Технологія виготовлення конструкції типу кожухотрубчастий теплообмінник

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНОТАЦІЯ

Завданням даної випускної кваліфікаційної роботи бакалавра є розробкою технологічного процесу виготовлення конструкції типу кожухотрубчастий теплообмінник, підбору основного та допоміжного обладнання для досягнення найбільшої ефективності виготовлення. Також завдання включає проектування та розробку спеціального механічного устаткування для маніпулятора УСМ - 2000.



ЗАВДАННЯ

В курсову проекті необхідно виконати вибір обладнання для зварювання кільцевих швів теплообмінника і його закріплення на обраному обладнанні, провести перевірочний розрахунок найбільш навантажених вузлів пристрою, а також скласти схему технологічних процесів для виготовлення виробу і визначити режими зварювання (рис.1).

Рисунок 1 - Конструкція, що розробляється



ВСТУП

Теплообмінні апарати призначені для проведення процесів теплообміну при необхідності нагрівання або охолоджування технологічного середовища з метою його обробки або утилізації теплоти.

Теплообмінна апаратура складає вельми значну частину технологічного устаткування в хімічній і суміжних галузях промисловості. Питома вага на підприємствах хімічної промисловості теплообмінного устаткування складає в середньому 15-18%, в нафтохімічній і нафтопереробній промисловостях 50 %.

Значний об'єм теплообмінного устаткування на хімічних підприємствах пояснюється тим, що майже всі основні процеси хімічної технології (випаровування, ректифікація, сушка і ін.) пов'язані з необхідністю підведення або відведення теплоти.

В загальному випуску теплообмінних апаратів для хімічної і суміжних галузей промисловості в Україні близько 80 % займають кожухотрубні теплообмінники. Ці теплообмінники достатньо прості у виготовленні і надійні в експлуатації і в той же час достатньо універсальні, тобто можуть бути використаний для здійснення теплообміну між газами, парами, рідинами в будь-якому поєднанні теплоносіїв і в широкому діапазоні їх тиску і температур.

Розвиток наукових основ і техніки теплообміну пов'язаний з іменами багатьох вітчизняних і зарубіжних учених і інженерів.

Сучасний стан теорії і практики хімічної технології і промислової теплотехніки характеризується, з одного боку, вдосконаленням техніки і технології (інтенсифікація процесів, розробка оригінальних конструктивних і схемних рішень, зростання одиничних потужностей устаткування), а з другого боку - все більш широким використовуванням нової методології рішення наукових і практичних завдань. Ці тенденції характерні і для сучасного стану техніки теплообміну [7].

Механізація та автоматизація зварного виробництва є важливим засобом підвищення продуктивності праці, якості зварних з'єднань та поліпшення умов праці.

Зварне виробництво - комплексне виробництво, яке включає в себе основні операції (збирання, зварювання, правку, термообробку ); допоміжні операції (транспортувальні, налагоджувальні, контроль і т. п.) та операції обслуговування (ремонтні, тощо).

При здійсненні зварювальних операцій, в тому числі при застосуванні механізованих методів зварювання, виконуються допоміжні прийоми по установці та кантовці виробу під зварювання, обробці кромок і швів, збору флюсу, установці автомата на початку шва, відводу автомата чи переміщенні виробу та інше. На виконання цих прийомів витрачається в середньому 35% трудоємності зварювальної операції. Звідси маємо, що комплексна механізація зварювального виробництва має важливе значення, т. я. механізація лише зварювального процесу не в змозі забезпечити високий рівень механізації зварювального цеху.

Застосування нових прогресивних технологій і автоматизація виробництва, нового високоефективного устаткування дозволяє різко підвищити продуктивність праці, поліпшити якість продукції.



1. ЗАГАЛЬНИЙ РОЗДІЛ

1.1 Описання зварної конструкції та технічних умов на її виготовлення

В курсовому проекті розглядається конструкція типу теплообмінник.

Загальна вага теплообмінника складає 6,180 т. Матеріал - Сталь 12Х18Н10Т. Кожухотрубчастий теплообмінник з плаваючим компенсатором відноситься до хімічної апаратури. Складається він з обічайок, пластин, днищ та комбінації труб. Теплообмінники напівжорсткої конструкції компенсують температурні деформації осьовим стисканням або розширенням спеціальних компенсаторів, встановлених па корпусі. Напівжорстка конструкція забезпечує компенсацію температурних деформацій, якщо вони не перевищують 10-15 мм, а умовний тиск в міжтрубному просторі становить не більше 2,5 кгс/см. Зварні шви повинні бути стійкими до атмосферної корозії, хімічної дії елементів та мати однакові механічні характеристики з основним металом.

Рисунок 1.1 - Теплообмінник: 1 - патрубок; 2 - опора;3 - змішувач; 4 - патрубок; 5 - днище; 6 - обичайка; 7 - перегородка; 8 - трубна дошка; 9 - фланець; 10 - труби; 11 - обичайка; 12 - фланець; 13 - обичайка; 14 - днище; 15 - ізоляційна прокладка; 16 - ізоляційна прокладка



Теплообмінник складається з багатьох позицій. Так три обичайки зварюються між собою кільцевими швами. До них приварюються два днища також кільцевими швами. Частіше за все в якості допоміжного механічного обладнання використовують роликовий стенд.

Найбільш трудомісткою операцією при виготовленні кожухотрубчатих теплообмінників є збирання трубочок. Збирання, як правило, роблять у спеціальних пристроях, які строго фіксують положення трубних решіток. Якщо трубчатка складається з великого числа труб, то під час складання пристосування встановлюють вертикально, при малому числі труб - горизонтально. Набір трубок ведуть від центру до периферії [7].

1.2 Вибір матеріалу зварної конструкції

При виборі і створенні теплообмінної апаратури необхідно враховувати такі важливі чинники, як теплове навантаження апарату, температурні умови процесу, физико-хімічні параметри робочих середовищ, умови теплообміну, характер гідравлічних опорів, його корозійну стійкість та термін експлуатації.

