admin

Одним из ключевых направлений нашей организации является выполнение инженерно-технических расчетов в области общего машиностроения,  ёмкостного оборудования и трубопроводной арматуры.

Работа по данному направлению ведётся совместно с Южно-Уральским государственным университетом (ЮУрГУ), т.к. некоторые сотрудники  НПП «Механика» являются действующими преподавателями ЮУрГУ.

Проектирование трубопроводной арматуры.

Процесс проектирования изделия на предприятии НПП «Механика» включает в себя два этапа:

– проектный расчет аналитическим методом с использованием известных зависимостей;

– проверочный расчет с использованием современных методов компьютерного моделирования.

Совершенство конструкции изделия оценивают по ее надежности и экономичности. При этом под надежностью понимают вероятность безотказного выполнения определенных функций в течение заданного срока службы без внепланового ремонта. Экономичность определяется стоимостью материала, затратами на производство и эксплуатацию.

Рассмотрим основные критерии работоспособности и расчета прочности на примере обратного клапана DN80 PN63 L120, изображенного на рисунке 1. Для того чтобы изделие было надежным, оно должно быть работоспособным. Работоспособность клапана обратного оценивается по ряду критериев:

– прочность при сопротивлении внутреннему избыточному давлению РN 6,3 МПа;

– износостойкость при абразивном износе элементов проточной части;

– жесткость запирающего элемента для обеспечения герметичности затвора;

– теплостойкость деталей изделия при рабочей среде с температурой до 550 ºС;

– вибрационная устойчивость при воздействии колебаний вызванных большой скоростью транспортируемой среды.

Прочность является главным критерием работоспособности обратного клапана. Основными деталями, испытывающие ключевые нагрузки, являются корпус и запорный элемент клапана, поэтому при гидравлических испытаниях корпусных деталей внутреннее избыточное давление составляет 1,5 PN (превышение номинального давления на 50%), а при проверке запорного органа на герметичность давление 1,1PN (превышение на 10%). Результаты проверочного расчета методом компьютерного моделирования подтвердили обеспечение требуемой прочности корпуса клапана, а именно: максимальное значение эквивалентных напряжений 69,1 МПа наблюдаются в зоне обечайки клапана, при том, что для материала корпуса клапана предел текучести [σ]=220 МПа. Наблюдается более чем трехкратный запас по прочности. На рисунке 2 показан клапан в составе трубопровода, на изображении видно распределение напряжений в элементах конструкции. При прямом течении рабочей среды запорный элемент не испытывает существенных нагрузок.

Жесткость наряду с прочностью является одним из основных критериев расчета. Во многих случаях именно по условиям жесткости определяют размеры деталей.

Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих деформаций деталей в пределах, допустимых для конкретных условий работы. Такими условиями могут быть, например: условие работы запорного элемента клапана (герметичность соединения затвора и седла нарушается при больших прогибах затвора). В ходе проверочного расчета была произведена оценка прочности и  жесткости запорного элемента, на рисунке 3 показано распределение напряжений и перемещений в конструкции клапана. Запорный элемент должен быть достаточно жестким, сохранение его геометрии под действием рабочих нагрузок обеспечивает герметичность в зоне контакта с седлом.

Рисунок 3 – Распределение эквивалентных напряжений клапана в составе трубопровода (положение запорного органа «закрыто»): а) клапан в составе трубопровода; б) клапан, трубопровод условно скрыт

Максимальное значение эквивалентных напряжений около 65,2 МПа наблюдаются в зоне обечайки клапана, при том, что для материала корпуса клапана предел текучести [σ]=220 МПа, условие прочности выполнено, коэффициент запаса по прочности k=3,4.

Как видно из рисунка 4, максимальное значение перемещения наблюдается в зоне запорного элемента и составляет 0,013 мм, столь малое значение обеспечено значительной толщиной детали, условие жесткости выполнено.

Износ – процесс постепенного уменьшения размеров деталей в результате трения.

Интенсивность износа, следовательно, и срок службы изделия зависит от величины давления на поверхности соприкасания и скорости скольжения.

