Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Расчет и конструирование элементов оборудования

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 765770.01.99
Является частью программы подготовки бакалавров по дисциплине «Расчёт и конструирование элементов оборудования». Основной материал, изложенный в учебном пособии, даёт студентам полное представление о методах проектирования, расчётах на прочность конструктивных элементов технологического оборудования. Предназначено для студентов, обучающихся по программе подготовки бакалавров по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование».
Расчет и конструирование элементов оборудования : учебное пособие / Е. А. Соловьев, Э. А. Петровский, О. А. Коленчуков, А. К. Данилов. - Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019. - 186 с. - ISBN 978-5-7638-3933-3. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1818978 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Является частью программы подготовки бакалавров по дисциплине «Расчёт и конструирование элементов оборудования». Основной материал, изложенный в учебном пособии, даёт 
студентам полное представление о методах 
проектирования, расчётах на прочность конструктивных элементов технологического оборудования.

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ 
ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ

Учебное пособие

ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА

Расчет и конструирование элементов оборудования 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ  
ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 

 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск  
СФУ 
2019 

 

УДК 622.002.5.001.63(07) 
ББК 33-5-02я73 
Р248 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
Ю. Л. Крутский, кандидат технических наук, доцент кафедры химии и химической технологии НГТУ; 
Р. С. Привалихин, директор ООО «СКБ «Механика» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Р248 
 
Расчет и конструирование элементов оборудования : учеб. 
пособие / Е. А. Соловьев, Э. А. Петровский, О. А. Коленчуков, 
А. К. Данилов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019. – 186 с.  
ISBN 978-5-7638-3933-3 
 
Является частью программы подготовки бакалавров по дисциплине 
«Расчёт и конструирование элементов оборудования». Основной материал, 
изложенный в учебном пособии, даёт студентам полное представление о методах проектирования, расчётах на прочность конструктивных элементов 
технологического оборудования.  
Предназначено для студентов, обучающихся по программе подготовки 
бакалавров по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование». 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 622.002.5.001.63(07) 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 33-5-02я73 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3933-3 
© Сибирский федеральный 
университет, 2019 

Оглавление 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
 
Введение ........................................................................................................  
7 
 
1. Основы проектирования .......................................................................  
9 
1.1. Проектирующие организации, цели и задачи курса ...........................  
9 
1.2. Цели и состав проектирования .............................................................  
9 
1.2.1. Цели проектирования ..................................................................  
9 
1.2.2. Состав проектирования ...............................................................  10 
1.3. Требования к проектируемому объекту ...............................................  10 
1.3.1. Технологические требования ......................................................  10 
1.3.2. Требования к работоспособности ..............................................  10 
1.3.3. Обеспечение технического уровня  и эффективности .............  11 
1.3.4. Экономические требования ........................................................  12 
1.3.5. Нормативно-техническая документация ...................................  12 
1.4. Этапы разработки изделий, состав технической документации .......  12 
1.4.1. Техническое задание (ТЗ) ...........................................................  13 
1.4.2. Техническое предложение (ТП) .................................................  13 
1.4.3. Эскизный проект (Э) ....................................................................  14 
1.4.4. Технический проект (Т) ..............................................................  14 
1.4.5. Рабочая конструкторская документация (РКД) ........................  15 
 
2. Общие принципы расчёта .....................................................................  18 
2.1. Моделирование объекта расчёта ..........................................................  18 
2.1.1. Реальный объект и расчётная схема ..........................................  18 
2.1.2. Нагрузки, силовые факторы .......................................................  19 
2.1.3. Внутренние силовые факторы ....................................................  20 
2.2. Основы напряжённого состояния .........................................................  21 
2.2.1. Напряжения и деформации .........................................................  21 
2.2.2. Закон Гука .....................................................................................  22 
2.2.3. Главные напряжения ...................................................................  23 
2.2.4. Обобщённый закон Гука .............................................................  24 
2.2.5. Эквивалентные напряжения .......................................................  25 
2.2.6. Гипотезы прочности ....................................................................  25 
2.3. Прочностные характеристики материалов ..........................................  27 
2.3.1. Основные прочностные характеристики материалов  
при статическом нагружении .....................................................  27 
2.3.2. Ползучесть материалов ...............................................................  30 
2.3.3. Прочность оборудования в условиях переменных нагрузок ....  31 
2.3.4. Факторы, влияющие на предел выносливости .........................  35 
2.3.5. Коэффициент запаса прочности. Допускаемые напряжения ....  40 

