Тема 3.2 «Типовые элементы химического оборудования»

В современной химической технологии применяются самые разнообразные машины и аппараты как по назначению, рабочим характеристикам, так и по принципу действия и конструкции основных узлов и деталей.

При всем принципиальном различии применяемых конструкций некоторые из них имеют одинаковые по форме элементы, находящиеся под воздействием различных нагрузок. Например, в ректификационной колонне, теплообменнике, в аппарате с мешалками, листовом фильтре основным элементом является тонкостенная цилиндрическая оболочка, нагруженная внутренним давлением. Такая же оболочка ротора центрифуги находится под воздействием центробежных нагрузок, а барабанной сушилки – под действием собственной массы высушиваемого материала. В аппарате высокого давления цилиндрическая оболочка имеет значительную толщину (вследствие большого внутреннего давления газа) и представляет собой массивное трехмерное тело.

Тонкостенные эллиптические и конические оболочки, находящиеся под действием различных нагрузок, также входят в качестве важных составляющих элементов в конструкцию оборудования.

Для физико-химической обработки различных материалов и их перемещения, а также для интенсификации технологических процессов к обрабатываемым средам часто необходимо подводить тем или иным способом механическую энергию. Особенно широкое распространение в химической промышленности получили машины и аппараты с вращающимися деталями, образующими различной формы роторы. К числу типовых элементов роторов относятся валы, оболочки диски, лопасти различной формы. Главными нагрузками для элементов быстроходных роторов являются центробежные силы вращающихся масс, вызывающие значительные напряжения.

Работоспособность многих конструкций машин и аппаратов зависит от правильности учета динамических нагрузок, возникающих при колебаниях тех или иных элементов. Так, надежная эксплуатация центрифуги, центробежного насоса определяется виброустойчивостью роторов этих агрегатов.

Поэтому необходимо рассматривать не комплексный расчет элементов каждого элемента каждого агрегата, а изучать расчеты типовых элементов агрегата, находящихся под воздействием различных нагрузок. К числу наиболее распространенных типовых элементов химического оборудования следует отнести в первую очередь такие, которые можно сгруппировать по принципу общности расчетной схемы (стержни, пластины и оболочки, массивные трехмерные тела) или по конструктивному признаку (элементы роторов, барабанных вращающихся аппаратов и т.д.).

Тема 3.3 «Основные элементы машин и аппаратов»

Станины, корпуса, рамы

Станины – это основной неподвижный элемент машины, обеспечивающий необходимое взаимное расположение отдельных узлов и деталей и крепление их на фундаменте. В большинстве случаев станину выполняют в виде корпуса (металлической оболочки) или рамы (соединения брусьев).

Корпуса машин обычно имеют сложную форму и состоят из ряда элементов (стенок, ребер, бобышек, фланцев и т.п.), связанных между собой. Корпуса изготовляют методом литья или сварки. При конструировании корпусных деталей особое внимание следует уделять обеспечению жесткости системы.

Литые корпусные детали. Рационально использовать их для машин, выпускаемых серийно. Детали, подверженные статической сжимающей нагрузке, изготавливают из чугуна, при воздействии растягивающих или циклически меняющихся нагрузок используют углеродистую конструкционную сталь, высокопрочные чугуны. При необходимости ограничить массу машины применяют легкие сплавы на основе алюминия.

При конструировании литых корпусных деталей необходимо учитывать особенности технологии литья и последующей механической обработки. Участки деталей, для которых требуются повышенные прочность и жесткость, усиливают ребрами. В местах расположения фланцев, бобышек часто приходится увеличивать толщину стенки корпуса.

Толщина стенок корпусов при отливке их из сталей примерно на 30% больше, чем при отливке их из чугуна из-за меньшей жидкотекучести материала.

Сварные корпусные детали. При единичном и мелкосерийном производстве экономически целесообразно корпуса, станины, рамы выполнять сварными. В качестве заготовки можно использовать сортовой прокатный металл (листовой, профильный, трубы), а также отливки, штамповки, детали, полученные свободной ковкой из стали. Толщина стенки сварного корпуса в среднем составляет 0,7 толщины стенки чугунного литья.

В зависимости от требований к точности размеров конструктор решает, какие поверхности стоит подвергать механической обработке после сварки корпуса.

Крышки корпусов, люки и другие элементы, не несущие нагрузки, а лишь защищающие внутреннюю полость корпуса от попадания пыли, выполняют из стального листа толщиной 1-3 мм и снабжают прокладкой; при серийном производстве крышки изготовляют из пластмассы с ребрами жесткости.

Дизайн. Форма машины должна максимально соответствовать ее функциональному назначению. Также на форму могут сильно влиять так разноречивые факторы, как особенности эксплуатации, ремонта, транспортировки, удобства обслуживания, степень использования унифицированных деталей, экономические факторы, технологические возможности предприятия-изготовителя и т.д. все эти факторы должны быть учтены, согласованы и в конечном счете подчинены эстетическим критериям.

Все эстетические факторы могут быть определены как «красота» машины. Красота машины – это ее целесообразность и полезность на современном этапе развития общества, соответствие формы машины функциональным и эстетическим требованиям, т.е. максимальное удобство, безопасность и положительное воздействие на человека.

Эстетически совершенная машина обладает гармоничными формами, т.е. правильным соотношением частей изделия между собой, определенной направленностью объемов по отношению к основному элементу, композиционным единством.

Композиция является эстетической характеристикой машины, отражающей систему организации связей элементов формы и содержания, расположение основных элементов в определенной системе и последовательности.

Композиция содержит ряд категорий: объемно пространственная структура или компоновка, тектоника, симметрия и асимметрия, пропорциональность, масштабность, ритмичность и т.д.

На стадии компоновки в машине устанавливается взаимное расположение элементов, узлов таким образом, чтобы был виден композиционный замысел, заметнавзаимоподчиненность элементов. Только при правильной компоновке создается целостный образ машины.

Тектоника – это выражение закономерностей строения предмета, соотношение несущих и несомых частей. Тектоника должна показать, как выражено распределение основных усилий, как работает материал. Используются ли в полной мере его возможности, не обременяет ли он конструкцию.

Для впечатления устойчивости машины необязательно увеличения массы основания, можно зрительно увеличить основание размерами, фактурой, материалом, цветом.

Во всех случаях надо добиваться правильной передачи образа машины, т.е. несущие части прочные, станина устойчивая, надстройки легкие, без массивных кожухов и т.д.

Симметрия и асимметрия сообщают композиции изделия равновесие.

Пропорциональность характеризует соразмерность всех элементов и частей в линейных, площадных и объемных измерениях.

Масштабность является категорией композиции, которая выражает соразмерность машины с человеком. Машина немасштабна, если в ней отсутствуют элементы, по которым можно судить о незримом присутствии человека. Обычно показателями масштаба являются органы управления, которые всегда соразмерны с человеком.