На примере обратного клапана можно выделить несколько видов изнашивания деталей: абразивный износ запорного органа под действием транспортируемой среды (износ, происходящий вследствие царапающего действия твердых частиц в рабочей среде), износ при коррозии.

Для снижения действия абразивного износа необходимо снизить величину допускаемых давлений и уменьшить скорости скольжения. На рисунке 5 показано влияние угла открытия запорного органа на скорость скольжения рабочей среды.

Рисунок 5 –Течение рабочей среды через обратный клапан, влияние угла открытия запорного элемента на скорость скольжения рабочей среды: а) угол открытия 10º; б) угол открытия 30º; б) угол открытия 85º

Из рисунка видно, что при малом угле открытия 10º скорость течения рабочей среды через малое проходное сечение составляет около 0,5 м/с; при открытии на 30º максимальное значение скорости снизилось до 0,29 м/с; а при полном открытии на угол 85º скорость жидкости не более 0,19 м/с. Данные эпюры наглядно демонстрируют то, как местные сопротивления влияют на линейные скорости течения жидкости, это позволит определить зоны наиболее подверженные абразивному износу и предпринять меры по его предупреждению в процессе работы трубопровода. На основе проектных расчетов и выполненного компьютерного моделирования была разработана конструкторская документация и изготовлен клапан DN80 PN63 L120, изображенный на рисунке 6. После изготовления клапан проходит гидравлические испытания, по результатам испытаний оформляется паспорт (ссылка на паспорт) на изделие и руководство по эксплуатации. (ссылка на руководство) На завершающих этапах изготовления продукции наносится лакокрасочное покрытие, производится консервация и упаковка изделия.

Проектирование ёмкостного оборудования

Выполнен инженерно-технический расчет по теме: «Прочностной расчет и расчет сейсмостойкости устройства осаждения и нейтрализации производственных стоков». Суммарная масса ёмкости с учётом заправки – 9015 кг, внутренний диаметр ёмкости – 2 м, высота – 2 м. Заказчиком работы было предоставлено техническое задание и оговорены сроки выполнения работ. В ходе данной работы был  выполнен проектировочный расчёт, а также проверочный расчёт прочности и сейсмостойкости изделия. Проведены проверочные расчёты прочности конструкции при заданных статических и сейсмических нагрузках, определены геометрические размеры элементов конструкции и коэффициенты запаса прочности. Данные расчетов были представлены в виде эпюр напряженно-деформированного состояния, в качестве фрагментов расчета приведены рис. 1 и рис. 2. Сам расчет оформлен в виде пояснительной записки на 24 страницах.

В результате работы было установлено, что требования к прочности и устойчивости конструкции реактора при статических и сейсмических нагрузках выполняются.

В качестве ещё одного примера инженерно-технического расчета можно привести работу по теме: «Прочностной расчет устройства  предназначенного для снижения концентрации углекислого газа в воде после очистки на катионитных фильтрах». Конструктивная схема изделия представлена  на рис. 3. Масса пустого устройства – 8950 кг, внутренний диаметр ёмкости – 3,4 м, высота – 4,2 м.

В ходе работы были решены следующие задачи:

1. Определение исходных данных для выполнения работы;

2. Определение минимальной допустимой толщины цилиндрической обечайки;

3. Определение минимальной допустимой толщины плоского днища;

4. Проверочный расчёт прочности ёмкости под действием максимальных эксплуатационных статических нагрузок.  В ходе проверочного расчета были определены эпюры, эпюра распределения эквивалентного напряжения приведена на рис. 4

В результате выполненного расчета было установлено, что требования к прочности и устойчивости конструкции изделия при статических нагрузках выполняются. Расчет на сейсмическое воздействие в рамках данной работы не проводился т.к. категория сейсмостойкости помещения – III в соответствии с НП-031-01. В соответствии с пунктом 2.12 «Норм проектирования сейсмостойких атомных станций» НП-031-01 проектирование элементов АС III категории сейсмостойкости следует выполнять в соответствии с действующими нормативными документами, требования которых распространяются на гражданские и промышленные объекты.