Оглавление 

4 

3. Конструкционные материалы ..............................................................  42 
3.1. Требования, предъявляемые к конструкционным материалам .........  42 
3.2. Характеристики материалов, влияющие на конструкцию  
машин и аппаратов .................................................................................  42 
3.2.1. Прочностные характеристики ....................................................  43 
3.2.2. Стойкостные характеристики .....................................................  44 
3.2.3. Характеристики, влияющие на технологичность  
изготовления ................................................................................  44 
3.2.4. Характеристики, определяющие область применения ............  45 
3.3. Чугуны и стали .......................................................................................  46 
3.3.1. Железо ...........................................................................................  46 
3.3.2. Стали .............................................................................................  46 
3.3.3. Легированные стали ....................................................................  47 
3.3.4. Чугуны ...........................................................................................  48 
3.4. Цветные металлы и сплавы ...................................................................  50 
3.4.1. Алюминий и его сплавы ..............................................................  50 
3.4.2. Магний и его сплавы ...................................................................  51 
3.4.3. Титан и его сплавы ......................................................................  52 
3.4.4. Медь и её сплавы .........................................................................  52 
3.4.5. Другие металлы и сплавы ...........................................................  53 
3.5. Неметаллические материалы ................................................................  54 
3.5.1. Пластмассы ...................................................................................  54 
3.5.2. Резина ............................................................................................  56 
3.5.3. Силикатные материалы ...............................................................  56 
3.6. Композиты ..............................................................................................  58 
3.6.1. Волокнистые композиционные материалы ...............................  58 
3.6.2. Дисперсные композиционные материалы .................................  60 
3.6.3. Слоистые пластики ......................................................................  60 
3.7. Термообработка и упрочнение материалов .........................................  61 
3.7.1. Термическая обработка ...............................................................  61 
3.7.2. Поверхностное упрочнение ........................................................  62 
 
4. Расчёт корпусов на прочность ..............................................................  63 
4.1. Общие положения ..................................................................................  63 
4.2. Прочность тонкостенных сосудов ........................................................  63 
4.2.1. Оболочки. Уравнение Лапласа ...................................................  63 
4.2.2. Расчёт обечаек при давлении изнутри .......................................  67 
4.2.3. Расчёт обечаек при давлении снаружи ......................................  70 
4.2.4. Цилиндрическая обечайка, нагруженная внешними силами ...  79 
 
5. Расчёт днищ и крышек ..........................................................................  83 
 

Оглавление 

5 

6. Аппараты высокого давления ..............................................................  92 
6.1. Толстостенные сосуды ...........................................................................  92 
6.2. Напряжения в толстостенных сосудах .................................................  93 
6.3. Определение толщины стенки ..............................................................  96 
6.4. Днища толстостенных сосудов .............................................................  98 
6.5. Термические напряжения в толстостенных сосудах ..........................  100 
6.6. Способы повышения несущей способности  
толстостенных цилиндров .....................................................................  103 
 
7. Испытания аппаратов ............................................................................  106 
 
8. Плотно-прочные разъёмные соединения ...........................................  108 
8.1. Виды плотно-прочных соединений ......................................................  108 
8.2. Фланцевые соединения ..........................................................................  109 
8.2.1. Общие сведения ...........................................................................  109 
8.2.2. Специальные типы фланцев .......................................................  110 
8.2.3. Геометрические характеристики  фланцевого соединения .....  111 
8.2.4. Прокладки фланцевых соединений ............................................  112 
8.2.5. Расчёт фланцевых соединений ...................................................  115 
 
9. Быстро вращающиеся элементы машин ...........................................  119 
9.1. Тонкий обод ............................................................................................  119 
9.2. Барабан центрифуги ...............................................................................  120 
9.3. Диск постоянной толщины....................................................................  122 
9.4. Диск равного сопротивления ................................................................  125 
 