Хімічні продукти в тій чи іншій мірі завжди викликають корозію матеріалу апарату, тому для виготовлення їх застосовуються різні метали (залізо, чавун, алюміній) і їх сплави. Найбільше застосування знаходять сталі. Завдяки здатності змінювати свої властивості залежно від складу, можливості термічної і механічної обробки сталі з низьким змістом вуглецю добре штампуються, але погано обробляються різанням. Добавки інших металів - легуючих елементів - покращують якість сталей і додають їм особливі властивості (наприклад, хром покращує механічні властивості, зносостійкість і корозійну стійкість; нікель підвищує міцність, пластичність; кремній збільшує жаростійкість) [1].

В даному курсовому проекті обираємо нержавіючу сталь 12Х18Н10Т, так як саме ця сталь забезпечує всі вимоги, які наведені вище.

Вміст легуючих елементів сталі марки Х18Н10Т : вуглецю - менше 0,1%; хрому - 18; нікелю - 12; молібдену - 2%; титана - менше 1%.

З хімічного складу видно, що дана сталь має погану здатність до зварювання.

Механічні властивості:

границя текучості уТ=196 МПа;

тимчасовий опір уВ=510 МПа;

відносне подовження д5=40%;

відносне звуження Ш=55%;

Рекомендовані режими термічної обробки заготівок:

Одним із способів зміцнення сортового прокату є високотемпературна термічна обробка (ВТМО), з температурою 1020-1100?С, охолодження на повітрі, в маслі або у воді. Рекомендована температура застосування - 600?С [2].

1.3 Вивчення особливостей зварювання виробів даного типу

При виготовленні теплообмінників використовують нержавіючі сталі.

При підготовці до зварювання теплообмінників необхідно врахувати те, що вони виготовляються з високолегованих конструкційних сталей и тому необхідно врахувати спеціальні вимоги для цих сталей, які викладені нижче.

Основні особливості зварювання високолегованих корозійностійких сталей:

- Можливість появи при експлуатації зварних конструкцій МКК металу шва або основного металу в околошовній зоні, що зазнала в процесі зварювання нагріву до температури 450-650 ° С, а також «ножової» корозії у лінії сплавлення;

- Зниження в значній мірі пластичних властивостей зварних швів конструкцій, які тривалий час працюють при температурі понад 350 ° С. Охрупчування може спостерігатися в діапазоні температур 350-550 ° С через підвищений вміст фериту, в діапазоні 550-850 ° С - внаслідок сігматізаціі. Охрупчування зварних швів може відбутися в процесі виготовлення конструкції. Наприклад, на операціях гарячого штампування днищ у разі зварювання із застосуванням присадних матеріалів, що забезпечують надмірно великий вміст фериту [7].

Щоб уникнути окрихчування зварних з'єднань, які тривалий час працюють при температурах понад 350 ° С, необхідно обмежувати зміст феритної складової в межах 8-10%.

- Можливість посиленого викривлення зварних конструкцій, що є наслідком більш низької теплопровідності і великим, в середньому в 1,5 рази, коефіцієнтом [2] термічного розширення (в діапазоні температур від 0 до 850 ° С) в порівнянні з вуглецевими сталями;

- Необхідність збільшення довжини прихваток і зменшення відстані між ними в 1,5-2,0 рази в порівнянні з тими ж параметрами постановки прихваток в з'єднаннях вуглецевих і низьколегованих сталей внаслідок значних деформацій зварних з'єднань за більшого коефіцієнта лінійного розширення;

- Перевагу застосування сталей і зварних швів з аустенітної структурою для роботи конструкції при температурах нижче мінус 100 ° С, так як наявність фериту в структурі металу шва в умовах навантаження при низькій температурі веде до зниження пластичності і охрупчіванію металу.

Заходами підвищення стійкості зварних з'єднань проти міжкристалітної корозії нержавіючої сталі є:

застосування сталей і присадні матеріалів, що містять мінімально можливу кількість вуглецю;

легування стали титаном, ніобієм або іншими сильними карбідоутворюючі елементами;

загартування 1050-1100°С або стабілізуючий відпал від 870 до 900°С, витримка від 2 до 3 год, охолодження на повітрі.

Для зменшення перегріву нержавійки та забезпечення оптимальних механічних властивостей і корозійної стійкості зварювання з'єднань невеликої товщини (менше 8-10 мм) необхідно вести при максимально можливої швидкості.

При багатопрохідним зварюванні кожен прохід виконувати після охолодження попереднього до температури нижче 100°С і ретельної його зачистки.

Для підвищення корозійної стійкості зварних з'єднань необхідно дотримуватися таких вимог:

шви, звернені до корозійної середовищі, заварювати в останню чергу, для випадків двосторонньої зварювання

виконує третю облицювальний шов, звернений до середовища. При відсутності такої можливості (у разі односторонньої зварювання судин малого діаметра та ін) слід вживати всіх заходів для зменшення нагрівання металу першого шару шва наступними: охолодження або наповнення посудини водою, застосування мідних масивних підкладок, обдув повітрям, підвищення швидкості Зварювання, зниження сили струму, зменшення діаметра електрода, зварювання без поперечних коливань;

не допускати перегріву металу, для чого зварювання вести на максимально можливих швидкостях і мінімальних токах, обмежувати можливість більш ніж дворазових ремонтних підварок;

в окремих випадках необхідно полірувати всю робочу поверхню зварних з'єднань.

Одним з методів боротьби з гарячими тріщинами при зварюванні є застосування присадних матеріалів, що дозволяють отримати зварні шви, що володіють аустенитно-феритної структурою з вмістом феритної фази більше 2%.



