Понятие машины, узла, детали
Машина представляет собой устройство, предназначенное для облегчения или замены труда человека и повышения его производительности.
Машины подразделяют на:
1) машины – двигатели;
2) машины – орудия;
3) машины – транспортирующие;
4) машины – роботы;
5) машины – кибернетические.
Узлом называется законченная сборочная единица, составные части которой подлежат соединению между собой на предприятии сборочными операциями.
Деталь – изделие, полученное без применения сборочных операций (болт, гайка, вал и т.д.). Детали подразделяют на:
1) детали общего назначения (передачи, соединения и т.д.);
2) детали специального назначения (лопатка, поршень и т.д.).
Курс «Детали машин» посвящен расчёту деталей общего назначения.
Классификация деталей общего назначения:
1. Соединительные детали и соединения (необходимы для соединения отдельных деталей в один механизм);
2. Детали для передачи вращательного движения (оси, муфты, валы);
3. Детали для поддержания в пространстве вращающихся частей машины (опоры, корпуса).
Принципы расчёта деталей машин по основным критериям
Работоспособности
Задачей проектирования машин является разработка документации, необходимой для их изготовления, монтажа, установки и эксплуатации. При этом к машине предъявляются такие требования, как: прочность, износостойкость, жёсткость, виброустойчивость, теплостойкость, надёжность, технологичность. Эти требования называются критериями работоспособности .
Прочность – способность сопротивляться нагрузкам, не разрушаясь и не имея при этом больших пластических деформаций. Это один из главных критериев. Расчёты на прочность проводят по номинальным допускаемым напряжениям, по допускаемым коэффициентам безопасности и по вероятности безотказной работы.
Расчёт на прочность состоит:
1. Предварительный расчёт (определяются приближённые параметры);
2. Проверочный расчёт (определение прочности в опасных местах).
Условие прочности - ,
где - расчётное напряжение, - допускаемое напряжение.
Одним из наиболее общих требований является условие равнопрочности. Очевидно, что нет необходимости конструировать отдельные элементы с излишними запасами несущей способности, которые не могут быть реализованы в связи с выходом из строя других элементов.
Износостойкость. Износ – процесс постепенного уменьшения размеров детали в результате трения. Следствие износа – уменьшение прочности и увеличение динамических нагрузок, нарушение герметичности и т.д. Виды изнашивания: абразивный износ, износ при заедании, износ при коррозии и т. д.
Оценка сопротивлений по изнашиванию проводится по условию:
; ; , где P -давление; PV – мощность трения, -рабочая температура; - допускаемые значения.
В наиболее ответственных деталях машин износостойкость обеспечивается надлежащей смазкой, применением антифрикционных материалов и герметизацией областей трения.
Жёсткость
– это способность детали сопротивляться изменению формы под действием сил.
Проверочный расчёт жесткости состоит в определении упругих деформаций:
Удлинения;
Прогиба;
Поворота при изгибе;
Закручивания.
Виброустойчивость. Вибрация вызывает дополнительные переменные напряжения и приводит к усталостному разрушению деталей. Особенно опасными являются резонансные колебания. Условие отсутствия резонанса - несовпадение частот возбуждающих нагрузок с собственными частотами. Это условие достигается конструктивными мероприятиями.
Теплостойкость. Любая работа вызывает тепловыделение. Это приводит к снижению несущей способности детали, снижению защитной способности масляного слоя, разделяющего трущиеся поверхности детали, изменению зазоров в соединениях, изменению свойств поверхностей, снижению точности машин. Температурный расчёт сводится к ограничению температуры .
Надёжность и долговечность деталей машин
Надёжность – свойство выполнять свои функции, сохраняя свои характеристики. Она определяется безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.
Безотказность – свойства изделий сохранять работоспособность в течение заданной наработки без вынужденных перерывов.
Долговечность – свойства изделий длительно сохранять работоспособность.
Ремонтопригодность – способность изделия к обнаружению и устранению отказов.
Сохраняемость – свойства изделия сохранять эксплуатационные показатели при хранении и транспортировке.
Имеем N 0 изделий для испытаний в течение t часов. Пусть N от – количество изделий, отказавших при испытании,а N р – количество работающих изделий, тогда относительное число отказов
Если N 0 велико, то Q (t ) – вероятность отказов.
Количественная характеристика надёжности – вероятность безотказной работы P (t ):
Если машина состоит из большого числа узлов, соединенных последовательно (рис.1.2), а отказ одного приведёт к отказу машины, то по теореме умножений вероятностей вероятность безотказной работы есть произведение вероятностей безотказной работы отдельных элементов:
Пусть система состоит из параллельно соединённых деталей (рис.1.3). Вероятность безотказной работы такой системы можно записать в виде
Таким образом, надёжность сложной системы всегда меньше надёжности самого ненадёжного элемента. Чем больше элементов имеет система, тем меньше её надёжность.
Важной характеристикой является интенсивность отказов:
где t ср – средняя наработка на один отказ.
В период нормальной эксплуатации машины (область II рис.1.4) отказы от износа (область III) ещё не проявляются и надёжность характеризуется внезапными отказами. Они носят случайный характер и определяются выражением, уменьшаясь с наработкой по экспоненциальному закону (рис.1.5).
Основные пути повышения надёжности машин:
1. Улучшение конструкции изделия.
2. Повышение качества производства.
3. Обоснованное уменьшение напряжённости детали.
4. Правильный выбор системы смазки.
