягненням яких деталь виходить з ладу;

[S] – припустимий коефіцієнт запасу міцності для деталі, що розраховується.

У якості s_ГР та t_ГР приймають тимчасовий опір s_ВР на розтяг, s_ВС на стиск, s_ВЗ на згинання, t_В на крутіння. При змінних напруженнях у якості s_ГР та t_ГР приймають межу витривалості s_-1 та t_-1.

Припустимий коефіцієнт запасу міцності розраховують за формулою:

[S] = [S₁][S₂][S₃],

де [S₁] – коефіцієнт, що враховує точність визначення діючих на деталь навантажень та викликаних ними напружень; величину [S₁] для точних розрахунків приймають рівною 1. для середньої точності – 1,2 ¸ 1,6;

[S₂] – коефіцієнт, що враховує неоднорідність матеріалу, вплив макро – та мікро дефектів, остаточні напруження у матеріалі; для стального литва [S₂] = 1,5 ¸ 1,8; для пластичного матеріалу [S₂] = 1,2 ¸ 2,2; для крупчастого литва [S₂] = 2 ¸ 6; для деталей з чавуну [S₂] = 1,5 ¸ 2,5;

[S₃] – коефіцієнт, що враховує ступінь відповідальності деталі, вимоги до її надійності та безпеки; значення його становить 1,1 ¸ 1,5, причому більші значення відносяться до дорогих деталей та при вимозі підвищеної надійності.

Тема 4. Конструювання тонкостінних посудин та апаратів під дією внутрішнього тиску.

Напруження в циліндричній та сферичній оболонці під внутрішнім тиском; оцінка припустимого надлишкового тиску в апараті і товщини стінки. Оцінка міцності оболонки під дією осьових сил; припустимі зусилля розтягу і товщина стінки.

Тонкостінні апарати широко застосовують для ведення різних технологічних процесів, для зберігання та транспортування газів і рідини. Як правило, ці апарати працюють в умовах підвищених температур, при змінному у часі надлишковому внутрішньому або зовнішньому тиску. Корпус такого апарата являє собою оболонку з тонкими стінками, до якої закріплені різні конструкції: опори, патрубки, фланці. Оболонка має днище та кришку.

Задачею розрахунку тонкостінного апарату є визначення напружень та деформацій під дією заданого навантаження. Цю задачу вирішують двома методами: із застосуванням безмоментної теорії оболонок (мембранної теорії) та моментної теорії оболонок.

За мембранною теорією стінки апарату розглядають як дуже тонкі оболонки – мембрани, що не сприймають згинаючих зусиль та сил перерізу. Такі апарати повинні відповідати наступним умовам:

1.Товщина стінок повинна бути дуже малою у порівнянні з іншими розмірами апарату;

2.За своєю формою апарат повинен являти собою тіло обертання;

3.Навантаження, тобто тиск на стінки, повинно бути симетричним відносно вісі обертання.

Оболонкою обертання називають оболонку, серединна поверхня котрої утворена обертанням деякої плоскої кривої біля осі, що лежить у її площині. Серединна поверхня – це поверхня, що рівновіддалена від внутрішньої та зовнішньої стінок оболонки.

На рис. 5 показана оболонка обертання, що навантажена внутрішнім тиском Р. Для визначення зусиль та напружень в ній виділяємо методом перерізу безкінечно малий елемент Е. Він утворений двома меридіанними і двома кільцевими перерізами. (Меридіанний переріз – це переріз оболонки площиною, що проходить через ось симетрії; кільцевий або коловий переріз – це переріз оболонки конічною поверхнею з вершиною на осі обертання і утворюючими, що перетинають поверхню оболонки під прямим кутом.)

Розглянемо умови рівноваги виділеного елемента Е (рис. 6).

На елемент діє зовнішнє навантаження від тиску Р та внутрішні сили пружності: меридіанна сила на одиницю довжини в кільцевому напрямку U і кільцева сила на одиницю довжини в меридіанному напрямку Т. Радіус кривизни у меридіанному напрямку та кільцевому перерізі становлять відповідно R_u та R_t. Для безкінечно малого елемента Е його розміри dx та dy наближуються до нуля; точки О та О^/ співпадають і меридіанний радіус R_u = О в = О d = О^/ а = О^/ с. Аналогічно для кільцевих перерізів а А в і с А^/ d маємо: А ® А^/; R_t = А в = А а = А^/ d = А^/ с. Кут нахилу меридіанного радіусу до осі обертання b_n для елементу Е має приріст db_n; кут між кільцевими радіусами для елементу Е складає Ð а А в = Ð с А^/ d = da.

Рівняння рівноваги записують в проекціях на нормаль до серединної поверхні оболонки авdс. На грань ав, площа котрої Sdy, діє нормальне напруження s_u та сила пружності від нього (рис. 7):

U _ав = s_u Sdy,

де S – товщина оболонки.

E

O

db_n

x

s_t

s_t

s_u

s_u

R_t

R_u

x

b_n

da

Рис. 5. Оболонка обертання

P

Е

Дата добавления: 2014-01-15