Для запобігання гарячих тріщин, особливо в з'єднаннях товщиною 10 мм і більше, стабільно аустенітних сталей і сплавів рекомендується:

ручну дугову зварку виконувати при мінімальній довжині дуги, без поперечних коливань посиленими валиками;

автоматичне зварювання під флюсом виробляти на знижених швидкостях з мінімальним числом проходів;

кратери швів ретельно заплавлять до отримання опуклого меніска або вишліфовать, виводити кратери на основний метал забороняється;

у разі вимушеного обриву дуги до її повторного порушення обов'язково переконатися у відсутності гарячої кратера тріщини, при наявності тріщини кратер видалити механічним способом;

при проектуванні зварних конструкцій з стабільноаустенітних сталей у всіх можливих випадках замінювати кутові і таврові з'єднання стиковими;

застосовувати комбінований спосіб зварювання з'єднань великої товщини, при якому внутрішні і зовнішні не стикаються з агресивним середовищем шви виконуються електродами, що забезпечують меншу корозійну стійкість, але підвищену стійкість металу шва проти гарячих тріщин (в тому числі і за рахунок наявності феритної фази), при цьому товщина шару, зверненого до корозійного середовища, рівноцінна за корозійною стійкістю основного металу, повинна бути не менше 3 мм.

1.4 Заходи, спрямовані на зниження металоємності конструкції

Недоліком такого теплообмінника є підвищена металоємність. Цей недолік обумовлений великою товщиною торцевої стінки корпусу через ослаблення її осьовим отвором під колектор, а також використанням частини бічної стінки колектора для організації підведення і відведення теплоносія, яка має суттєвий вагу і розташована за межами корпусу теплообмінника.

Тому необхідно знижувати металоємність теплообмінника.

В теплообміннику, що містить корпус і розміщений в ньому колектор, в торцевій стінці першого з яких виконано осьовий отвір, а колектор встановлений співвісно щодо останнього і виконаний з днищем і патрубками для теплоносія, причому торцева стінка корпусу в зоні отвори і днище колектора виконані опуклими і з'єднані між собою, поставлена ??мета досягається тим, що днище колектора виконано сферичним з кривизною, більшої кривизни торцевої стінки корпусу в зоні отвору, і встановлено в останньому, а, щонайменше, один патрубок розміщений в днище колектора.

Виконання днища колектора сферичним з кривизною, більшої кривизни торцевої стінки корпусу в зоні осьового отвору, і розміщення патрубків для теплоносія в днище колектора дозволяє позбутися від частини останнього, розташованої за межами корпусу, і організувати підведення і (або) відведення теплоносія через днище колектора, що знижує металоємність цього колектора, а значить і теплообмінника.

Установка днища колектора в осьовому отворі торцевої стінки корпусу закриває цей отвір, робить цю стінку як би без отвору, що за умовою міцності знижує необхідну товщину, а значить і металоємність цієї стінки.

Таким чином, завдяки сукупності відмінних ознак у заявляється теплообмінника з'являється нова властивість, що веде до досягнення нового позитивного ефекту, що полягає в зниженні металоємності теплообмінника.

Також зниження металоємності даної конструкції, може проходити шляхом застосування нових конструкційних елементів. А саме, для виготовлення теплообмінника можливо застосовувати бі-металічні конструкційні елементи. Такі матеріали повинні складатись з декількох шарів, приклад : з двох, в якому перший шар не реагував (не кородував) з елементами охолодження, а другий - забезпечував механічні характеристики роботи приладу.

Використання таких конструкційних елементів знизить товщину стінок, тим самим знизить металоємність [5].



2. ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РОЗДІЛ

2.1 Вибір способу зварювання і зварювального устаткування

2.1.1 Здатність до зварювання металу зварної конструкції

Хімічний склад сталі 12Х18Н10Т наведено в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Хімічний склад сталі 12Х18Н10Т (в %)

С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	T	Сu
до 0.12	до 0.8	до 2	10	до 0.02	до 0.035	18	до 1	до 0.3

Щоб оцінити здатність до зварювання металу, необхідно розрахувати вуглецевий еквівалент, який має вигляд [4]:

;

.

Ця сталь має добру зварюваність (це видно з вуглецевого еквівалента). Основною характеристикою зварюваності сталі є схильність до утворення тріщин і механічні властивості металу шва [7]. Для 12Х18Н10Т теплофізичні властивості та схильність шва до утворення гарячих тріщин разом із міжкристалічною корозією є основною проблемою, тому визначають деякі особливості їх зварювання. Характерна для неї низька теплопровідність значно змінює розподіл температур в шві та околошовній зоні та високий коефіцієнт лінійного розширення обумовлюють при інших рівних умовах (спосіб зварювання, розкриття крайок та ін.) збільшення глибини проплавки основного металу і областей, нагрітих до різних температур та збільшення загальної пластичної деформації металу шву та околошовної зони, а з урахуванням підвищеного коефіцієнта теплового розширення збільшується і короблення конструкції. Тому для зменшення короблення виробів слід застосовувати способи і режими зварювання, які характеризуються максимальною концентрацією теплової енергії. При зварюванні нержавіючих марок сталей різними способами для запобігання міжкристалічної корозії не слід допускати підвищення в металі шва вмісту вуглецю за рахунок забруднення їм зварювальних матеріалів, тривалого та багаторазового перебування металу зварного з'єднання в інтервалі критичних температур. В зв'язку з цим зварювання необхідно виконувати при найменшій погонній енергії, використовуючи механізовані способи зварювання, забезпечувати безперервність отримання шву.

2.1.2 Вибір способу зварювання

Сталь 12Х18Н10Т має задовільну зварюваність і вибір способів зварювання дуже широкий. Однак, для забезпечення найкращого захисту металу шва від зовнішнього середовища і забезпечення глибокого проплавлення і дрібнозернистої структури можливо застосувати автоматичне зварювання в середовищі інертного газу, аргону [11].

Автоматичне зварювання дозволяє отримувати зварні з'єднання з високою якістю зварного шва, практично без непереборних дефектів, забезпечуючи повну механізацію зварювального процесу та підвищення продуктивності праці в 15-20 разів у порівнянні з ручними дуговими способами зварювання.

Будучи різновидом найбільш поширеного способу зварювання плавленням, автоматичне зварювання разом з тим має якісні відмінності від методів зварювання.