5. Резервирование:
а) постоянно параллельное (рис.1.6);
если
б) резервирование замещением.
Если надёжность переключения 100%, то
.
Резервирование применяется тогда, когда исчерпаны все другие средства, существенно повышает надежность системы, но усложняет её.
Лекция №2
Выбор допускаемых напряжений при статических и переменных нагрузках
Все основные расчёты делятся на проектировочные и проверочные. Например, для стержня (рис. 2.1)
Проектировочный расчет;
- проверочный расчет.
Допускаемые напряжения – это максимальные значения рабочих напряжений, которые могут быть допущены при условии обеспечения надёжности детали в процессе её работы:
где – предельное нормальное (касательное) напряжение детали, S – коэффициент безопасности.
Предельные напряжения – это такие напряжения, при действии которых деталь выходит из строя:
где k – коэффициент концентрации напряжения;
s limD – предельное напряжение лабораторного образца;
e m - масштабный фактор;
k П - коэффициент качества поверхности;
k р – коэффициент режима;
Коэффициент концентрации напряжения.
Фактические напряжения s max в зоне концентрации у дна выточки (рис. 2.2) будут значительно больше, чем где h и d - ширина и толщина пластины.
С увеличением абсолютных размеров сечений детали в большей степени проявляется негативное влияние неоднородности механических свойств металла и структурных дефектов, способствующих развитию усталостных трещин. Наряду с этим увеличение размеров сечения снижает градиент напряжений и положительный эффект возможного упрочняющего воздействия от обработки. Поэтому с увеличением абсолютных размеров сечения деталей происходит снижение их прочности и механических характеристик, получаемых при статических и усталостных испытаниях, учитываемое коэффициентами влияния абсолютных размеров – масштабными факторами
где s -1d (t -1d) – предел выносливости образца диаметра d ;
s -1 (t -1) – предел выносливости пробного образца d = 7…10 мм.
При статических нагрузках состояние рабочих поверхностей оказывает незначительное влияние на их прочность. При циклических нагрузках разрушение деталей связано с развитием усталостных трещин, возникающих обычно в поверхностном слое. Развитию усталостных трещин способствуют возникшие на поверхности в результате механической обработки микронеровности, являющиеся также концентраторами напряжений. Влияние их учитывается коэффициентами качества поверхности
где s -1 и t -1 – предел выносливости полированных образцов;
s -1d и t -1d – предел выносливости образцов с заданной обработкой.
Циклы нагружения
Детали машин обычно подвергаются действию напряжений, циклически меняющихся во времени. При этом возникают микроскопические трещины, приводящие к усталостной поломке деталей. В общем виде кривая, характеризующая изменение напряжений во времени, представлена на рис. 2.3.
Большое значение для работы детали имеют верхние и нижние пределы напряжений,
– среднее или условно постоянное напряжение,
– амплитудное напряжение.
Важным параметром является коэффициент асимметрии цикла .
В технике встречается три основных случая нагружения:
- Статическое нагружение (рис. 2.4).
Обозначение [ I
] – первый род нагрузки. 
R
= +1.
Для хрупких материалов принимают
где и - пределы прочности при растяжении и сдвиге.
Для пластичных материалов принимают
где и - пределы текучести.
Для нормализованных и улучшенных сталей при s в >800 МПа принимают y s = 0,3…0,4 и y t = 0,4…0,5.
Определение коэффициента запаса прочности
Коэффициент запаса прочности (безопасности)
>1, где s р – расчётное напряжение.
Существует дифференциальный метод (Одинга) и табличный метод определения коэффициентов запаса прочности.
1. Дифференциальный метод определяет коэффициент запаса прочности как произведение частных коэффициентов, отражающих:
a) достоверность определения расчётных нагрузок S 1 = 1…1,5;
б) однородность механических свойств материалов S 2 =1,2…2;
в) специфические требования безопасности S 3 =1…1,5.
Общий коэффициент запаса прочности [S ]=S 1 · S 2 · S 3 .
2. Таблицы существуют для типовых деталей каждой отрасли.
Передачи
Основные понятия. Классификация механических передач
Любая машина состоит из трёх основных элементов – двигателя, передаточного механизма, исполнительного механизма.
Устройства для передачи энергии и движения от одного агрегата другому или от одной части машины к другой называются передачами . Передачи подразделяются на механические, электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. В курсе «Детали машин» изучаются только механические передачи. Введение передач обусловлено следующими причинами:
1. Требуемые скорости исполнительного механизма, как правило, не совпадают с оптимальными скоростями двигателя;
2. Скорость движения исполнительного механизма необходимо регулировать, что не всегда возможно сделать двигателем;
3. Двигатели обычно выполняются для равномерного вращательного движения, а исполнительные механизмы могут требовать иной вид движения.
Передачи по принципу работы разделяются:
а) передачи трением с непосредственным контактом тел (фрикционные) и с гибкой связью (ременные);
б) передачи зацеплением с непосредственным контактом (зубчатые и червячные) и с гибкой связью (цепные).
По характеру изменения скорости:
а) понижающие (редуктора) и повышающие (мультипликаторы);
б) регулируемые и нерегулируемые.
Регулируемые разделяются на:
а) со ступенчатым регулированием;
б) с бесступенчатым (плавным) регулированием.
По взаимному положению валов:
а) с параллельными осями;
б) с пересекающимися осями;
в) с перекрещивающимися осями.
Устройство, содержащее одну или несколько зубчатых или червячных передач, установленное в жёстком корпусе и предназначенное для понижения частоты вращения и увеличения крутящего момента, называется редуктором .
