РАСЧЕТ АППАРАТОВ И МАШИН НА ПРОЧНОСТЬ

РАСЧЕТ АППАРАТОВ И МАШИН НА ПРОЧНОСТЬ

Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Расчет и конструирование аппаратов и машин» для студентов всех форм обучения направления 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» профиль «Машины и аппараты химических производств»

Составители: В. А. Плотников

С. С. Азиханов

Утверждены на заседании кафедры ЭПХиНТ

Протокол № от..2017 г.

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией направления 18.03.02

Протокол № 3 от..2017г.

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2017

СОДЕРЖАНИЕ

1. Цель и задачи курсовой работы
2. Тематика курсовых работ
3. Содержание и объем курсовой работы
4. Требования по оформлению курсовой работы
5. Рекомендуемая литература
Приложения

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Цель и задачи работы

Курсовая работа по дисциплине «Расчет и конструирование аппаратов и машин» является завершающим этапом её изучения и выполняется в сроки, определенные графиком учебного процесса. Целью курсовой работы является закрепление и расширение теоретических знаний, приобретенных студентами при изучении дисциплины, а также выработка у них практических навыков по выполнению прочностных расчетов оборудования химических производств в соответствии с действующими нормативно-техническими документами и современными методами расчета. Следует также отметить, что на курсовую работу возлагаются и контролирующие функции. По качеству выполнения данной работы оцениваются знания и способности студента. При выполнении курсовой работы студенты должны решить ряд задач, к числу которых относятся:

· Изучить устройство и работу оборудования, принятого в качестве объекта расчета, с целью выявления наиболее неблагоприятных условий и режимов функционирования (с точки зрения воспринимаемых нагрузок и других разрушающих факторов) а также, для определения критериев прочности и работоспособности;

· Разработать расчетную модель аппарата (машины), включая расчетную схему объекта и необходимые расчетные параметры;

· Из действующих нормативных документов (ГОСТ, ОСТ, ОН, РТМ и т.д.) выбрать метод расчета, соответствующий характеру работы и условиям нагружения рассчитываемого объекта.

· Выполнить необходимый объем расчетов, которые с достаточной точностью определяют прочностные характеристики оборудования (запас прочности, предельные нагрузки, долговечность и т. д.);

· На основании выполненных расчетов сделать выводы о достаточности прочности оборудования и имеющихся резервах по его несущей способности. В случае недостаточной прочности оборудования предложить мероприятия по ее увеличению до необходимого уровня.

Курсовая работа является самостоятельной работой студента. За все принятые решения и выполненные расчеты студент несет персональную ответственность. Руководитель курсового проекта консультирует и осуществляет контроль выполнения работы в часы, установленные расписанием.

ТЕМАТИКА КУРСОВЫХ РАБОТ

Темы курсовых работ назначаются каждому студенту индивидуально, и указывается в специальном распоряжении после их утверждения на заседании кафедры. В распоряжении также указываются преподаватели, назначенные руководителями курсовых работ. Объектами прочностных расчетов могут быть: 1) машины и аппараты, применяемые в химических производствах и на предприятиях других отраслей; 2) стенды и установки, создаваемые для научно-исследовательских и учебных целей кафедры. При назначении студентам тем курсовых работ по дисциплине РиКАиМ, как правило, исходят из того, чтобы объектами расчета являлись установки, аппараты, машины, которые студенты разрабатывают в курсовом проекте по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии». Это необходимо по тому, что многие размеры оборудования могут быть определены только на основании прочностных расчетов. Кроме того, существенно сокращается общий объем работ, выполняемый студентами. Допускается, что студенты могут предложить для курсовой работы свою тему с необходимым обоснованием целесообразности её выполнения.

СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЁМ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

В законченном виде курсовая работа включает пояснительную записку и графические документы. Графическими документами могут быть чертежи, эскизы, схемы, содержащие информацию о конструкции, размерах, материалах и т. д. объекта расчета, достаточную для выполнения прочностных расчетов. Графические документы рекомендуется помещать в «Приложения» пояснительной записки. Объем пояснительной записки 25-30 страниц.

Пояснительная записка курсовой работы должна включать следующие разделы:

1. Задачи расчета. Исходные данные.

2. Расчетная модель. Нормативные и расчетные параметры.

3. Критерии прочности и работоспособности объекта.

4. Расчеты элементов и соединений оборудования на прочность.

5. Выводы и предложения.

6. Список литературы.

7. Приложения.

Задача расчёта. Исходные данные

В этом разделе студенты перечисляют все задачи прочностного расчета, которые они поставили в своих работах. Важно подчеркнуть, что задачи расчета определяют содержание и объем курсовой работы, а также качество и полноту прочностного расчета оборудования. Поэтому задачи расчета обязательно должны быть согласованы с руководителем. Пример оформления задач расчета приведен в Приложении 2.

