6 Makushkin D O - Raschet i konstruirovanie mashin i oborudovania neftyanykh i gazovykh promyslov
advertisement
Ýëåêòðîííûé ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèé êîìïëåêñ Ðàñ÷åò è êîíñòðóèðîâàíèå ìàøèí è îáîðóäîâàíèÿ íåôòÿíûõ è ãàçîâûõ ïðîìûñëîâ Ó÷åáíàÿ ïðîãðàììà äèñöèïëèíû Ó÷åáíîå ïîñîáèå Ïîñîáèå ê ïðàêòè÷åñêèì çàíÿòèÿì Ìåòîäè÷åñêèå óêàçàíèÿ ïî ñàìîñòîÿòåëüíîé ðàáîòå Áàíê òåñòîâûõ çàäàíèé â ñèñòåìå UniTest Êðàñíîÿðñê ÈÏÊ ÑÔÓ 2009 УДК 34.42(075) ББК 629.01я73 М17 Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов» подготовлен в рамках реализации Программы развития федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ) на 2007–2010 гг. Рецензенты: Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин М17 Макушкин, Д. О. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / Д. О. Макушкин, Т. С. Спирин. – Электрон. дан. (6 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – (Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов : УМКД № 1627–2008 / рук. творч. коллектива Д. О. Макушкин). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf). ISBN 978-5-7638-1707-2 (комплекса) ISBN 978-5-7638-1754-6 (учебного пособия) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320902526 (комплекса) Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов», включающего учебную программу дисциплины, наглядное пособие «Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Презентационные материалы», пособие к практическим занятиям, методические указания по самостоятельной работе, контрольно-измерительные материалы «Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Банк тестовых заданий». Приведены сведения по методологии конструирования, основные понятия и определения, методы расчета и оценки критериев качества применительно к буровой и нефтегазопромысловой технике. Предназначено для студентов направления подготовки специалистов 130602.65 «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» укрупненной группы 130000 «Геология, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых». © Сибирский федеральный университет, 2009 Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ Редактор Т. И. Тайгина Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения Информационно-телекоммуникационного комплекса СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм. Подп. к использованию 30.11.2009 Объем 6 Мб Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 Оглавление ВВЕДЕНИЕ .................................................................. 7 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ .................. 9 1.1. Характеристика деятельности проектировщика.............................. 9 1.2. Процедурная модель творческого процесса проектирования .. 13 1.3. Виды и характеристика изделий и конструкторских документов .................................................................................................. 14 1.4. Стадии и этапы разработки изделий ............................................... 15 1.5. Графическая документация............................................................... 17 1.6. Этапы создания новых машин ......................................................... 17 1.7. Методы создания новых идей .......................................................... 18 Контрольные вопросы .............................................................................. 23 2. КАЧЕСТВО ОБОРУДОВАНИЯ ............................. 24 2.1. Основные понятия. Классификация показателей ......................... 24 2.2. Обеспечение качества и конкурентоспособности изделий ......... 26 2.3. Оценка уровня качества изделий ..................................................... 28 Контрольные вопросы .............................................................................. 29 3. ПОКАЗАТЕЛИ НАЗНАЧЕНИЯ ............................. 30 3.1. Показатели назначения и их место в оценке качества изделия . 30 3.2. Взаимосвязь между эффективностью и производительностью машины, агрегата и их показателями назначения................................ 31 3.3. Критерии оптимизации параметров машин, их выбор и обоснование ............................................................................................. 33 Контрольные вопросы .............................................................................. 35 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ ...................... 36 4.1. Общие понятия ..................................................................................... 36 4.2. Показатели надежности ...................................................................... 38 4.3. Основы расчета показателей надежности...................................... 39 4.3.1. Основные зависимости .................................................................................. 39 4.3.2. Законы распределения показателей надежности ..................................... 42 4.4. Прогнозирование надежности нефтепромыслового оборудования при проектировании........................................................ 49 4.5. Нормирование показателей надежности ....................................... 