5.6. Расчет прочности и долговечности элементов объекта

Данный раздел курсового проекта выполняется в соответствие с методическими указаниями [7] по выполнению курсовой работы по дисциплине «Расчет и конструирование аппаратов и машин». Расчет на прочность необходимо проводить для всех прогнозируемых состояний сосудов, возникающих при эксплуатации, испытании и монтаже. Следует учитывать все нагрузки и другие факторы (температуру, коррозионные свойства среды и т.п.), которые могут оказать влияние на прочность объекта.

В курсовой работе расчеты прочности и долговечности оборудования рекомендуется выполнять в виде поверочных расчетов. Цель поверочного расчета показать, что все несущие элементы оборудования соответствуют требованиям прочности. Стандартные и выбранные по нормалям корпусные элементы (обечайки, крышки, днища и др.) при воздействии внутреннего или наружного давления допускается не рассчитывать на прочность, если выполняется условие

,

где: P_N, P_р - номинальное и расчетное давление рассчитываемого элемента; _t – допускаемые напряжения для материала элемента при расчетной температуре; ₂₀ – допускаемые напряжения для материала элемента при температуре 20 ^оС.

Если кроме давления на оболочку действуют другие силовые факторы (например, опорные реакции или вес вышерасположенных частей) условие прочности необходимо проверить. Все нестандартные элементы подлежат расчету на прочность для рабочих условий и условий испытания.

Раздел «Расчет прочности и долговечности элементов объекта» должен состоять из следующих подразделов.

• Задачи расчета.

• Исходные данные.

• Расчетная модель объекта.

• Критерии прочности. Обоснование методов расчета

• Расчеты элементов оборудования на прочность и долговечность.

• Выводы и предложения.

Задача расчёта.

В этом подразделе следует перечислить все задачи прочностного расчета, которые были поставлены и выполнены в проекте. Задачи расчета определяют объем и содержание прочностного расчета оборудования, а также качество и полноту проработки проекта. Перед студентами не ставится задача выполнить полный прочностной расчет объекта проектирования, ввиду значительного объема. Достаточный по объему и содержанию прочностной расчет для аппаратов колонного типа должен включать:

• Определение толщины стенок корпусных элементов при воздействии внутреннего или внешнего давления, включая режим испытания;

• Определение расчетных усилий для аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий

• Проверка прочности и устойчивости корпуса и опоры при воздействии веса и ветрового момента;

• Расчет укрепления выреза в опоре и отверстия под штуцер (люк-лаз) в наиболее нагруженном месте корпуса;

• Расчет усилия затяжки болтов, прочности и герметичности фланцевого соединения.

Для выпарного аппарата должны быть выполнены следующие расчеты:

• Определение толщины стенок корпусных элементов греющей камеры и сепаратора при воздействии внутреннего или внешнего давления, включая режим испытания;

• Проверка условия прочности и устойчивости обечайки сепаратора в местах крепления опор;

• Определение толщины трубной решётки, прочности и жесткости труб греющей камеры;

• Расчет укрепления выреза в сепараторе и греющей камеры;

• Расчет усилия затяжки болтов, прочности и герметичности фланцевого соединения греющей камеры.

Исходные данные

Исходные данные должны содержать все необходимые для расчета сведения. Исходные данные рекомендуется сгруппировать по следующим группам:

1. Описание конструкции объекта расчета (аппарата в целом или его элементов по отдельности);

2. Условия и режимы эксплуатации оборудования, рабочие параметры;

3. Физико-механические свойства конструкционных материалов.

Расчётная модель объекта

Расчетная модель аппарата (машины) включает расчетную схему и расчетные параметры. Расчетная схема может быть составлена для объекта в целом (если его конструкция не является сложной) либо для всех рассчитываемых элементов и узлов по отдельности. При составлении расчетной схемы необходимо произвести схематизацию конструкции, т. е. исключить из рассмотрения все те конструктивные особенности, которые не могут существенно повлиять на точность прочностного расчета. Для составления расчетной схемы используют чертежи аппарата и рассчитываемых элементов. Пример изображения расчетной схемы аппарата колонного типа для расчета сил ветрового воздействия показана в «Приложение Б».

К расчетным параметрам относят расчетную температуру, расчетные нагрузки, допускаемые напряжения и др. Расчетными нагрузками являются все значимые силовые воздействия: внутреннее или внешнее избыточное давление; осевые и поперечные силы; изгибающие и скручивающие моменты. Правила определения расчетных параметров для сосудов и аппаратов изложены в ГОСТ Р 52857.1, а методы расчета на прочность в ГОСТ Р 52857.2 - ГОСТ Р 52857.11.

Критерии прочности. Обоснование методов расчёта

Способность оборудования выполнять заданные функции при воздействии на него внешних и внутренних сил, определяется работоспособностью в данных условиях его элементов и соединений. Отказы деталей и сборочных единиц могут возникать по причине недостаточной прочности, жесткости, устойчивости, выносливости или виброустойчивости. В зависимости от того, каким требованиям должна отвечать деталь, прочностной расчет этой детали должен производиться в соответствии с установленными критериями прочности. Например, потеря работоспособности аппарата, имеющего быстроходную пропеллерную мешалку, расположенную в циркуляционной трубе, может произойти по следующим причинам:

поломка вала от воздействия значительных изгибающих и скручивающих моментов – недостаточная статическая или усталостная прочность вала;

недопустимый прогиб консольного вала, при котором мешалка будет задевать стенку циркуляционной трубы – недостаточная жесткость вала;

значительные поперечные колебания вала вызванные совпадением частоты его вращения с частотой собственных колебаний – недостаточная вибрационной устойчивости вала.