Исходные данные должны содержать все необходимые для расчета сведения. Дается описание конструкции и принципа действия аппарата (машины). В описании следует указать конструктивное исполнение и основные размеры элементов оборудования. Приводятся данные о рабочих параметрах (температура, давление, свойства среды) при номинальном и экстремальном режимах работы оборудования, а также данные об испытании оборудования на прочность и герметичность (давление испытания, условия испытания, методы обнаружения дефектов). Исходные данные рекомендуется сгруппировать по следующим группам:

1. Описание конструкции и работы объекта;

2. Условия и режимы эксплуатации оборудования, рабочие параметры;

3. Физико-механические свойства конструкционных материалов.

Выводы и предложения

Итогом прочностного расчета оборудования являются выводы о достаточности либо недостаточности прочностных характеристик элементов и соединений конструкции, а также предложения по повышению прочности тех составных частей, которые не обладают необходимой несущей способностью. 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 (часто толщины стенки). Как следствие чрезмерно возрастает материалоемкость и стоимость оборудования. Считается достаточным, если сосуды и аппараты обладают 20%...30% запасом по толщине стенки. Поэтому, не приемлемо назначать исполнительную толщину стенки корпусных элементов превышающую расчетную (с учетом коррозии и эрозии) более чем в 1, 3 раза.

Если элементы оборудования не обладают достаточной прочностью, то необходимо пояснить, по какому критерию эти элементы не могут быть признаны работоспособными. В этом же разделе студентам следует обосновать наиболее рациональные (с их точки зрения) пути увеличения прочности деталей и сборочных единиц оборудования. Не исключено и то, что в выводах исполнитель расчета отметит те нерешенные задачи и непреодолимые трудности, с которыми он столкнулся в курсовой работе.

Список использованной литературы

В этом разделе пояснительной записки приводится список литературы, на которую имеются ссылки в тексте. Библиографические описания источников следует располагать в порядке появления ссылок в тексте. Сведения о книгах включают: фамилии, инициалы авторов (если их более трех, то приводятся данные о первых трех авторах, за которыми следует запись " и др." ); заглавие; место издания; издательство; год издания и количество страниц. Сведения о статье из периодического издания включают: фамилии и инициалы авторов (первых трех); заглавие статьи; наименование издания (журнала); наименование серии (если таковая имеется); год выпуска; том и номер издания (журнала); страницы, на которых помещена статья. Сведения о нормативных материалах (ГОСТах, ОСТах и др.) включают обозначение и наименование материала, название организации составителя.

В полном объеме правила составления библиографического описания приведены в ГОСТ 7.1-2003 " Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила составления".

ТРЕБОВАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Пояснительная записка курсовой работы оформляется в соответствии с действующими правилами и нормами оформления текстовых документов, которые приведены в ГОСТ 2.105-72 " Основные требования к текстовым документам". Записка оформляется на стандартной писчей бумаге формата А4 (210× 297мм). Термины, определения и буквенные обозначения должны соответствовать установленным стандартам, а при их отсутствии - рекомендациям Комитета научно-технической терминологии Академии наук РФ (в сборнике по отраслям). С общепринятой терминологией и обозначениями физических величин можно ознакомиться по соответствующим справочникам и учебной литературе [3, 4]. В тексте не рекомендуется: применять иностранные слова и термины при наличии равнозначных русских; сокращать обозначения единиц измерения, если они употребляются без цифр; произвольно сокращать слова, кроме общепринятых; заменять слова буквенными символами; использовать математические знаки " минус", " меньше", " больше", " равно", " неравно", " параллельно", " перпендикулярно", " приближенно" и др. без цифровых величин. Разделы и подразделы текста должны иметь наименования, соответствующие оглавлению. Переносы слов в заглавиях не допускаются, точка в конце заголовка не ставится. Все буквенные обозначения величин должны соответствовать ГОСТ 1494-77. Формулы и расчетные выражения нумеруются в порядке их расположения. Ссылки на формулы в тексте даются в круглых скобках. Все входящие в формулу символы и коэффициенты должны быть расшифрованы с указанием единиц измерения. Единицы измерения должны соответствовать ГОСТ 8.417-81 (СТ СЭВ 1052-78). Графические материалы (чертежи, эскизы, схемы, графики) должны выполняться в соответствии с требованиями ЕСКД.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

5.1. Учебная литература

1. Вихман, Т. П. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов / Т.П. Вихман, С.А. Круглов // Учебник для студентов вузов. Изд. 2-е перераб. и доп., М.: Машиностроение, – 1978. – 328с.

2. Гусев, Ю. И. Конструирование и расчет машин химических производств / Ю.И. Гусев, И.Н. Карасев, Э.Э. Кольман-Иванов и др. М.: Машиностроение, – 1985. – 408с.

3. Михалев, М. Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи. Учебное пособие для студентов втузов/ М.Ф. Михалев, Н.П. Третьяков, А.И. Мильченко и др.- под общей ред. М.Ф. Михалева. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд, – 1984 – 301с.

5.2. Справочная литература

1. Смирнов, Т. Т. Контруирование безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств / Т. Т. Смирнов, А.Р. Толчинский, Т.Ф. Кондратьева. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, – 1988. – 303с.

2. Лащинский, А. А.Основы конструирования и расчета химической аппаратуры / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский // Справочник, 3-е изд., стереотипное. М.: ИД «Альянс», – 2008. – 752с.