Ці відмінності обумовлені двома головними факторами:

захистом зони зварювання від навколишнього середовища

введенням в зону зварювання великої кількості енергії.

Велика концентрація енергії робить можливою зварювання деталей значної товщини (до 40 мм) . Автоматичне зварювання виконується, як правило, в середовищі інертних газів та СОта під шаром флюсу. Найчастіше використовують СО, але сталь 12Х18Н10Т необхідно зварювати в середовищі аргону. При зварюванні а аргоні виключається забруднення шва частинками флюсу і забезпечується максимальна пластичність і в'язкість зварних з'єднань. Ефективний ККД (з) змінюється в межах від 83 до 90% .[7]

2.1.3 Вибір зварювальних матеріалів

При виборі зварювальних матеріалів необхідно враховувати наступні фактори:

спосіб зварювання;

середовище, в якому проходить процес зварювання;

хімічний склад деталі, що зварюється;

розміри деталі, що зварюється;

середовище, в якому працює зварювальна деталь.

Основний матеріал вибрали с міркувань довгострокової роботи конструкції та агресивного середовища в якому вона експлуатується.

Для зварювання теплообмінника використаємо автоматичне зварювання в середовищі аргону. Використаємо зварювальний дріт Св-0.5Х20Н9ФБС. Використовуємо саме цей дріт, тому що хімічний склад подібний до складу основного металу, це для того, щоб забезпечити однакові фізичні властивості та хімічний склад шва і основного металу.

2.1.4 Обґрунтування режимів зварювання

Для забезпечення гарантованого провару та механічних характеристик шва розрахуємо параметри зварювання [4],[10]:



Рисунок 2.1 - Кромки для зварювання

Обравши діаметр дроту 5 мм з довідника, для металу товщиною 40мм.

Щільність струму для електроду діаметром 5 мм рівна , обираємо .

Знайдемо струм зварювання:

(2.1)

де - площа зварювального дроту.

,(2.2)

Розрахуємо швидкість зварювання:



(2.3)

де А - коефіцієнт, який залежить від діаметра електроду (, для 2 шва ).

Напруга на дузі буде рівна:

,(2.4)

де d - діаметр електроду, мм.

Коефіцієнт форми провара:

,(2.5)

де к - коефіцієнт, який залежить від роду струму та полярності.



(2.6)

;

Знайдемо площу провару:

(2.7)

де - коефіцієнт наплавки (рівний ) ;

- коефіцієнт, якій для сталі рівний 7.8 [4].

;

Знайдемо погонну енергію:

(2.8)



Знайдемо глибину проплавлення:

,(2.9)

(2.20)

(2.21)

Глибина проплавлення рівна:

(2.22)



Висота заповнення розробки за 1 прохід:

(2.23)

де е - зазор між кромками;

б - кут розробки.

Тоді кількість проходів буде рівна:

(2.24)

Знайдемо площу розробки.

Площа перерізу швів являє собою суму площ елементарних геометричних фігур, їх складових.

Витрати захисного газу обирають залежно від товщина зварювального металу або від катету шва. Для 40мм витрати аргону становіть 28 л / хв.,



Рис. 2.2

2.1.5 Вибір джерел живлення

При автоматичному і напівавтоматичному зварюванні в захисних газах джерела живлення повинні мати жорсткі і полого зростаючі характеристики, так як при зростаючій вольт-амперної характеристики дуги процес саморегулювання її буде відбуватися швидше і дуга буде стійкіше [11].

Вибір джерела живлення зварювальної дуги обумовлюється [12]:

видом зварювання;

характером виробництва;

властивостями зварюваних металів;

умовами роботи джерела;

застосовуваними електродами.

Зварювання на постійному струмі (прямої полярності) забезпечує одержання зварного з'єднання вищої якості в порівнянні зі зварюванням на змінному струмі. Через відсутність нульових значень струму підвищується стабільність горіння дуги, збільшується глибина проплавлення, знижується розбризкування, поліпшується захист дуги, підвищуються міцнісні характеристики металу зварного шва, знижується кількість дефектів шва, а знижений розбризкування покращує використання присадочного матеріалу і спрощує операції зачистки зварного з'єднання від шлаку і застиглих бризок металу. Все це привело до того, що для зварювання якісних швів відповідальних з'єднань більше застосовують зварювання на постійному струмі.

Зварювальними випрямлячами називаються джерела живлення, в яких постійний струм виходить шляхом випрямлення змінного струму промислової частоти з використанням напівпровідникових вентилів. Спільними елементами для зварювальних випрямлячів є силовий трансформатор, випрямний блок і блоки пускорегулювальної, вимірювальної та захисної апаратури.[2]

Найбільш раціональним в випрямлячах виявляється застосування трифазного струму.

Тому для зварювання теплообмінника джерелом буде випрямляч ВДГМ-1000, ВДУ-511.

ВДГМ-1000.

Багатопостові зварювальний випрямляч ВДГМ-1000-1-1 (ГОСТ 5.153-72) розрахований на одночасне живлення шести зварювальних постів з номінальним струмом по 300 А кожен. Зовнішня характеристика випрямляча ВДГМ-1000 жорстка. Випрямляч складається з таких основних вузлів: силового понижуючого трансформатора, випрямного блоку з вентилятором, пускорегулювальної і захисної апаратури.

Таблиця 2.1 - Технічна характеристика ВДГМ-1000 [12]

Параметри	Значення
Напруга мережі	380 В
Номінальний зварювальний струм (при ПР=100%)	1000 А
Номінальна зварювальна напруга	60 В
Напруга холостого ходу	70 В
Коефіцієнт потужності (косинус ц)	0,9
ККД	0,87 %
Вага	500 кг

ВДУ-511.

Універсальність джерела (наявність трьох режимів зварювання - МІГ / МАГ, ММА і ТІГ). Наявність спеціальної вольтамперной характеристики для зварювання неплавким електродом в режимі ТІГ. Плавне регулювання зварювального струму в режимі ММА і зварювальної напруги в режимі МИГ / МАГ. Цифрова індикація зварювального струму і напруги. Індикація зварювального струму і зварювальної напруги після закінчення зварювання. Клас ізоляції Н.