Следовательно, для нормальной работы аппарата вал должен отвечать требованиям прочности, жесткости и виброустойчивости. Соответственно этому, прочностные расчеты вала должны включать расчет вала на статическую и усталостную прочность, расчет вала на жесткость и виброустойчивость. Корпус колонного аппарата, расположенного на открытой площадке, должен обладать необходимой прочностью при воздействии внутреннего давления, а также иметь достаточную устойчивостью при воздействии веса и ветрового момента. Из вышеизложенного следует, что любой прочностной расчет должен содержать анализ работоспособности элементов конструкции и установление критериев прочности.

Следующим шагом после определения критериев прочности является выбор и обоснования методов расчета. Для большинства типовых элементов химического оборудования в настоящее время имеются разработанные нормы и методы расчета на прочность, которые приводятся в нормативных документах и технической литературе. В приложении Г приведен список стандартов и других нормативных документов в которых изложены методы расчета типовых элементов сосудов и аппаратов химических производств. При выполнении расчетов студентам необходимо ознакомиться с нормативными документами и выбрать подходящую методику расчета. Как правило, для каждого метода расчета в литературе приводятся сведения об условиях применимости расчетных формул. Поэтому, в данном разделе пояснительной записки студентам необходимо показать, что выбранные ими методы расчета соответствуют решаемым задачам, а также выполняются все условия и границы применения, которые установлены для этих методов.

Расчёт элементов оборудования на прочность

В этом разделе приводятся все расчеты, которые произвел студент в рамках курсового проекта. Количество расчетов определяется числом критериев прочности, установленных для оборудования. Расчеты на прочность по каждому критерию оформляются в следующем виде. Вначале приводится поясняющая запись, в которой указывается для какого элемента (соединения) конструкции и по какому критерию прочности, выполняется расчет. Например: "Расчет вала перемешивающего устройства на виброустойчивость [3]. В квадратных скобках в конце поясняющей записи указываются номер источника информации, из которого взят метод расчета. После поясняющей записи должна следовать расчетная формула, представляющая собой математическую запись критерия прочности. Непосредственно после формулы приводится подстановка в формулу численных значений всех входящих в неё величин. Затем следует результат расчета с размерностью. Промежуточные расчеты не приводятся с целью упрощения текста. После этого дается расшифровка содержащихся в формуле обозначений и приводится расчет всех неизвестных величин. Расчет неизвестных величин также начинают с поясняющей записи. Расшифровка обозначений должна включать обозначение и наименование величины, ее численное значение, размерность и ссылку на источник из которой взяты численные значения. Например: «где: β₄ - коэффициент формы, рассчитываемый по формулам, приведенным в справочнике [4, с.59], в зависимости от соотношения толщины стенки аппарата и стенки штуцера». Далее приводится расчет величины коэффициента β₄. При большом количестве величин, входящих в расчетную формулу, расшифровку обозначений целесообразно оформлять списком.

При оформлении данного раздела пояснительной записки студентам рекомендуется придерживаться следующих правил:

- формулы и расчеты следует располагать в порядке "от общего к частному";

- формулы и расчет не следует отделять друг от друга, т.е. за расчетной формулой сразу должен следовать расчет искомой величины;

- если в расчетной формуле содержатся неизвестные, которые тоже определяются расчетом, их величины определяются предварительно (в черновых расчетах), и при чистовом оформлении раздела эти величины представляются как известные. Каким образом были определены неизвестные величины, показывается в нижеследующих расчетах;

- если вспомогательные расчеты являются громоздкими (например – определение расчетных усилий от ветровых и сейсмических воздействий), их целесообразно оформить отдельным подразделом или вынести в приложения.

Выводы и предложения

Итогом прочностного расчета являются выводы о достаточности либо недостаточности прочности элементов и соединений проектируемого объекта. Если элементы оборудования не обладают достаточной прочностью, то необходимо пояснить, по какому критерию эти элементы не могут быть признаны работоспособными. В этом же подразделе студентам следует обосновать наиболее рациональные (с их точки зрения) пути увеличения прочности деталей и сборочных единиц оборудования.

Вполне вероятной может оказаться ситуация, когда конструкция в целом либо ее отдельные части обладают избыточной прочностью для заданных условий применения оборудования. Как правило, это происходит вследствие неправильного выбора исполнительных размеров элементов оборудования (для аппаратов - толщины стенки). Как следствие чрезмерно возрастает материалоемкость и стоимость оборудования. Считается нормальным, если сосуды и аппараты обладают запасом толщины стенки не более 30% от расчётной величины, вычисленной по действующим нормативам. Поэтому, не приемлемо назначать исполнительную толщину стенки корпусных элементов превышающую расчетную (с учетом коррозии и эрозии) более чем в 1,3 раза.

Не исключено и то, что в выводах будут отмечены нерешенные задачи и непреодолимые трудности, с которыми столкнулся студент при расчете прочности проектируемого оборудования.