52 4.6. Методы расчета показателей надежности ...................................... 54 4.7. Надежность нефтепромысловой техники по основным критериям .................................................................................................... 59 Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 3 ОГЛАВЛЕНИЕ 4.8. Нестационарный режим нагружения элементов оборудования и методы расчета их надежности по критериям прочности и выносливости .......................................................................................... 61 4.8.1. Особенности расчета надежности валов .................................................... 63 4.8.2. Особенности расчета надежности подшипников качения ....................... 64 4.8.3. Алгоритм расчета надежности зубчатых передач..................................... 66 4.8.4. Расчет надежности приводных цепей ......................................................... 69 4.9. Методы повышения надежности при проектировании ................ 70 4.10. Новые методы экспериментально-расчетной оценки показателей надежности нефтепромыслового оборудования на основе непараметрической статистики ............................................ 71 Контрольные вопросы .............................................................................. 76 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ .................................................................. 78 5.1. Основные понятия и термины .......................................................... 78 5.2. Факторы, влияющие на ТКИ .............................................................. 78 5.3. Общая классификация ТКИ................................................................ 79 5.4. Состав и содержание работ по обеспечению ТКИ на стадиях проектирования .......................................................................................... 81 5.5. Технические требования к ТКИ ......................................................... 82 5.5.1. Общие требования к деталям ........................................................................ 82 5.6. Классификация и номенклатура показателей ТКИ. Методы определения................................................................................. 84 5.7. Основные показатели ТКИ, их количественная и качественная оценка ........................................................................................................... 88 Контрольные вопросы .............................................................................. 94 6. ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ ................................................. 95 6.1. Метод изменения принципиальных и кинематических схем ...... 95 6.2. Метод рациональных сечений .......................................................... 96 6.3. Снижение массы и металлоемкости машин путем рационального выбора материалов ................................................................................... 98 6.4. Жесткость конструкций ...................................................................... 98 6.5. Обобщенный показатель выгодности применения материалов ................................................................................................ 101 Контрольные вопросы ............................................................................ 104 Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 4 ОГЛАВЛЕНИЕ 7. УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ ............................. 105 7.1. Основные понятия и определения ................................................ 105 7.2. Методы создания производных машин на базе их унификации и стандартизации ......................................................... 107 Контрольные вопросы ............................................................................ 111 8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ................................................ 112 Контрольные вопросы ............................................................................ 116 9. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАЗЛИЧНЫХ КРИТЕРИЕВ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ.......... 117 9.1. Влияние условий эксплуатации и режимов нагружения бурового и нефтепромыслового оборудования ................................ 117 9.2. Влияние износа .................................................................................. 117 9.3. Влияние температур на работоспособность оборудования ..... 119 9.4. Влияние вибрации............................................................................. 120 9.5. Особенности режимов нагружения сопрягаемых деталей ........ 124 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНОПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ .................................................................... 126 10.1. Состав, структура и свойства предметно-пространственной производственной среды. Основные компоненты и определяющие факторы ..................................................................................................... 