Таблиця 2.2 - Технічна характеристика ВДУ-511 [12]

Параметри	ММА	МИГ/МАГ	ТИГ
Напруга мережі, В	3х380	3х380	3х380
Номінальний зварювальний струм при ПВ-60%, А	500	500	500
Номінальний зварювальний струм при ПВ-100%, А	390	390	390
Межі регулювання зварювального струму, А	50-500	60-500	30-500
Номінальна робоча напруга, В	40	40	30
Напруга холостого ходу, В	70	70	70
Споживаюча потужність, кВА	40	40	40
Вага, кг	200	200	200

2.1.6 Вибір основного зварювального устаткування

Зварювальне устаткування умовно поділяється на два види: електротехнічне та механічне.

Електротехнічне обладнання (основне) - обладнання, яке використовується

для виконання зварювальної операції, наприклад, для накладення зварювальних швів. До цього типу відносяться зварювальні головки, зварювальні трактора, джерела живлення.

Механічне зварювальне обладнання (допоміжне) - для виконання допоміжних зварювальних операцій, які направлені на підвищення виробництва зварювальних конструкцій, зменшення трудомісткості

В якості основного електромеханічного обладнання вибираємо напівавтомат

А-547У, головку АБ для автоматичного зварювання в середовищі інертного газу, Аr, випрямляч ВДГМ-1000 та ВДГ-500.

Таблиця 2.3 - Характеристики автомату для електрошлакового зварювання А-535 [12]

Номінальний зварювальний струм, А	1000
Кількість електродів	3
Діаметр зварювального дроту, мм	3
Діапазон регулювання швидкості подачі дроту, м/год	60-450
Діапазон регулювання зварювальної швидкості, м/год	0-70
Товщина зварюваного металу, мм	50-450
Витрата охолоджуючої рідини, л/хв	10-30
Габарити зварювальної головки, мм	1600Ч690Ч1230
Габарити джерела живлення, мм	1442Ч1000Ч1763
Вага зварювальної головки, кг	375
Вага джерела живлення, кг	1220



2.2 Розробка технологічного процесу виготовлення зварної конструкції

2.2.1 Оцінка технологічності зварної конструкції

Технологічність - це співвідношення конструкції, що випускається, до економної технології її виготовлення. Технологічна конструкція - це конструкція, яку можна виготовити при заданій програмі випуску, заданих експлуатаційних характеристиках із мінімальними затратами праці, часу та матеріалу [5].

Аналіз технологічності проводимо за наступними критеріями:

Досконалість форми. Дана конструкція має досить просту форму, циліндра.

Простота компоновки. Теплообмінник складається з 3-х обичайок та 2-х днищ, тобто з деталей з простою геометричною формою.

Зручність в експлуатації. На теплообміннику встановлені патрубки для надходження в нього рідини для охолодження, присутні зливні штуцера, для очищення.

Мінімальна трудомісткість при виготовленні конструкції. Процес виготовлення майже автоматизований, а саме, зварювання проводиться автоматом (головка АБ) в аргоні (за винятком швів патрубків), конструкція переміщується, змінює своє положення в залежності від місця зварювання.

Використання в нових конструкціях деталей, які добре себе зарекомендували в попередніх виробах (принцип уніфікації та типізації). Теплообмінник виготовлений з простих деталей, типових, які в свою чергу виготовляються з листового прокату.

Розрізняють три варіанти складання та зварювання конструкцій:

послідовне складання та зварювання - використовується переважно в індивідуальному виробництві;

загальне складання та зварювання - частіше використовується в умовах серійного та крупносерійного виробництва;

повузлове складання та зварювання - використовується переважно в умовах крупносерійного виробництва для технологічних конструкцій.

Виходячи з приведених вище аргументів можемо зробити висновок, що конструкція є технологічною.

2.2.2 Заготівельні операції

Заготівельні операції - це операції підготовки металу до складання та зварювання.

Спочатку листовий прокат, який надійшов для виготовлення конструкції,

піддають правці та очистки.

Після очистки, лист металу розмічають під заготовки для газокисневого різання.

Далі виконується вирізання з листового прокату заготовок (інші способи майже не використовуються, бо вини не дають потрібної точності різу або це не доцільно з економічної точки зору.).

Після операції різання заготовки проходять мех. обробку та направляються на гнуття. Гнуття може проводитись двома способами:

штампуванням;

вальцюванням на 3-х або 4-х валкових вальцях.

Обираємо другий спосіб, так як він більш економічний. Не потрібні затрати на нагрів заготовок та їх повільне охолодження.

Остання операція - складання під зварювання [3].

2.2.3 Розробка технології складання та зварювання

Для теплообмінника найкращою та більш технологічною буде схема збирання по вузлова, адже вона забезпечить якісне, швидке збирання. Тому обираємо по вузловий метод збирання та зварювання.



Для виготовлення конструкції необхідні такі операції:

приварка патрубка 4 до днища 14 - вузел №1 (1-е робоче місце);

приварка фланця до обичайки - вузел №2 (2-е робоче місце);

зварювання вузла №1 та №2 - вузел №2а (3-е робоче місце);

приварка фланців 12 і 9 до обичайки 11 - вузел №3 (4-е робоче місце);

виготовлення опори (5-е робоче місце);

приварка опори 2 до вузла №3 - вузел №4 (6-е робоче місце);

приварка люків до вузла №4 - вузел №5 (7-е робоче місце);

приварка фланців 8 до обичайки 6 (8-е робоче місце);

приварка вузла 6 до днища 5 - вузел №7 (9-е робоче місце);

приварка патрубків до вузла 7 - вузел №8 (10-е робоче місце);

загальне збирання вузлів 8,9,5,2а.