10. Динамический расчёт элементов оборудования .............................  127 
10.1. Общие положения ................................................................................  127 
10.2. Основные понятия теории колебаний ................................................  127 
10.2.1. Свободные колебания с одной степенью свободы .................  128 
10.2.2. Продольные колебания стержня ..............................................  130 
10.2.3. Поперечные колебания балки ...................................................  132 
10.2.4. Крутильные колебания валов ...................................................  133 
10.2.5. Колебания маятника ..................................................................  135 
10.2.6. Затухание свободных колебаний ..............................................  136 
10.2.7. Вынужденные колебания ..........................................................  138 
10.2.8. Виброизоляция ...........................................................................  144 
10.2.9. Колебания валов .........................................................................  148 
10.2.10. Расчёт валов перемешивающих устройств ...........................  152 
11. Бункеры для сыпучих материалов ....................................................  157 
11.1. Свойства и характеристики сыпучих материалов ............................  157 
11.1.1. Гранулометрические характеристики ......................................  157 
11.1.2. Физические свойства сыпучих материалов ............................  158 
11.1.3. Механические свойства сыпучих материалов ........................  160 

Оглавление 

6 

11.2. Нагрузки на стенки бункеров ..............................................................  162 
11.2.1. Давление сыпучих материалов на стенки сосудов .................  162 
11.2.2. Усилия в стенках бункера .........................................................  164 
11.3. Истечение сыпучих материалов из отверстий сосудов ....................  165 
 
12. Расчёт колонных аппаратов при действии ветровых  
и сейсмических сил................................................................................  169 
12.1. Расчёт вертикальных аппаратов на действие ветровой нагрузки ...  169 
12.2. Расчётные усилия от сейсмических воздействий .............................  174 
12.3. Расчёт опор колонных аппаратов .......................................................  175 
 
Заключение ...................................................................................................  182 
 
Библиографический список ......................................................................  183 
 
 
 

Введение 

7 

ВВЕДЕНИЕ 

 
 
В пособии рассматриваются методология конструирования изделий 
(устройств, аппаратов, машин, механизмов, деталей), основы расчёта типовых элементов технологического оборудования на прочность, жесткость 
и устойчивость при статических и динамических нагрузках.  
Для успешного изучения дисциплины студенту необходимо знать 
основы курсов «Сопротивление материалов», «Материаловедение», «Химическое сопротивление и защита от коррозии», «Процессы и аппараты 
химической технологии», «Инженерная графика», «Применение прикладных программ в инженерных расчётах».  
Книга будет полезна для конструкторов-механиков при проектировании (разработке) машин и аппаратов, совершенствовании и модернизации технологического оборудования, разработке экспериментальных установок для научных и технических работ. 
В первой главе рассматриваются основные понятия и определения 
в области проектирования технологического оборудования, основные этапы конструирования.  
Во второй главе приводятся общие принципы расчёта элементов 
технологического оборудования. Рассматриваются основы теории напряжённого состояния, прочностные характеристики материалов. 
В третьей главе описаны основные характеристики конструкционных материалов, применяемых для изготовления деталей и узлов технологического оборудования. Приводится краткое описание видов термической 
обработки и поверхностного упрочнения. 
В четвёртой главе рассматривается методика расчёта на прочность 
корпусных деталей сосудов и аппаратов в виде обечаек цилиндрической 
формы при различных видах нагружения.  
В пятой главе приводится методика расчёта днищ и крышек аппаратов в различных модификациях. 
В шестой главе рассматриваются особенности расчёта толстостенных аппаратов высокого давления. 
В седьмой главе приводятся нормы испытаний аппаратов на прочность и герметичность. 
В восьмой главе изучаются плотно-прочные разъёмные соединения. 
Подробно рассматривается методика расчёта на прочность фланцевых соединений. 
В девятой главе рассматриваются методы расчётов быстровращающихся элементов машин. 

Введение 

8 

В десятой главе представлены методы динамического расчёта элементов оборудования. 
В одиннадцатой главе приведены сведения о сыпучих материалах. 
Дана методика расчёта на прочность бункеров для хранения сыпучих материалов. 
В двенадцатой главе рассматривается методика расчёта колонных 
аппаратов при действии ветровых и сейсмических нагрузок. 
 
 