Механические свойства металла проходят проверку в металлургических заводах с помощью выборочных испытаний, поэтому в полнее вероятно попадание в конструкции материала с нижеприведенными свойствами, установленные ГОСТом.
Контроль механических свойств металла происходит на малых образцах во время одноосного растяжения, но фактически металл работает в большеразмерных конструкциях во время сложного напряженного состояния.
Коэффициент безопасности по материалам учитывает воздействия всех этих факторов по снижению несущей способности конструкции.
Установить падение механических свойств против нормативных значений возможно в результате обработки статистических данных заводских испытаний стали, а работу стали в конструкциях – в результате исследования.
По итогу анализов кривых распределения испытаний стали можно определить коэффициент безопасности для назначения расчетного сопротивления стали по пределу текучести.
В результате установления расчетного сопротивления по пределу текучести значения коэффициента k м = 1,1 - 1,2 для стали классов С 38/23 - С 60/45 .
Коэффициент безопасности по материалу принимается повышенным, если идет назначение расчетного сопротивления по временному сопротивлению.
Предположим, что произошли непредвиденные обстоятельства, после чего напряжения в конструкции достигли значения предела текучести, вследствие произошедшего растянутые и изгибаемые элементы стали получать повышенные деформации, но они не придут в негодность, но если напряжения сравняется с временным сопротивлением, то будет разрыв элемента, что никак нельзя допустить. В связи с этим коэффициент безопасности по материалу для расчетного сопротивления для стали классов С 46/33 и С 52/40 равняется 1,5, для 60/45 - С 85/75 = 1,6, а для С 38/23 - С 44/29 = 1,45.
9) Работа и расчет на устойчивость центрально сжатых стержней.
Поведение стержня под нагрузкой характеризуется графиком (рис.2.4,б), где вначале с ростом нагрузки стержень сохраняет прямолинейную форму, с дальнейшим ростом нагрузки, когда стержень теряет свою устойчивость и начинает выпучиваться. Последующий (небольшой) рост внешней нагрузки сопровождается быстрым увеличением поперечного прогиба f . После достижения максимальной нагрузки – второй критической силы - стержень теряет несущую способность (неустойчивое состояние).
Устойчивое состояние может быть при и (точки 1 и 2). Однако при стержень может находиться в устойчивом состоянии (точка 2) и неустойчивом (точка 3) при одинаковой сжимающей силе.
Критическое состояние может быть при и при (точки и ).
 |
Рис.2.4. Работа центрально-сжатого стержня:
а – расчетная схема; б – зависимость между нагрузкой и прогибом стержня
На практике гибкость центрально сжатых стержней (колонн, элементов ферм, рам и т.д.) составляет примерно половину указанных предельных.
В приведенной классической схеме, в которой предполагается, что в момент потери устойчивости нагрузка остается постоянной, тогда на выпуклой стороне стержня происходит разгрузка и материал начинает работать по упругому закону. Однако, если деформация сжатия в процессе продольного изгиба растет или остается постоянной в каждой точке сечения стержня, т.е. разгрузки не происходит, то все сечение находится в пластическом состоянии, характеризуемом касательным модулем деформации .
В этом случае критическое напряжение в пластической области будет В строительных конструкциях встречаются обе схемы работы сжатых стержней. Например, сжатые элементы статически неопределимых систем (ферм, рам) теряют устойчивость по классической схеме - с разгрузкой. В момент потери устойчивости происходит перераспределение усилий между элементами. В колоннах, работающих по статически определимой схеме, будет реализовываться вторая схема – без разгрузки.
До сих пор рассматривался идеально прямой стержень с нагрузкой, приложенной строго по оси. Однако в практике такого не существует. Конструктивное оформление концов сжатых стержней не обеспечивает идеальную центровку, поэтому эти факторы учитываются введением в расчет эквивалентного эксцентриситета сжимающей силы “ ”. Он зависит от гибкости и с ростом ее возрастает. В практических расчетах пользуются , т.е. со случайным эксцентриситетом. Тогда , где - коэффициент устойчивости или его еще называют коэффициентом предельного изгиба при центральном сжатии.
В нормах на проектирование даются формулы и соответствующие таблицы для определения .
10) Работа и расчет на устойчивость внецентренно сжатых и сжато изогнутых стержней.
При одновременном действии на стержень осевой силы и изгибающего момента (вызванного внецентренным приложением нагрузки ) несущая способность его определяется размерами поперечного сечения и предельной прочностью материала.
В упругой стадии работы материала напряжения в поперечном сечении стержня могут быть представлены в виде суммы напряжений от центрального сжатия и от изгиба .
Основы расчета на устойчивость внецентренно сжатых и сжато - изогнутых стержней.
Потеря несущей способности длинных гибких стержней при одновременном действии сжимающей силы и изгибающего момента происходит от потери устойчивости. При этом соответствующее состояние равновесия можно определить так же, как для центрального сжатия, а именно - устойчивое состояние; - неустойчивое состояние; - критическое состояние (где и - приращение работ внешних и внутренних сил).
Внецентренно сжатые стержни реальных металлических конструкций теряют устойчивость при развитии пластических деформаций.
Критическая сила зависит от эксцентриситета “e” . На практике удобнее пользоваться безразмерным относительным эксцентриситетом m=e/ρ , где ρ=W/A - ядровое расстояние со стороны наиболее сжатой фибры стержня.