Рисунок 2.3 - Теплообмінник: 1 - патрубок; 2 - опора;3 - змішувач; 4 - патрубок; 5 - днище; 6 - обичайка; 7 - перегородка; 8 - трубна дошка; 9 - фланець; 10 - труби; 11 - обичайка; 12 - фланець; 13 - обичайка; 14 - днище; 15 - ізоляційна прокладка; 16 - ізоляційна прокладка

2.2.4 Вибір заходів боротьби зі зварювальними напруженнями та деформаціями

Для зменшення зварювальних деформацій рекомендується:

- Проводити зварювання на режимах, які характеризуються великими швидкостями зварювання, короткою дугою і мінімально можливими струмами;

- При ручному зварюванні кореня шва, шви розбивати на дільниці і зварювати їх в послідовності, щоб жолоблення було мінімальним.

Щоб уникнути утворення тріщин зварювання, гнуття, правку і всі операції, пов'язані з додатком ударних навантажень, слід виконувати з підігрівом від 150°С -250°С.

Температура підігріву (охолодження) зварних конструкцій контролюється приварними термопарами (термощупами), термо-карандашами і термофарба. Заміри температури виробляються в межах зони рівномірного нагріву на відстані не менше 100 мм від зварюваних кромок.

Напівавтоматичне зварювання нержавіючої сталі рекомендується виконувати на синергетичних установках, що дозволяє встановлення спеціальних режимів зварювання (перенесення металу, імпульс, швидкість зварювання тощо), так само бажано застосування порошкових дротів замість суцільних [7].

2.2.5 Технічний контроль якості та виправлення браку

На зварювання листових оболонкових конструкцій хімічного приладобудування поширюється галузева норма ОН-26-01-71-68. Норма регламентує конструкційні елементи підготовки кромок різних типів зварювальних з'єднань з вуглецевої, низьколегованої, високолегованої, корозійностійкої та багатошарових сталей, алюмінію і його сплавів, міді, латуні, нікелю, та титану, задає рекомендовану технологію різних способів зварювання і відповідно присадковий матеріал, електроди, флюси, інертні гази і т.д. Параметри зварювання, рекомендовані нормою, геометричні і фізичні величини, які визначають якісне протікання процесу, підлягають як контролю перед зварюванням так і в процесі зварювання. Все 100% довжин стиків перевіряють безпосередньо перед зварюванням на відповідність якості підготовки кромок рекомендаціями нормам.

При цьому відхилень від норм не допускаються. Присадкові матеріали та електроди повинні відповідати вимогам, установленими нормами. Заміна їх не допускається.

Велике значення приділяють в процесі зварювання. При зварюванні приладів високого тиску, особливо особливо відповідальних трубних стиків рекомендується безперервне реєстрація на діаграмах параметрів режимів зварювання, а також поточний відбір проб для перевірки заданих режимів.

Для контролю якості зварних з'єднань апаратів ємнісного типу, працюючих під тиском, використовують різні методи, основними з яких являються 100% візуальний огляд швів, вибірковий контроль рентгенопросвічуванням та ультразвуком. Готові вироби проходять випробування внутрішнім тиском, перевищуючий в 1.2-1.5 разів робочого, а також перевірку герметичності. Ультразвуковий контроль може бути використаний не тільки для виявлення дефектів, а й для контролю, товщини антикорозійного шару, нанесеного зварюванням. При цьому використовують роздільно-зміщений шукач, який установлюється з сторони основного матеріалу. Він дозволяє отримати на екрані два сигнали, відбиті від зовнішньої поверхні та границі розділу. При товщині наплавленого шару більше 0,5 мм точність становить ±1% [1].



3. КОНСТРУКТОРСЬКИЙ РОЗДІЛ

3.1 Загальна характеристика механічного устаткування, необхідного для забезпеченості технологічного процесу

Механічне зварювальне обладнання (допоміжне) - для виконання допоміжних зварювальних операцій, які направлені на підвищення виробництва зварювальних конструкцій, зменшення трудомісткості. Наприклад, це обладнання для установки, закріплення, повороту, обертання зварної конструкції, для закріплення та переміщення зварювальних агрегатів. Таке обладнання, як правило, серійно не виготовляється, частіше проектується та виготовляється там, де виконується виробництво зварних конструкцій. Виходячи з довжини, розташування та доступності зварних швів, типу виробництва, найбільш високі техніко-економічні показники дозволяє отримати застосування автоматичного електродугового зварювання в середовищі вуглекислого газу.

До основного механічного обладнання відноситься роликовій стенд, поворотна колона ПК-1, маніпулятор УЗМ-2000.

Рисунок 3.1 - Універсальний зварювальний маніпулятор УЗМ-2000: 1 - основна станина, 2 - рухома станина, 3 - планшайба, 4 - механізм повороту планшайби, 5 - механізм нахилу планшайби, 6 - опорні лапи



В планшайбі є пази для кріплення виробу або складально-зварювального пристосування. Пристосування може також встановлюватися і замість планшайби.

Обране обладнання забезпечить швидке, якісне виготовлення теплообмінника та найменшою затратою енергоресурсів.

3.2 Проектування спеціального механічного устаткування

Необхідно спроектувати спеціальний пристрій, для зварювання обичайки з днищем, на базі стандартного пристрою, маніпулятора УЗМ-2000.

Рис. 3.2 - Розрахункові схеми



Знайдемо опорні реакції:

Складаємо статичне рівняння [9]:

(3.1)

де Q - сила, що прикладена до гайки, Н;

- сила притиску,(W), Н;

-кут тертя на нахиленій площині, град;

- кут тертя на горизонтальній площині, град.

б - кут скосу гайки (30°), град.

де коефіцієнт тертя ковзання;

Сила затиску буде розраховуватися так:



Момент буде рівний:

(3.2)

де L -довжина шпильки,мм.

Розрахуємо напруження які виникають у шпильці від дії сил затиску;

Рис. 3.3 - Розрахункова схема

(3.3)

де Q - сила, яка діє на шпильку, Н;

А - площа поперечного перерізу, .

М - момент, який виникає від дій сил, ;

- полярний момент опору, .

- допустиме напруження,МПа (160МПа).

(3.4)

(3.5)



Отже діаметр шпильки буде рівний

Приймаємо

Напруження менші за допустимі (160МПа).