1. Основы проектирования 

9 

1. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  

1.1. Проектирующие организации,  
цели и задачи курса 

 
Проектирование основано на расчётах, которые проводятся по соответствующим зависимостям, формулам.  
Исследование физических явлений, разработку фундаментальных 
(общих, основных) теорий, закономерностей проводят академические научно-исследовательские институты, прямо входящие в состав Российской 
академии наук. Результаты этих исследований обычно представляют в виде системы общих дифференциальных или критериальных уравнений, мало пригодных для конкретных инженерных расчётов.  
На основе фундаментальных исследований РАН отраслевые научноисследовательские и конструкторские институты (отраслевые НИИ, 
обычно подчинённые министерствам отраслей) проводят исследования 
в приложении к задачам отрасли, разрабатывают отраслевые инженерные 
методики расчёта и проектирования. 
Специальные конструкторские и технологические бюро (СКБ, 
СТКБ, входящие в состав научно-производственных объединений, крупных фирм) занимаются разработкой, исследованием, испытанием экспериментальных, опытных, головных образцов, постановкой продукции на 
производство. 
Проектно-конструкторские и конструкторские бюро (ПКБ, КБ на 
выпускающих предприятиях) проводят доработку, привязку к технологиям 
конкретного производства, а также проектирование для собственных нужд 
производства. 
К сожалению, в настоящее время система отраслевых НИИ и «пояс 
внедрения» – системы СКБ и СТКБ – утрачены, что существенно затрудняет внедрение новых разработок в промышленность. 
 
 

1.2. Цели и состав проектирования 

1.2.1. Цели проектирования 

 
Проектирование – разработка документов, обеспечивающих возможность создания новых объектов. Основными задачами проектирования являются: 
 улучшение технико-экономических показателей (производительность, эффективность, экономичность и т. п.); 

Расчет и конструирование элементов оборудования 

10 

 расширение диапазона рабочих параметров; 
 применение новых конструкционных материалов; 
 использование процессов с новыми физическими принципами; 
 возможность непрерывного и автоматизированного производства; 
 повышение технического уровня, качества и надёжности. 
 

1.2.2. Состав проектирования 

 
Проектирование изделий включает: 
 постановку задачи – определяются цель, назначение проектируемого объекта, его основные технологические, технические, экономические, 
эксплуатационные показатели; 
 сбор и обработку информации – собирается и анализируется научно-техническая информация, проводится патентный поиск о разработках 
подобного назначения;  
 сбор исходных данных – определяются основные параметры проектируемого объекта: нагрузки, рабочие параметры (давление, температура, производительность, особые условия и т. д.), условия работы и другие 
данные, обеспечивающие осуществление поставленных задач;  
 анализ процессов, связанных с объектом проектирования; 
 разработку расчётной модели (физической, математической); 
 исследование и оптимизацию модели; 
 разработку изделий (новых схем, процессов, конструкций). 
 
 

1.3. Требования к проектируемому объекту 

1.3.1. Технологические требования 

 
К проектируемому объекту предъявляются требования, максимально 
полно обеспечивающие назначение объекта, экономичность его изготовления и эксплуатации, безопасность применения и т. д., а именно:  
 соответствие технологии процесса и показателям назначения; 
 соответствие техническим условиям для выпуска продукции; 
 соответствие рабочим схемам и чертежам. 
 

1.3.2. Требования к работоспособности 

 
Проектируемый объект должен обеспечивать: 
 прочность (не разрушаться); 
 жёсткость (не деформироваться); 
 устойчивость (сохранять форму); 

1. Основы проектирования 

11 

 виброустойчивость (работать без недопустимых колебаний); 
 герметичность; 
 коррозионную стойкость на заданное время; 
 износостойкость; 
 термостойкость (учитывать снижение прочности при повышенных температурах, ползучесть материалов, изменение свойств смазки, зазоров и т. д.). 
 

1.3.3. Обеспечение технического уровня  
и эффективности 

 
Технический уровень определяется показателями качества: 
 показателями назначения, которые характеризуют функциональные свойства оборудования (производительность, потребляемую мощность, давление, температуру) и определяются его назначением; 
 надёжностью – свойством изделия сохранять работоспособность, 
т. е. сохранять в установленных пределах в течение заданного времени 
значение всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции. Надёжность обуславливается: долговечностью (временем утраты работоспособности), безотказностью (свойством сохранять 
работоспособное состояние в течение заданного времени; отказ – вероятность утраты работоспособности в течение заданного времени), ремонтопригодностью (приспособленностью к предупреждению и устранению 
отказов и неисправностей во время техобслуживания и профилактического ремонта), сохраняемостью (свойством сохранять безотказность, долговечность и ремонтопригодность в течение всего срока при хранении 
и транспортировке); 
 технологичностью при подготовке, изготовлении, эксплуатации; 
 экологическими показателями (отсутствием вредных выбросов 
в окружающую среду, возможностью использования отходов и побочных 
продуктов); 
 безопасностью условий труда; 
 стандартизацией и унификацией – максимальным использованием стандартных и серийно выпускаемых элементов, узлов, комплектующих изделий, соответствием ГОСТ, СТП, РД, ТУ, РТМ, Правилам Гостехнадзора; 
 эргономичностью – удобством обслуживания, соответствием эстетическим требованиям; 
 патентной чистотой – конструкция и её элементы не должны подпадать под сторонние патенты (их использование влечёт за собой покупку 
лицензий). Новые технические решения, полученные в ходе разработки 
необходимо патентовать. 

