Расчет на прочность вращающихся дисков машин: Курс лекций

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ИНЖЕНЕРНОЙ  ЭКОЛОГИИ

Кафедра "Системы автоматизированного проектирования"

Л.Д. ЛУГАНЦЕВ

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ

ВРАЩАЮЩИХСЯ ДИСКОВ МАШИН

Москва  2005

ВВЕДЕНИЕ

Вращающиеся диски являются  ответственными  конструктивными  элементами многих машин (компрессоров, турбокомпрессоров, распылительных  сушилок, турбин и др.), используемых в химической промышленности и смежных  отраслях  народного хозяйства. Прочность дисков во многом определяет возможность получения высоких параметров работы машины, обеспечения необходимого срока службы.

Основными нагрузками, действующими на диски, являются центробежные силы, возникающие при вращении. Неравномерный нагрев дисков приводит к появлению температурных напряжений, которые могут оказаться существенными. Основная задача при расчете дисков машин на прочность заключается в определении напряжений и деформаций от  центробежных сил и неравномерного нагрева. При  значительном перепаде  температуры  необходимо учитывать изменение по радиусу диска механических и физических характеристик материала. Для стали, например, при повышении  температуры от 20 до 500°С модуль упругости  снижается на 40 %.

Равномерно нагретые по толщине, симметричные относительно плоской срединной поверхности диски работают в условиях плоского напряженного  состояния. Такие диски достаточно рассчитывать  на растяжение.  В дисках  сложной формы с  изогнутой срединной поверхностью при  неравномерном нагреве и осевых нагрузках возникают напряжения изгиба.  Кроме  того,  в дисках могут возникать напряжения кручения за счет передаваемого диском крутящего момента. Напряжения изгиба и кручения обычно имеют второстепенное  значение и могут быть  определены  независимо  от напряжений растяжения.

Диски постоянной толщины встречаются редко,  однако замкнутые решения, полученные для  них, необходимы для контроля расчетов и обоснования результатов, определяемых при  использовании  численных методов.

При проектировании дисков машин конструктор   использует   свой опыт,  создавая новую или модернизируя известную конструкцию,  а затем осуществляет проверочный расчет диска на прочность. Итерационный характер  процесса проектирования предопределяет многократное повторение  расчетов и  требует  значительных затрат времени при выборе наилучшего варианта конструкции. Оперативное решение трудоемких задач анализа  напряженно-деформированного состояния дисков машин, достоверная и надежная оценка их прочности с учетом конкретных условий работы, поиск оптимальных проектных решений возможны лишь с помощью современной вычислительной техники, которая в настоящее время располагает различными техническими средствами и почти неограниченными возможностями для выполнения работ, связанных с численными расчетами и логической обработкой информации, Вычислительная машина становится незаменимым инструментом для конструктора, открывает большие возможности при новых разработках. До применения ЭВМ искусство инженера заключалось в основном в максимальном упрощении задачи, выявлении и отбрасывании тех факторов, которые не оказывают существенного влияния на рассматриваемую конструкцию. Численные расчеты при создании новых образцов техники составляли небольшую часть общего объема работ и сводились к приближенным решениям. Задача решалась в основном   при помощи эксперимента, что требовало больших затрат труда, времени и материальных средств. В настоящее время искусство исследователя состоит в том, чтобы наиболее полно и точно охарактеризовать рассматриваемый объект с учетом всех факторов, отказаться при составлении расчетной модели от многих упрощений и допущений, которые ранее казались естественными и неизбежными, и дать строгое математическое описание изучаемого явления. Современная вычислительная техника позволяет учесть в расчетах реальные условия работы конструкции, неравномерный нагрев ее элементов, изменение толщины, зависимость упругих характеристик материала от температуры, неоднородность напряженного и деформированного состояний и многие другие факторы.

Традиционные методы расчета не всегда удовлетворяют повышенным требованиям к точности и достоверности результатов и в новых условиях становятся малоэффективными. Попытки реализовать в программах для ЭВМ отработанные ранее в инженерной практике расчетные методики, ориентированные на ручное решение, не вносят ничего принципиально нового в процесс проектирования и не могут дать качественных сдвигов в совершенствовании этого процесса.