Формула проверки устойчивости внецентренно сжатого стержня будет
N / (Aφ e) R y γ c
Для обеспечения устойчивости внецентренно сжатых (сжато-изогнутых) стержней целесообразно с целью экономии металла развивать сечение в направлении эксцентриситета. Например, как показано на рис.2.6. При этом возрастает опасность потери устойчивости стержня в перпендикулярном направлении – относительно оси “y” . В связи с этим в формулу проверки устойчивости относительно оси “y ” вводится пониженный коэффициент с.
N / cφ y A γ c R y
где с =N cr .M/N cr =φ y .M/φ y ; φ y .N cr –соответственно коэффициент устойчивости и критическая сила при центральном сжатии; N cr .M. φ y .M – критическая сила и соответствующий коэффициент устойчивости центрального сжатия относительно оси “y” при наличии момента в перпендикулярной плоскости.Коэффициент “c” зависит ототносительного эксцентриситета m x =e/ρ x .формы поперечного сечения стержня и гибкости λy .
 |
Рис.2.6. Наиболее рациональное положение двутаврового сечения при внецентренном сжатии стержней
12) Работа и расчет стыковых сварных соединений.
При проектировании сварных соединений необходимо учитывать их неоднородность, определяемую концентрацией напряжений, изменением механических характеристик металла и наличием остаточного и напряженно-деформированного состояния.
Хорошо сваренные встык соединения имеют небольшую концентрацию напряжений от внешних сил, поэтому прочность таких соединений при растяжении или сжатии зависит от прочностных характеристик основного металла и металла шва. Разделка кромок соединяемых элементов не влияет на статическую прочность соединения и может не учитываться.
Сварной шов в начале и конце, насыщен дефектами (в силу неустановившегося теплового режима сварки), поэтому начало и конец шва следует выводить на технологические планки, после окончания сварки и остывания шва эти планки удаляются. В случае невозможности вывести концевые участки шва на технологические планки расчетная длина шва будет меньше его фактической длины.
С помощью угловых швов выполняются различные виды соединений в металлических конструкциях: тавровые, в угол, внахлест.
Соединения внахлестку выполняются угловыми швами; они могут быть как фланговыми, так и лобовыми.
В соответствии с характером передачи усилий фланговые швы работают одновременно на срез и изгиб. Разрушение шва начинается с конца и происходит как по металлу шва, так и по металлу границы сплавления, особенно если наплавленный металл прочнее основного.
Лобовые швы передают усилия достаточно равномерно по ширине элемента, но крайне неравномерно по толщине шва, вследствие резкого искривления силового потока при переходе усилия с одного элемента на другой, особенно, напряжения велики в корне шва Разрушение лобовых швов происходит так же как фланговых по одному из двух сечений (металлу шва или по металлу сплавления).
Расчет:
При расчете сварных соединений необходимо учитывать вид соединения, способ сварки (автоматическая, полуавтоматическая, ручная) и сварочные материалы, соответствующие основному материалу конструкции.
Расчет стыковых сварных соединений при действии осевой силы , проходящей через центр тяжести соединения, выполняют по формуле . Отсюда 
где - наименьшая из толщин соединяемых элементов; - расчетная длина шва, равная полной его длине, уменьшенной на , или полной его длине, если концы шва выведены за пределы стыка (например, на технологические планки); - расчетное сопротивление стыковых сварных соединений по пределу текучести (см.СНиП II-23-81*, прил.5); - коэффициент условия работы.
При отсутствии физических методов контроля расчетное сопротивление металла сварного соединения по нормам составляет .
При действии сдвигающей силы Q на стыковой шов, в шве возникают срезывающие напряжения .
Расчетное сопротивление при сдвиге соединения , где - расчетное сопротивление основного металла на сдвиг.
Если расчетное сопротивление металла шва в стыковом соединении меньше расчетного сопротивления основного металла, проверку выполняют по сечению металла шва.
Сварные стыковые соединения, выполненные без применения физических методов контроля качества, при одновременном действии в одном и том же сечении шва нормальных напряжений и , действующих по взаимнперпендикулярным направлениям «Х» и «У» и касательных напряжений следует проверять по формуле:
Расчетная площадь сечения шва при разрушении по металлу шва равна 
, при разрушении по металлу границы сплавления A wz = z k f l w
Расчетным является сечение по металлу границы сплавления. В этом случае расчетная длина шва 
.
Если 
, то расчетным сечением является сечение по металлу шва и напряжение
Если 
, то проверка прочности соединения выполняется по металлу границы сплавления, тогда: ,
где - усилие проходящее через центр тяжести соединения; - расчетная длина шва в сварном соединении, равная суммарной длине всех его участков за вычетом 1 см; и - коэффициенты, принимаемые по табл.4.3 и учитывающие проплавление металла при сварке.
14) Составные балки. Компоновка и подбор сечения.
Балки составного сечения применяют в случаях, когда прокатные балки не удовлетворяют условиям прочности, жесткости, общей устойчивости, т. е. при больших пролетах и больших изгибающих моментах, а также если они экономичнее. Основные типы сечений составных балок показаны на рис. 4, в, г.