Розрахуємо різьбу шпильки

Рис. 3.4 - Геометричні параметри різьби

теплообмінник металоємність зварний конструкція

Вибираємо різьбу з М85 наступними параметрами (рисунок 3.3):

крок різьби р = 1,5 мм;

номінальний діаметр d =85 мм;

внутрішній діаметр d1 = 83,376 мм;

середній діаметр d2 = 84,026 мм.

Знаходимо висоту гайки:

(3.6)

де n - кількість витків;

m - число заходів різьби.

Приймаємо

Визначаємо число витків у гайці:

, (3.7)

Розрахунковий тиск у контакті витків передачі з вибраними розмірами визначається за формулою:

(3.8)

де F - осьова сила, F = 292,445 Н;

H1 - робоча висота профілю різьби, мм.

Визначаємо H1:

H1 = 0,75· р; (3.9)

H1 = 0,75· 1,5 =1,125 мм.

Знаходимо розрахунковий тиск у контакті витків передач



Стійкість витків проти спрацювання забезпечується, оскільки:

Р1 = 0,984 МПа < [ Р ]= 160 МПа.

Проведемо розрахунок гайки на міцність за напруженнями зрізу у витках. Розрахунок проводимо за формулою:

(3.10)

де фзр - робочі напруження зрізу, МПа;

[ф] зр - допустимі напруження зрізу,

[ф] зр= 96 Мпа.

(3.11)

де k - коефіцієнт повноти різьби, k = 0,5;

d - номінальний діаметр різьби, мм.

Умова виконується

Розрахуємо закріплення на планшайбі.

Рис. 3.5 - Кріплення на планшайбі



Знайдемо силу затяжки болта:

(3.12)

де Q - сила затяжки болта, МПа;

- внутрішній діаметр різьби, мм.

Підберемо діаметри болтів з умові зрізаючої сили

Обираємо болт М14

Зовнішній діаметр болта рівний 14 мм.

(3.13)

де - допустиме напруження на зріз, МПа.

На зминання болт розраховується за наступною формулою:

(3.14)

де d - діаметр болта, мм.

h - висота ділянки зминання, мм.

напруження на зминання ( ), МПа.

звідки:

Вибираємо різьбу з наступними параметрами (рисунок 3.3):

крок різьби р = 2 мм;

номінальний діаметр d = 14 мм;

внутрішній діаметр d1 = 11,835 мм;

середній діаметр d2 = 12,701 мм.

Визначаємо число витків у гайці:

Різьба двузаходна

Визначаємо H1:

H1 = 1,082 мм.

Знаходимо розрахунковий тиск у контакті витків передач



Стійкість витків проти спрацювання забезпечується, оскільки:

Р1 = 43,745 МПа < [ Р ]= 160 МПа.

Проведемо розрахунок гайки на міцність за напруженнями зрізу у витках. Розрахунок проводимо за формулою:

(3.15)

де фзр - робочі напруження зрізу, МПа;

[ф] зр - допустимі напруження зрізу,

[ф] зр= 96 Мпа.

де k - коефіцієнт повноти різьби, k = 0,5;

d - номінальний діаметр різьби, мм.

Міцність витків на зріз забезпечується, оскільки:

фзр= 33,833 Мпа < [ф] зр= 96 Мпа



Розміри тримачів:

,(3.16)

Рис. 3.6 - Тримач

3.2.3 Розрахунок окремих елементів механізму

Запишемо умову міцності виходячи із навантаження. Рукоятку вважаємо консольною балкою (рисунок 3.5).

Рис. 3.7 - Розрахункова схема рукоятки: а - рукоятка з суцільного прутка; б - рукоятка з кругового профілю

Запишемо умову міцності [8]:

(3.17)



де М - момент, який виникає від дії сили тяги;

Wy - момент опору перерізу, мм3.

Знайдемо момент, який виникає від дії сили тяги:

(3.18)

деР - сила, що діє на рукоятку (сила тяги, яка рівна, для людини, 200-250 Н);

l - довжина рукоятки, 400 мм.

Для кругового перерізу момент опору шукаємо за наступною формулою:

(3.19)

де d - діаметр рукоятки.

Визначаємо діаметр рукоятки з умови міцності:

(3.20)

3.4 Розрахунок роликового стенду

Враховуючи, що конструкція циліндричної форми, то на передні та задні роликові опори припадає однакова частина ваги:

Рис. 3.8 - Розрахункова схема роликового стенду



Опорна реакція від статичного навантаження, що виникає в одній роликовій опорі визначають за формулою [1]:

(3.21)

де б - кут, вказаний на рисунку 3.3.

Обираємо стандартні роликові опори з допустимим навантаженням 160 кН, які мають діаметр 410 мм та дозволяють зварювати деталі діаметром від 500 мм.

Враховуючи те, що центр ваги конструкції співпадає з віссю обертання, то опорна реакція від динамічного навантаженя [1]:

(3.22)

де b - коефіцієнт, який визначають за наступною формулою [1]:

(3.23)

де Dp - діаметр ролика, мм;

f - коефіцієнт тертя в підшипниках роликових опор (для підшипників ковзання 0,1);

м - коефіцієнт тертя кочення, для прорезинених роликів м = 0,25-0,35 см;

dP - діаметр осі ролика в підшипниках, мм (dP = 85 мм);

Визначимо опір обертання роликової опори [1] :

(3.24)

Визначимо навантаження, що діє на одну роликову опору [1]:

(3.25)

Обрані роликові опори витримують динамічне навантаження.

Розрахунок осі холостої роликової опори



Діаметр осі роликової опори визначають за формулою [1]:

(3.26)

де L - відстань між підшипниками осі, см (L = 1068 мм);

[у] - допустиме напруження на згин, кгс/см2 ([у] = 60 МПа);

Розмір валу, якщо кріплення шпоночне, обирають на 10% більше. Потім обирають найближче стандартне значення з госту. d=85 мм.