3. Лащинский, А. А. Конструирование сварных химических аппаратов / А.А. Лащинский // Справочник, 2-е изд., перепечатка с 1981г. М.: ИД «Альянс», – 2008. – 384 с.

4. Тимонин, А. С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования / А.С. Тимонин // Справочник в 3^х томах, – Калуга, –2006.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Пример изображения расчетной схемы аппарата

Приложение 2

Пример выполнения прочностного расчета

Задачи расчета.

Фланцевое соединение диффузора и сепаратора обеспечивает прочность и герметичность корпуса скруббера, и его нормальное функционирование. В задачи расчета входило:

1) определить усилие затяжки болтов, обеспечивающее герметичность фланцевого соединения;

2) оценить прочность прокладки, болтов и фланцевых колец соединения;

Исходные данные.

В водяном скруббере для соединения диффузора и каплеуловителя (сепаратора) предусмотрен фланец с плоскими приварными кольцами, между которыми расположена прокладка из мягкой резины. Фланцевое соединение имеет следующие геометрические размеры (см. рис. ):

1. Наружный диаметр фланца, D_нф, мм 1278

2. Внутренний диаметр фланца, D_вф, мм 1158

3. Диаметр болтовой окружности, D_б, мм 1218

4. Ширина кольца фланца, B, мм 60

5. Диаметр отверстий под болты, d_о, мм 14

6. Высота фланцевого кольца, h, мм 12

7. Наружный диаметр кольца корпуса, D_нк, мм 1284

8. Внутренний диаметр кольца корпуса, D_вк, мм 1138

9. Толщина стенки корпуса, s, мм 2

10. Толщина прокладки, δ , мм 3

11. Число болтов, z_б 48

12. Наружный диаметр резьбы болта d_р, мм 12

13. Внутренний диаметр резьбы болта d_в, мм 10, 1

Конструкционные материалы деталей фланцевого соединения и механические свойства материалов [1] приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика конструкционных материалов деталей фланцевого соединения

Элемент	Материал	Механические свойства, МПа
σ _Т	σ _B	Е
Фланцевые кольца	Сталь ВСт3 пс ГОСТ 380-71
Прокладка	Резина твердостью 0, 76…1, 2 МПа (по прибору ТШР)	-
Болт	Сталь40 ГОСТ 1050-74
Гайка	Сталь20 ГОСТ 1050-74

Расчетная температура элементов фланцевого соединения скруббера назначена 50^оС, т.к. температура газов, входящих в скруббер составляет 55^оС. Ввиду незначительного перепада давления, создаваемого вентилятором, расчетное давление в скруббере принято равным нулю (избыточное). В соответствие с действующими правилами [1] давление испытания скруббера установлено 0, 2МПа.

Прочность фланцевых колец.

В рабочем состоянии фланцевые кольца воспринимают только давление реакции прокладки и усилия сжатия болтов. Полагая давление реакции прокладки равномерно распределенным по поверхности кольца, изгибающий момент в сечении под болтом может быть вычислено по формуле, соответствующей изгибу балки с защемленными концами [3]:

где l_б – расстояние между осями смежных болтов.

Напряжения от изгиба в сечении под головкой болта:

где W – момент сопротивления изгибу сечения кольца под головкой болта.

Запас прочности кольца по пластическим деформациям:

условие прочности выполняется.

При испытании корпуса скруббера Вентури на прочность или герметичность нагрузка на фланцевые кольца возрастает. Приведенный изгибающий момент в диаметральном сечении кольца от давления испытания:

Напряжения от действия момента М_фи:

Суммарные напряжения в расчетном сечении от реакции прокладки и давления испытания:

Величина коэффициента запаса прочности:

Прочность фланцевого кольца обеспечена.

Прочность прокладки проверять не требуется т.к. в рабочем состоянии и при испытании корпуса скруббера внутреннее давление снижает обжатие прокладки.

Приложение 3 Таблица 1

Характерные нагрузки и критерии работоспособности основных элементов оборудования (Пример: реактор с перемешивающим устройством)

Обозначение элемента н схеме или чертежу	Наименование элемента	Опасные силовые факторы	Максимальная величина нагрузки	Критерий прочности элемента	Повреждения, дефекты и прочие отрицательные последствия, вызываемые нагрузкой
	Корпус реактора	Внутреннее давление в рабочих условиях и при гидроиспытаниях корпуса	Р_с, Р_и	Достаточная прочность корпуса при воздействии внутреннего статического давления	Статическое разрушение или пластическая деформация
Внешнее избыточное давление при отсутствии давления в корпусе и наличие давления теплоносителя	Р_с, Р_т, Р_г	Достаточная устойчивость корпуса при воздействии внешнего избыточного давления	Смятие корпуса вследствие потери устойчивости.
	Вал перемешивающего устройст- ва	Крутящий и изгибающий моменты	М_кр, М_и	Достаточная прочность вала при кручении с изгибом. Жёсткость вала. Виброустойчи- вость вала	Разрушение либо недопустимая деформация вала. Разрушения, вызванные резонансом

Составители

Вячеслав Алексеевич Плотников

Сергей Сейфудинович Азиханов