Рис. 5. Сечения балок
а - прокатные, б - прессованные, в - сварные, г - клепаные и болтовые
Составные балки применяют, как правило, сварными. Сварные балки экономичнее клепаных. Их сечение обычно состоит из трех листов: вертикального - стенки и двух горизонтальных - полок, которые сваривают на заводе автоматической сваркой. Для балок под тяжелую подвижную нагрузку (большие подкрановые балки) иногда применяют клепаные балки, состоящие из вертикальной стенки, поясных уголков и одного - трех горизонтальных листов. Клепаные балки тяжелее сварных и более трудоемки в изготовлении, но их применение оправдывают благоприятная работа под большими динамическими и вибрационными нагрузками, а также относительная легкость образования мощных поясов.
Для экономии материала в составных балках изменяют сечения по длине в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. Упругопластическая работа материала в таких балках допускается с теми же ограничениями, что и для прокатных балок.
Задача компоновки сечений составных балок варианта, и от ее правильного решения во многом зависят экономичность и технологичность балок. Начинать компоновку сечения надо с определения высоты балки, от которой зависят все остальные параметры балок.
13) Работа и расчет болтовых соединений.
Работа на сдвиг является основным видом работы большинства соединений, причем в разных соединениях она имеет свои особенности.
В соединениях на болтах с неконтролируемой силой затяжки гайки грубой, нормальной и повышенной точности, силы стягивания пакета болтами, а следовательно, и развивающиеся силы трения между соединяемыми элементами при действии сдвигающих сил на соединение неопределенны и в большинстве случаев недостаточны для полного восприятия этих сдвигающих сил. Работу такого соединения можно разбить на четыре этапа. На 1-м этапе, пока силы трения между соединяемыми элементами не преодолены, сами болты не испытывают сдвигающих усилий и работают только на растяжение, все соединение работает упруго. Так работают сдвигоустойчивые соединения на высокопрочных болтах. При увеличении внешней сдвигающей силы силы внутреннего трения оказываются преодоленными и наступает 2-й этап - сдвиг всего соединения на величину зазора между поверхностью отверстия и стержнем болта. На 3-м этапе сдвигающее усилие в основном передается давлением поверхности отверстия на стержень болта; стержень болта и края отверстия постепенно обминаются; болт изгибается, растягивается, так как головка и гайка препятствуют свободному изгибу стержня. Постепенно плотность соединения расстраивается, силы трения уменьшаются и соединение переходит в 4-й этап работы, характеризующийся его упругопластической работой. Разрушение соединения происходит от среза болта, смятия и выкола одного из соединяемых элементов или отрыва головки болта.
Работа эта сильно осложнена неправильностью формы болта и стенки отверстия, поэтому расчет соединения носит условный характер.
Различают также работу одноболтового и многоболтового соединения. В многоболтовом соединении эти же неправильности формы болта и отверстия, а также возможные зазоры между болтом и отверстием неизбежно приводят к неравномерной работе отдельных болтов соединения, что учитывают соответствующим назначением коэффициента условий работы соединения.
Расчет ведут исходя из возможного вида разрушения соединения по срезу болта при толстых соединяемых листах или по смятию поверхности отверстия при тонких листах:
а) расчетное усилие, воспринимаемое одним болтом по срезу:
(6.1)
Число болтов n в соединении при действии сдвигающей силы N, приложенной к центру тяжести соединения, определяют, предполагая работу всех болтов одинаковой
Расчет самих соединяемых элементов на прочность ведут с учетом ослабления сечения отверстиями по площади нетто Лит, но с допущением упругопластической работы материала соединяемых элементов, учитываемой коэффициентом условий работы. Он принимается: для сплошных балок, колонн и стыковых накладок 1,1, для стержневых конструкций покрытий и перекрытий 1,05 и учитывается одновременно с коэффициентом условий работы всей конструкции;
в) в соединениях на высокопрочных болтах с контролируемой силой натяжения болта (сдвигоустойчивых, фрикционных) силы стягивания соединяемых элементов болтами настолько велики, что при действии сдвигающих сил возникающие в соединении силы трения полностью воспринимают эти сдвигающие силы и все соединение работает упруго.
Решающее значение в работе такого соединения имеют сила натяжения болта (равная расчетному усилию болта на растяжение) и качество поверхностей трения. Расчетное сдвигающее усилие, которое может быть воспринято в соединении элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, может быть определено по формуле:
Аналогично формуле (6.2) необходимое для передачи сдвигающей силы число болтов n в соединении находят, считая распределение силы между болтами равномерным:
Мы беседуем сегодня с заместителем директора одного из ведущих отечественных предприятий – производителей измерительных трансформаторов ООО «Электрощит-Ко» Виктором Владимировичем Легостовым .
– Виктор Владимирович, ООО «Электрощит-Ко» в этом году отмечает 10 лет с момента ввода в эксплуатацию первого трансформатора собственного производства. За счет каких аспектов вам удалось в столь относительно небольшой срок стать одним из лидеров отрасли?
– Если коротко – это правильно построенная система производства, важнейшим свойством которой является точное выполнение технических требований заказчика.
Используя европейскую технологию и оборудование, а также импортные материалы высокого качества, мы создаем изделия нестандартного исполнения, не имеющие аналогов в нашей стране.
– Почему зарубежные технологии, импортные материалы и оборудование? Не хотите поддерживать российского производителя?
– У нашего производства две ключевые специализации: производство трансформаторов по заданным заказчиком техническим характеристикам; производство трансформаторов для систем с повышенным требованием к безопасности.
К сожалению, на сегодняшний день оборудование и материалы, необходимые для производства такого уровня, не производятся в России. При этом мы постоянно ведем работу с отечественными поставщиками, пытаемся стимулировать улучшение качества их продукции. Убежден, что это и есть наилучшая поддержка производителя.