Розрахунок приводного вала

Приводний вал розраховують на дію одночасно згинаючого та крутного моментів.

Крутний момент визначають за формулою [1]:

(3.27)

де dв - діаметр приводного валу в підшипниках, см (приймемо рівним 60 мм);

f - коефіцієнт кочення в підшипниках (f = 0,02);

м - коефіцієнт тертя кочення, мм;



Для визначення згинаючого моменту, що діє вал, скористаємося схемою, показаною на рисунку 3.4, для якої побудуємо епюру згинаючих моментів. Для побудови епюри скористаємося математичним пакетом MathCad ( Додаток А).

Рис. 3.9 - Розрахункова схема вала приводного ролика

Як видно з рисунка 3.10 максимальний згинаючий момент MЗГ = 1,83·105 Н·мм.

Визначимо еквівалентний момент, що діє на вал [1]:

(3.28)

Рис. 3.10 - Епюра згинаючих моментів



Розрахунковий діаметр приводного вала [1]:

(3.29)

Визначення потужності приводного двигуна

Потужність приводного двигуна можна визначити за формулою [6]:

(3.30)

де з - загальний ККД приводного механізму (для роликових стендів ККД рівний 40-50%);

n - частота обертання вала, об/хв.(n=0,11 об/хв.);

Обираємо асинхронний двигун марки АИР56А2 з потужністю 0,18 кВт та частотою обертання 3000 об/хв.

Вибір муфти

Муфту обирають за діаметром вала та значенням крутного моменту, що діє муфту, зі стандарту.

Крутний момент, що діє на муфту визначають за формулою (3.26):

ММ = k ·MКР , (3.31)



де k - коефіцієнт, що враховує умови роботи ( k = 1,2)

ММ = 1,2 ·6,342·104 = 7,614·104 Н·мм.

По ГОСТ 20761-80 обираємо муфту фланцеву з допустимим крутним моментом 1000 Н·м, внутрішнім діаметром 70 мм, зовнішнім діаметром 180 мм, довжина пів муфти 140 мм.

Вибір підшипників

Підшипники підбирають виходячи з приведеного навантаження та діаметру вала. Приведене навантаження визначають за формулою [9]:

(3.32)

де Fr - радіальне навантаження, Н (радіальне навантаження рівне реакції роликової опори Q);

Ft - осьове навантаження, Н (колове навантаження рівне реакції роликової опори Т);

К - коефіцієнт динамічності (при незначних динамічних навантаженнях К = 1,1-1,5);

X та Y - коефіцієнти обираються з довідника.

Для визначення коефіцієнтів необхідно попередньо обрати підшипник. Обираємо підшипник легкої серії 215, для якого значення С0 = 4183 кгс. Далі визначаємо відношення осьвої сили (враховуючи те, що на осі роликової опори 2 підшипника, то осьова сили буде рівна половині реакції Т) до С0:

З таблиці [9] обираємо значення Х та Y: Х =1; Y =0.



Визначимо приведене навантаження на один підшипник:

Для підшипників номер 216 допустиме навантаження 66300 Н. Отже остаточно обираємо підшипники легкої серії номер 215.

Перевірка шпонкового з'єднання

Шпонкові з'єднання перевіряють на зминання від зусилля, що викликає крутний момент. Умова міцності на зминання має вигляд [10]:

(3.33)

де РЗМ - зусилля зминання, Н;

FШП - площа шпонки, мм2;

[узм] - допустиме напруження на зминання, МПа.

Обираємо призматичну шпонку за ГОСТ 8788-68, яку виготовлено з нормалізованої сталі 45 ( [узм] = 100 МПа), розміри якої: h=11 мм, мм, l = 50 мм.

Fшп = (h - t1)·l = (11 - 3)·50 = 150 мм2.

Зусилля від крутного момента визначають за формулою [10]:



Умова міцності виконується.

ВИСНОВКИ

При виконанні даного курсового проекту були вирішені наступні задачі:

1. Розроблено технологію виготовлення зварного мельничного барабану.

2. Розраховано режими зварювання необхідні для виготовлення даної конструкції.

3. Підібрано основне та допоміжне зварювальне обладнання.

В конструкторському розділі проведено проектування та розрахунок спеціального механічного устаткування - технологічної скоби, яка призначена для складання під зварювання кільцевих стиків обичайок.



ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Анурьев В.И. и др. Справочник конструктора - машиностоителя: В 3 - х т. Т.3 - 5-е изд., перераб. и доп. - М: «Машиностроение», 1980. - 557 с.

2. Бельчук Г.А., Титов Н.Я. Механизированная сварка по узкому зазору толстолистовой стали плавлящимся электродом в смеси защитных газов. ЛДНТП, 1972. - 28 с.

3. Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни «Виробництво зварних конструкцій» для студентів спеціальності «Технологія та устаткування зварювання» ./ Укл. Бадаєв А.С. - Чернігів: ЧДТУ, 2000. - 25 с.

4. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Деменцевич В.П. Учебник для студентов вузов

М., “Машиностроение”, 1977. - 432 с.

5. Гитлевич А.Д., Этингоф Л.А. Механизация и автоматизация сварочного производства. Учеб. пособие для ВТУЗов. - М.: «Машиностроение», 1979. - 280 с.

6. Куркин С.А. и др. Технология, механизация и автоматизация производства сварных конструкций: Атлас: Учеб. Пособие для студентов машиностроительных специальностей вузов / С.А. Куркин, В.М. Ховов, А.М. Рыбачук. - М.: «Машиностроение», 1983. - 328 с.

7. Савченко О.В. Практикум з опору матеріалів: Навчальний посібник. - Чернігів: ЧДТУ, 2007. - 320 с.

8. Севбо П.И. Конструирование и расчёт механического сварочного оборудования. - К.: Наукова думка, 1978. - 400 с.

9. Сироткин Ф.П. Расчет параметров режимов сварки: Методические указания по проведению практических занятий по дисциплине «Технология электрической сварки плавлением» - Н. Новгород: ВГИПУ, 2007. - 55 с.

Размещено на Allbest.ru