126 10.2. Основы эргономики ........................................................................ 127 10.3. Основы эстетики предметно-пространственной среды .......... 133 10.4. Последовательность художественного конструирования ...... 139 Контрольные вопросы ............................................................................ 141 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .................................................... 143 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ..................................................... 146 Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 5 ОГЛАВЛЕНИЕ ПРИЛОЖЕНИЕ 3 .................................................... 150 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ..................................................... 152 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................ 155 Основная литература............................................................................... 155 Дополнительная литература .................................................................. 156 Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 6 ВВЕДЕНИЕ В развитии технологии добычи нефти и газа решающую роль играет повышение технического уровня оборудования, применяемого на промыслах и буровых предприятиях. Высокие технико-экономические показатели и конкурентоспособность нефтепромысловой техники в последние годы достигаются усилиями научно-исследовательских, проектно-конструкторских, машиностроительных и эксплуатирующих организаций по следующим основным направлениям: внедрение прогрессивных видов привода рабочего оборудования с бесступенчатым регулированием параметров, позволяющим упростить кинематические и конструктивные схемы машин и системы их управления; применение рациональных режимов работы исполнительных механизмов с достижением оптимальной длительности и интенсивности основных технологических процессов; повышение показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности оборудования; улучшение монтажеспособности и транспортабельности техники за счет блочно-модульного исполнения ее составных частей; повышение технологичности изготовления, эксплуатации и ремонта техники на основе широкого использования стандартизованных и унифицированных элементов; применение новых износостойких и прочных материалов в конструкциях; обеспечение комфортных и безопасных условий работы персонала, эксплуатирующего и ремонтирующего оборудование; реализация требований по исключению вредного воздействия на окружающую среду и людей. При проектировании нефтегазового оборудования в максимальной степени должны учитываться такие тенденции, определившиеся в настоящее время в процессах добычи нефти и газа, как: эксплуатация горизонтов месторождений с трудноизвлекаемыми запасами; освоение новых месторождений в районах холодного климата и на морском шельфе; расширение объемов наклонно направленного и горизонтального бурения скважин. Перечисленные направления работ и тенденции развития технологических процессов ставят перед конструкторами и исследователями серьезные Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 7 ВВЕДЕНИЕ задачи по адаптации модернизируемого и вновь создаваемого оборудования к геолого-техническим условиям повышенной сложности. Учебной программой дисциплины предусматривается последовательное изучение методологии, структуры и этапов процесса создания нового оборудования для бурения глубоких скважин на нефть и газ и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, методов оценки его работоспособности и качества на всех стадиях проектирования и методов расчета этого оборудования. В пособии использованы научные труды и учебные пособия Ю. Д. Амирова, П. И. Орлова, С. Г. Бабаева, Д. Н. Решетова, К. В.Фролова, В. Н. Сызранцева и других ученых. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 8 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.1. Характеристика деятельности проектировщика Любой объект техники создается искусственно из материалов природы на основе действующих в ней процессов и закономерностей с целью реализации определенных функций труда и жизнедеятельности человека. При этом обязательно учитываются научно-технические достижения. Формирование и развитие объекта техники может быть представлено схемой (рис. 1.1) [1]. Бкр Т Бтп ПТ ПУ ФУ АУ Ч РПС ПС С Рис. 1.1. Схема механизма развития объекта техники: Ч – человек, Т – техника, С – среда; ФУ, АУ, ПУ – фильтрующее, анализирующее и проектирующее устройства; РПС – регулятор параметров среды; Бтп и Бкр – банки накопленных решений по технологическим и конструкторских процессам; ПТ и ПС – параметры техники и среды соответственно; 1 – линия воздействия среды на объект техники при незначительном рассогласовании ПТ и ПС; 2 – сигналы среды через ФУ в ПУ с помощью АУ при значительном рассогласовании ПТ и ПС; 3 – линия постоянного воздействия Ч на объект Т посредством создания или модернизации; 4 – линия воздействия Ч на Т путем эксплуатации Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 9 