– Виктор Владимирович, расскажите, какие особенности отличают ваши трансформаторы от аналогов.
– Использование нашей технологии и импортных материалов позволяет нам маленький прибор насытить по максимуму, в отличие от аналогов других производителей, которые в такой же габарит, используя российские материалы, могут вложить гораздо меньше возможностей.
Сейчас многие производители научились делать трансформаторы с высокими классами точности, но создать прибор с набором требуемых заказчиком конкретных нестандартных параметров зачастую не удается. Некоторые из российских производителей сами заказывают у нас сложные трансформаторы.
Используемая нами программа расчета трансформатора позволяет в течение 10–15 минут произвести расчет любого трансформатора. Меняя и подставляя различные варианты параметров, мы получаем физическую модель трансформатора. Все реально рассчитанные варианты возможно изготовить. Большинство производителей изготавливают приборы конвейерно и, на выходе сделав измерения, фиксируют параметры, отправляют прибор на склад и потом, при появлении такого запроса, предлагают заказчику. Мы же изначально исходим из запроса и делаем такой прибор, который был заказан.
Более того, на сегодняшний день мы единственные в России комплектуем заказы магнитопроводами с идентичными параметрами намагничивания, что позволяет изготовить трансформаторы с идентичными электрическими характеристиками.
Кроме того, мы первыми в России стали проводить испытания изоляции по классу «А» с замером уровня частичных разрядов.
Применение наших трансформаторов на объектах атомной энергетики, таких, как Нововоронежские АЭС, Калининская АЭС, Белоярская АЭС, Кольская АЭС, подтверждает высокий уровень надежности и безопасности.
– Актуально ли сегодня производство трансформаторов по заданным эксплуатационным параметрам?
– Экономия всегда актуальна. Применение трансформаторов с параметрами, не отвечающими реальным требованиям систем учета и защиты, приводит к более значительным финансовым потерям из‑за увеличения токовой погрешности и выхода трансформаторов из заявленного класса точности.
Потребность в автоматизации и разделении цепей учета и измерения вызвала появление новых разработок, основными принципами которых являются малые габариты, увеличенное число обмоток, защита информации, технологичность, надежность, многовариантность характеристик.
В этом плане ООО «Электрощит-Ко» является законодателем мод в развитии трансформаторостроения России.
Нами впервые в России стали серийно производиться трансформаторы тока с классом точности 0,2S и 0,5S в сочетании с высокими нагрузками, с заданными конкретными значениями коэффициентов безопасности приборов и предельной кратности, с высоким током термической стойкости при малых номинальных токах, трансформаторы с разными коэффициентами трансформации измерительных и защитных цепей, переключением первичных токов для уменьшения или увеличения коэффициента трансформации.
– Посредством чего достигается высокий класс точности в ваших трансформаторах?
– Для трансформаторов с высоким классом точности мы используем сердечники из пермаллоя. Этот материал позволяет обеспечивать задаваемый класс точности, его физические свойства позволяют преобразовать сигнал с минимальными потерями. Мало кто использует пермаллой, он достаточно сложен в использовании и не производится в России. Проще использовать аморфные сплавы, но они не имеют механической прочности, сердечник из такого материала нужно помещать в специальный короб, что увеличивает габарит трансформатора.
– Трансформаторы с переключением. Расскажите, в каких случаях возникает в них необходимость.
– Это трансформаторы двойного использования. Первая сфера их применения – когда производство строится на старых мощностях. Например, ранее все уставки были сделаны на 600 А по первичному току, а в реальности в цепях уже 250‑300 А.
Трансформатор с переключением – это прибор, который может работать как 300 / 5 и как 600 / 5. Одним трансформатором можно обеспечивать измерение и защиту как на более низкий, так и на более высокий уровень с возможностью увеличения в будущем мощности сетей.
Вторая сфера применения – когда необходимо сохранить старую систему технического учета и релейной защиты, а коммерческий учет сделать по более низким мощностям. Для решения этой задачи возможно применение трансформатора с разным коэффициентом трансформации, т. е. для коммерческого учета обмотка будет 300 / 5, а защитная обмотка и технический учет будет 600 / 5. Все это возможно сделать в одном корпусе. При этом вторичная обмотка для коммерческого учета рассчитывается на длительное время работы при 600 А.
– Коэффициент трансформации выдерживается строго 1:2?
– Пропорции могут быть разными, например 500 А на 600 А, 600 А на 1000 А, на 1500А, 600 А на 800 А. Бывает и 1:3, но это сложно в исполнении. Всегда необходимо рассматривать конкретные задачи и просчитывать любой прибор индивидуально.
– Как правильно задать вторичные нагрузки?
– Это очень важный момент. Программа, которую мы применяем, позволяет сделать расчет нагрузок с погрешностью, максимально приближенной к нулевой отметке в коридоре токовых угловых погрешностей.
Для примера рассмотрим зависимость абсолютной погрешности трансформатора тока с коэффициентом трансформации 100 / 5 класса точности 0,5, с номинальной нагрузкой 10 ВА (рис. 1) Из этой зависимости видно, что уменьшение или увеличение прилагаемой нагрузки на трансформатор тока приводит к значительному увеличению абсолютной величины погрешности измерений. На графике видны возможные варианты выхода из класса вследствие недогрузки или перегрузки, если реально трансформатор был рассчитан на 10 ВА.
– Что такое коэффициент безопасности и обязательно ли его задавать?