Расчет и конструирование элементов оборудования 

12 

1.3.4. Экономические требования 

 
К данным требованиям относятся: 
 минимальная себестоимость изготовления (минимальные материалоёмкость, трудозатраты изготовления, энергозатраты изготовления, 
технологичность изготовления, унификация); 
 минимальная себестоимость продукции, получаемой с помощью 
разрабатываемого изделия (максимальная производительность, минимальная энергоёмкость, максимальный КПД, минимальные расход и стоимость 
сырья и сопутствующих технологических материалов, минимальные трудозатраты на получение продукции, обслуживание объекта и его проектирование); 
 минимальные эксплуатационные затраты. 
 

1.3.5. Нормативно-техническая документация 

 
Конструкции и качество машин и аппаратов должны удовлетворять 
определённым требованиям, поэтому машины и аппараты проектируют, 
изготовляют и эксплуатируют в соответствии с единой нормативнотехнической документацией, к которой относятся: 
 ГОСТы – нормативные требования, единые для всех производителей страны и имеющие силу закона; 
 ОСТы – отраслевые стандарты, действие которых распространяется на данную отрасль; 
 отраслевые и заводские нормали – нормативные требования, распространяемые на данную отрасль или предприятие; РТМ – руководящие 
технические материалы; ТУ – технические условия; 
 «Правила устройства и безопасности эксплуатации сосудов, работающих под давлением» («Правила Гостехнадзора»). 
 
 

1.4. Этапы разработки изделий,  
состав технической документации 

 
Разработка изделия (процесса, технологии) сопровождается конструкторской документацией (КД), выполненной в соответствии с ГОСТом 
(ЕСКД), в которой содержится всё необходимое для изготовления, эксплуатации, контроля, хранения, ремонта и т. д. изделия. Разные этапы разработки сопровождаются соответствующей конструкторской документацией, которой присваивается соответствующая литера (буквенное обозначение в конце номера документа). Стадии разработки конструкторской 
документации регламентируются ГОСТ 2.103–68, который предусматривает следующие этапы разработки. 

1. Основы проектирования 

13 

1.4.1. Техническое задание (ТЗ) 

 
Техническое задание (ГОСТ 15.001–73) (литера конструкторской документации ТЗ) – текстовый документ, устанавливающий основные требования к разрабатываемому изделию, процессу, технологии. Техническое 
задание включает в себя разделы: 
 основное назначение; 
 технические характеристики; 
 показатели качества; 
 технико-экономические требования;  
 требования безопасности и охраны окружающей среды; 
 правила приемки и методы контроля; 
 транспортирование и хранение; 
 стадии разработки КД и её состав; 
 указания по эксплуатации; 
 специальные требования к изделию; 
 гарантия изготовителя. 
Разработка ТЗ является обязательным этапом и обязательной составляющей договора на выполнение разработки между заказчиком и исполнителем. Приемка разработки (работ, выполненных по договору) осуществляется прежде всего на соответствие ТЗ, всем его пунктам. Юридическая 
ответственность за соблюдение реализации всех пунктов ТЗ в выполненной разработке лежит на исполнителе, выполнившем её. Заказчик же не 
может предъявлять требования, не изложенные в ТЗ. ТЗ разрабатывается 
исполнителем на основе Исходных требований или Проекта технического 
задания, предъявляемых заказчиком. Техническое задание утверждается 
исполнителем и заказчиком. 
Является основанием для выполнения дальнейших этапов разработки. 
 

1.4.2. Техническое предложение (ТП) 

 
Техническое предложение (литера конструкторской документации 
ТП) – совокупность конструкторской документации (чертежей и текстовых 
документов), содержащая технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки на основе анализа ТЗ, различные варианты решений, сравнительные оценки патентных и других информационных материалов. Объём работ, предусмотренный в ТП, регламентируется 
ГОСТ 2.118–73. 
Техническое предложение после согласования и утверждения заинтересованными сторонами является основой для дальнейшей работы; ТП 
не является обязательным этапом и может быть опущено по согласованию 
сторон.