– Это коэффициент, который показывает, во сколько раз увеличится вторичный ток на измерительной обмотке, если ток первичной цепи резко возрастет. Измерительная обмотка построена таким образом, что при возникновении короткого замыкания сердечник быстро насыщается и ток в ней перестает расти. Например, вторичный ток 5 А, а коэффициент 10, тогда максимально возможный ток, который возникнет во вторичной обмотке, будет равен 50 А.
График (см. рис. 2) показывает разницу коэффициента безопасности приборов при использовании разных марок электротехнической стали. Из графика видно, что даже у трансформатора ТЛО-10 при снижении нагрузки на измерительной обмотке коэффициент безопасности приборов резко возрастает и уже не может обеспечить защиту измерительных приборов в момент короткого замыкания в первичной цепи. При проектировании системы учета и защиты необходимо учитывать фактическую вторичную нагрузку во вторичной цепи измерительной обмотки и коэффициент безопасности приборов, который должен быть указан в сопроводительной документации на конкретный трансформатор. В цепях учета, уже находящихся в эксплуатации, эти параметры можно с достаточной точностью измерить и привести систему в соответствие.
Используя трансформаторы с правильно выбранным коэффициентом безопасности приборов в действующих сетях, нет необходимости применять дополнительные меры защиты для счетчиков старого образца.
– Какой диапазон коэффициента безопасности приборов и от чего он зависит? Если заказчик задает конкретный коэффициент, возможно ли его сделать?
– Диапазона коэффициента не существует, это всегда конечное число и зависит практически только от применяемых материалов, их качества и характеристик, технологии изготовления, и заказчик может выбрать коэффициент безопасности по своему усмотрению.
– Расскажите еще об одном важном параметре – коэффициенте номинальной предельной кратности обмоток защиты. Насколько важно его задавать при заказе трансформатора?
– Очень часто потребители или проектные организации запрашивают кривую предельной кратности. Один из основных параметров, который заносится в паспорт прибора, – напряжение намагничивания, точка, в которой кривой участок переходит в линейный. Во сколько бы ни вырастал ток в первичной обмотке, на вторичной обмотке ток расти перестает. Если мы рассматриваем коэффициент безопасности приборов и предельную кратность, физическая суть у этих параметров одинакова.
Коэффициент предельной кратности указывает, до какого значения будет расти ток при коротком замыкании в первичной обмотке, до какого предела мы должны питать релейную защиту, чтобы она сработала. Коэффициент предельной кратности равен 10, это говорит о том, что при коротком замыкании в первичной цепи ток во вторичной обмотке будет до 50 А, не более. Если, предположим, релейная защита рассчитана на срабатывание при токе 75 А, то коэффициента 10 будет недостаточно, т. е. короткое замыкание защита «не увидит», поэтому заказчик ставит предельную кратность, например 15, но это предельное значение, и надо брать 16, чтобы релейная защита среагировала и отключила все приборы до того момента, как сердечник начнет насыщаться.
Кривая предельной кратности необходима для расчета работы автоматики при использовании стандартного прибора. На нашем предприятии потребитель может заказать трансформатор с любой кратностью при необходимой нагрузке.
– Виктор Владимирович, на ООО «Электрощит-Ко» работают зарубежные специалисты. Какие функции они выполняют?
– Зарубежные специалисты работают на предприятии в сфере обеспечения качества продукции и разработки новых продуктов. Кроме того, они являются консультантами по улучшению техпроцесса, по эргономике производства, по планированию новых производственных мощностей. Без ложной скромности хочу отметить, что производственный процесс в ООО «Электрощит-Ко» не хуже и даже лучше некоторых зарубежных аналогичных производств. При разработке нашего производства нами были рассмотрены и учтены ошибки других производителей.
– В чем конкретно воплотился этот отрицательный опыт?
– Ни в одном производстве в мире нет трехступенчатого метрологического контроля по всей технологической цепочке.
Система маршрутных карт на каждый прибор, контроль предыдущих технологических операций последующими, мотивация персонала в сфере контроля и обеспечения качества позволяют полностью исключить изготовление бракованных приборов. Процент брака производства на сегодня не поднимается выше 0,1 процента.
– Виктор Владимирович, вы сегодня говорили о тонкостях правильного выбора параметров трансформаторов тока. При заинтересованности в разъяснении ваши специалисты могут на местах дать консультации по этим вопросам?
– Технический центр нашей компании проводит семинары для специалистов проектных и эксплуатационных организаций на следующие темы:
оптимальный выбор параметров измерительных трансформаторов, максимально адаптированный под конкретные системы учета;
совмещение релейных систем защиты и автоматики с техническим учетом;
расчет и изготовление релейных обмоток с необходимой предельной кратностью.
В ближайшее время всех приглашаем на выставку «Энергетика и электротехника» в Санкт-Петербурге 22‑25 мая (выставочный комплекс «Ленэкспо», павильон 7, стенд № F24) и на выставку «Электро-2012» в Москве 13‑16 июня.
– Благодарим вас за столь подробную и интересную информацию. Надеемся, что многие технические специалисты заинтересуются приведенными данными. Ждем от вас новых публикаций.
Существует два основных подхода к определению коэффициента безопасности: статистический и экономический.
Статистические методы, основанные на необходимом уровне сервиса:
· Вероятность дефицита запасов за один цикл оборота запасов (или за период между двумя перезаказами),
· Вероятность удовлетворения спроса,
· Уровень готовности – характеризуется периодом, во время которого запасы должны быть «положительными»,
· Оптимальная частота дефицита запасов за отчетный период.
Экономические методы, основанные на оптимизации затрат:
· Допустимый уровень убытков вследствие отсутствия запасов на складе,
· Оптимальное соотношение затрат на хранение и убытков вследствие отсутствия запасов на складе.
Рассмотрим подробнее метод постоянного заказа в упрощенном виде.
Необходимо определить значение резервного запаса, для которого будет оптимальным соотношение затрат на хранение и убытков вследствие дефицита запасов.
Рассмотрим решение данной задачи при использовании системы управления запасами на основании метода постоянного заказа. Размер резервного запаса будет определять величину точки перезаказа. Решение данной проблемы не будет сказываться на оптимальном размере заказа, а будет влиять только на изменение точки перезаказа. Следовательно, мы оптимизируем два вида затрат:
Затраты на хранение резервного запаса , которые являются частью суммарных затрат на хранение и которые будут равны:
ТС = C h 1 *R, (9.32)
где C h 1 – затраты на хранение 1 единицы запасов за отчетный период, R – величина резервного запаса.
Убытки вследствие дефицита запасов , которые равны:
U = C d 1 *S*r, (9.33)
где C d 1 – убытки вследствие дефицита 1 единицы запасов на складе, S – вероятное количество раз дефицита запасов за отчетный период, r – средний объем дефицита запасов в единицах.
В данной задаче мы рассматриваем убытки в следствие дефицита запасов, которые не зависят от длительности дефицита, а зависят от объема дефицита и количества дефицитов за отчетный период. Модель, в которой данные убытки зависят от продолжительности дефицита, требует более сложных расчетов.
Алгоритм решения основан на методике маржинального или предельного анализа. В данной методике мы добавляем (или отнимаем) от исследуемого параметра по единице и анализируем влияние этого изменения на оптимизируемую величину. Если это влияние положительно, то мы продолжаем изменять этот параметр в том же направлении, пока оно не уменьшится до нуля. Ели влияние отрицательно, то мы изменяем параметр в другом направлении и двигаемся опять до нулевого влияния. При нулевом влиянии значение параметра оптимально. Алгоритм расчета показан на рис. 9.14. Данная методика достаточно часто применяется при нахождении оптимальных решений в экономическом анализе.
Рис. 9.14. Алгоритм расчета коэффициента безопасности
Положительный вклад (выигрыш – экономия затрат на хранение) от каждой дополнительной единицы будет оставаться постоянным при уменьшении резервного запаса.
Отрицательный вклад (потери – убытки вследствие дефицита запасов) от каждой дополнительной единицы будет увеличиваться при уменьшении резервного запаса, так как будет расти вероятность дефицита запасов (S).
Выигрыш больше потерь, тогда при уменьшении резервного запаса на каждую единицу мы получаем дополнительную прибыль до тех пор, пока выигрыш будет больше потерь.
Потери больше выигрыша, тогда увеличение резервного запаса приводит к уменьшению убытков.
Оптимальный размер резервного запаса получается при условии:
S*C d 1 = C h 1 , (9.33)
При этом условии (9.33.) выигрыш равен потерям.
Полный алгоритм расчета оптимизации затрат можно интерпретировать рис 9.15.
Рис. 9.15. Пример расчета коэффициента безопасности методом оптимизации затрат
· Если нам известны затраты на хранение (С h1) и убытки вследствие дефицита запасов (C d 1), мы можем подсчитать оптимальную частоту возникновения дефицита запасов за отчетный период, при котором суммарные затраты будут минимальны по формуле (9.33).
S = C h 1 /C d 1 – формула для расчета оптимальной частоты дефицита запасов (9.34)
· Зная оптимальную частоту дефицита запасов за отчетный период (S) и частоту заказов (N), мы можем рассчитать вероятность дефицита запасов (Р) за один цикл оборота запасов (или между двумя перезаказами):
Р = S / N – формула для расчета вероятности дефицита запасов за один период оборота запасов (9.35.)
· Величина (Р) непосредственно связана с коэффициентом безопасности (k) на основании правила нормального распределения вероятности. Коэффициент безопасности определяется на основании специальных таблиц, которые можно найти в любой литературе по управлению запасами.
При расчете отдельных составляющих суммарной тепловой нагрузки необходимо достоверно знать все перечисленные выше условия работы холодильного оборудования и режимы хранения продукции. Однако часто при расчете некоторые из этих параметров остаются неизвестными. В этом случае необходимо задаться некоторыми средними для данного режима работы параметрами и ввести коэффициент для этой составляющей . Другими словами, этот является мерой нашего незнания каких-либо условий или режимов работы камеры.
Значение коэффициента безопасности, как правило, находится в пределах от 1,0 до 1,1.
Пример расчета
Вернувшись к примеру отметим, что при расчете суточного грузооборота продукта мы воспользовались его оценочной величиной в размере 10% от полной загрузки камеры. Поэтому для данной составляющей тепловой нагрузки мы введем коэффициент безопасности равный 1,1. В результате для величины тепловой нагрузки от продукта имеем:Q" прод = Q прод * К без = 4,936 * 1,1 = 5,43 кВт.
Кроме того, при расчете тепловой нагрузки вследствие открывания двери мы так же пользовались оценочной суточной величиной грузооборота, в связи с чем для этой составляющей нагрузки мы введем коэффициент безопасности равный 1,05:
Q" инф = Q инф * К без = 2120 * 1,05 = 2226 Вт.