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.1. Характеристика деятельности проектировщика Человек (Ч) использует сигналы среды 2 и накопленные к началу разработки готовые технические решения Бкр, вырабатывает концепцию проектирования и реализует его с помощью проектирующего устройства ПУ, а в некоторых случаях через регулятор параметров системы РПС воздействует на параметры среды (С), меняя их в требуемом направлении (например, упорядочивает режим эксплуатации). Составная часть проектирования – конструирование – творческий процесс создания изделий в документах (главным образом, в чертежах) на основе конструкторского, технологического, эксплуатационного расчетов. Главной задачей проектировщика (исследователя, конструктора) является создание машин, наиболее полно отвечающих потребностям заказчиков и обладающих высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями. Согласно теории технических систем [1] машины и оборудование развиваются по определенным законам: 1) увеличивающегося многообразия развивающейся технической системы; 2) ограничения многообразия исполнений технической системы. Первый закон гласит: «Многообразие технической системы при отсутствии ограничений ее развитию увеличивается пропорционально параметрам интенсивности обновления Рн, интеграции Ри и дифференциации Рд исполнений системы». Если на исходном этапе число исполнений N0 1 , то общее число исполнений на последующих этапах N N 0 Pн Pи Pд N 0 K ум , (1.1) где Kум – коэффициент роста исполнений. Интенсивность обновления Рн выражает объем (число) сменяемых компонентов исполнения. Дифференциация Рд характерна для случаев формирования новых параметрических рядов изделий, создания модификаций на основе единой базовой модели. Интеграция Ри исполнений объекта техники в промышленность осуществляется путем унификации составных частей, конструктивных элементов и материалов, типизации компоновок, упорядочения существующего разнообразия отдельных видов техники на основе объединения их свойств в ограниченное число исполнений. Второй закон: «Многообразие исполнений технической системы на любом этапе ее развития ограничено». На рис. 1.1 регулятором многообразия исполнений является ФУ, с его помощью производится отбор некоторого ограниченного количества необходимых исполнений из максимально возможных. В процессе развития технической системы возникает множество технических противоречий, для разрешения которых необходимо наложение ограничений экономического, социального и экологического характера. С учетом этих ограничений на исходном этапе конструирования исключаются некото Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 10 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.1. Характеристика деятельности проектировщика рые исполнения, а оставшиеся принимаются для последующего функционально-экономического анализа и отбора вариантов, наиболее полно соответствующих требованиям сфер производства. Оба закона базируются на следующих основных принципах: а) единства изменяемости и повторяемости (соподчинены принципы целесообразной преемственности, обязательного учета достижений науки и техники, адаптивности, совместимости и взаимозаменяемости исполнений техники); б) полноты компонентов исполнений системы (их состав должен обеспечивать весь комплекс основных функций и функций жизнеобеспечения на всех этапах жизненного цикла); в) согласованности компонентов исполнения системы (в первую очередь энергетической, информационной и функциональной совместимости); г) неравномерности развития компонентов исполнения технической системы (в недрах «старой» системы зарождается и развивается новая, и чем сложнее исполнение, тем неравномернее развиваются ее компоненты); д) предпочтительности исполнений, т. е. учета доминирования отдельных вариантов по признакам технико-экономического и социального характера; е) аналогий в развитии систем (например, редукторы, передачи, крепежные и др. соединения, разрабатываемые в различных областях, аналогичны по форме и содержанию и соответственно обладают общностью развития). Законы и принципы развития техники обусловливают взаимосвязь технического творчества, стандартизации и экономики конструирования (рис. 1.2). Принципы и закономерности развития технических систем заложены в виде операторов или ограничений в структуру алгоритмов алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ), алгоритм решения оптимальных задач (АРОЗ) и алгоритм решения стандартизаторских задач (АРСЗ). В блоке АРИЗ формируется новаторская часть проекта, блок АРСЗ обеспечивает удержание в новых проектах разработанных ранее решений, многократно проверенных и составляющих часть научно-технического потенциала, накопленного в данной области. В процессах конструирования широко используются типовые, унифицированные и стандартизованные конструктивные элементы (крепежные детали, допуски и посадки, стандартные соединения и т. д.). Блок АРОЗ обеспечивает процессы выбора наилучших новых и использования старых решений. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 11 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.1. Характеристика деятельности проектировщика АРИЗ АРОЗ АРСЭ Рис. 1.2. Схема взаимосвязи научно-технического творчества, экономики проектирования и стандартизации Полноценный проектировщик-машиностроитель должен органично сочетать в себе качества изобретателя и стандартизатора и в полной мере владеть основами экономики проектирования. Сочетание этих качеств позволяет разработчикам новой техники устранять противоречия между техническим творчеством – стремлением к «сплошной новизне» и стандартизацией – стремлением к «сплошному единообразию». Для этого конструкторы должны хорошо знать: основные особенности технологии производства отрасли (например, добычи нефти и газа), от предприятий которой поступают заявки и технические задания на проектирование новых изделий; технический уровень всего комплекса машин, в составе которого должно работать новое изделие; технологию завода, принимающего к изготовлению новое изделие; историю развития конструкции проектируемого оборудования, достоинства и недостатки заменяемого изделия, возможности использования заложенных в нем лучших решений по отдельным агрегатам, узлам и деталям; перспективные разработки других организаций в избранном направлении. Проектировщик (конструктор) должен изучать системно и углубленно отечественную и зарубежную информацию, патенты и нормативные документы. От его правильных оценок и выбора исходных данных для проектирования зависят качество и конкурентоспособность оборудования, а также сроки разработки. Поэтому весьма важен критический подход конструктора Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 12 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.1. Характеристика деятельности проектировщика к положениям технического задания на проектирование изделия, заложенным в нем условиям работы, требованиям и функциональным параметрам. 1.2. Процедурная модель творческого процесса проектирования Процесс проектирования укладывается в следующую схему, представленную в табл. 1.1 [1]. Таблица 1.1 Схема процесса проектирования Подготовка Стадия процесса Замысел ОсновИнформационное ные ви- Базы знаний ды обес- Банк данных прогнозов, печения стандартов Альбомы типовых конструкций Стандарты, справочные данные и др. Поиск Методическое Методы решения изобретательских задач Методы решения задач стандартизации Методы решения оптимизационных задач Реализация Техническое Средства вычислительной техники САПР Программно-технические комплексы и др. На стадии подготовки ведется предварительная систематизация фактов в рассматриваемой области и подготовка к изобретательству или принятию технических решений. На стадии замысла: 1) изучается проблемная ситуация и формулируются научно-технические задачи поиска на основе анализа научно-технической информации; 2) выявляется центральный вопрос для разрешения; 3) определяются необходимые требования и ограничения; 4) создается модель проблемной ситуации (графическая или математическая); 5) проводится декомпозиция основной задачи и определяется степень решаемости компонентов; 6) составляется план поиска технических решений; 7) выбираются методы решения основной задачи и ее компонентов. На стадии поиска: генерируются изобретательские идеи; определяются принципы решения задач; выявляются положительные и отрицательные эффекты, реализуемые при различных принципах решения задач, и выбирается оптимальный принцип решения задач. На стадии реализации проводится: Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 13 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.2. Процедурная модель творческого процесса проектирования техническое оформление решения творческой задачи: патентование, разработка чертежей, расчеты, изготовление образцов нового объекта; опытная проверка и испытания образца объекта – результата решения технической задачи с последующим внесением поправок и дополнений; внедрение нового объекта и его дальнейшее развитие с учетом накопленного опыта; выявление возможности расширения применения объекта и проведение мероприятий в этом направлении. 1.3. Виды и характеристика изделий и конструкторских документов Результатом творческой деятельности проектировщиков является изделие, виды которого регламентируются ГОСТ 2.101–68 Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). Этот стандарт выделяет не специфицированные (не имеющие составных частей) и специфицированные виды изделий: деталь – изделие, изготовленное из однородного по марке и наименованию материала без сборочных операций (неспецифицированное); сборочная единица – изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями (свинчиванием, сочленением, клепкой, сваркой, сшивкой, укладкой, склеиванием и т. д.); комплекс – два и более специфицированных изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций; комплект – два и более изделия, не соединенных изготовителем сборочными операциями и представляющих набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (комплект запчастей, комплекты измерительной аппаратуры, ключей и т. д.). Структура изделий представлена на рис. 1.3. Виды и комплектность конструкторских документов на изделия регламентируются ГОСТ 2.102–68. К конструкторским относят графические и текстовые документы, определяющие в совокупности состав и устройство изделия и содержащие необходимые данные для его разработки или изготовления, контроля, приемки, эксплуатации и ремонта. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 14 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.3. Виды и характеристика изделий и конструкторских документов Изделия Деталь Сборочные единицы Сборочные единицы Комплексы Комплекты Комплексы Сборочные единицы Сборочные единицы Детали Детали Детали Комплекты Комплекты Комплекты Рис. 1.3. Структура изделий В ГОСТ 2.102–68 приведены определения 26 видов конструкторских документов. В зависимости от стадии разработки они подразделяются на проектные (техническое предложение, эскизный и технический проекты) и рабочие (рабочая документация), в зависимости от способа выполнения и характера использования – на оригиналы, подлинники и дубликаты конструкторских документов. Для разового использования допускаются эскизные документы. По комплектности различают следующие конструкторские документы: основной конструкторский документ – определяет данное изделие и его состав (для детали – чертеж, для сборочных единиц, комплексов и комплектов – спецификация); основной комплект конструкторских документов – объединяет документы, относящиеся ко всему изделию (сборочный чертеж, принципиальная электрическая схема, технические условия, эксплуатационные документы); полный комплект – объединяет всю конструкторскую документацию на изделие. 1.4. Стадии и этапы разработки изделий Согласно ГОСТ 2.103–68 с изменениями, изданными в 1988 г., проектирование изделий проходит следующие пять стадий и заканчиваясь на каждой из них оформлением и утверждением соответствующих документов: Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 15 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.4. Стадии и этапы разработки изделий 1. Техническое задание (ТЗ) – устанавливает основное назначение, технические характеристики, показатели качества, включает техникоэкономическое обоснование и специальные требования к изделию. 2. Техническое предложение – совокупность конструкторских документов, содержащих технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации на изделие. Эти обоснования должны исходить из анализа технического задания заказчика и различных вариантов возможных решений, их сравнительной оценки с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий и патентных исследований. После согласования и утверждения в установленном порядке техническое предложение является основанием для разработки эскизного (или сразу технического) проекта. Объем работ по техническому предложению регламентируется ГОСТ 2118–73 и должен быть достаточным для сравнительной оценки выявленных вариантов, по которым определяются принципы действия, размещение составных частей, разрабатываются чертежи общих видов, габаритные чертежи, схемы. Результаты сравнительного анализа и оценки вариантов по показателям качества, техническая характеристика, описание и обоснование выбора предлагаемой конструкции излагаются в пояснительной записке. 3. Эскизный проект (ЭП) – совокупность конструкторских документов, содержащих принципиальные конструктивные решения, общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также данные по назначению, основным параметрам и его габаритным размерам. ЭП разрабатывается, если это предусмотрено ТЗ и протоколом рассмотрения технического предложения. Состав документов ЭП регламентируется ГОСТ 2108– 68, объем работ и требования – по ГОСТ 2119–73. 4. Технический проект (ТП) – совокупность конструкторских документов, содержащих конструктивные окончательные решения, полное представление об устройстве и принципе работы изделия, а также исходные данные для разработки рабочей документации. Объем работ по ГОСТ 2120–73. 5. Рабочая конструкторская документация (РП) предназначена для: а) изготовления и испытания опытного образца (опытной партии) изделия, предназначенного для серийного (массового) или единичного производства; б) серийного массового производства. Проектной документации присваивают литеры «П», «Э» и «Т», рабочей документации– литеру «О» (после корректировки ее по результатам изготовления и предварительных испытаний); «О1» – скорректированной по результатам приемочных испытаний. При серийном производстве после изготовления и испытаний установочной серии и оснащения технологического процесса рабочей документации присваивают литеру «А». Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 16 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.5. Графическая документация Следующие виды конструкторских документов – графических и текстовых – установлены ГОСТ 2.102–68 «Виды и комплектность конструкторских документов»: 1) чертеж детали – документ, содержащий изображение детали и другие данные, необходимые для его изготовления и контроля; 2) сборочный чертеж – документ, содержащий изображение сборочной единицы и другие данные, необходимые для ее сборки (изготовления) и контроля. К сборочным относят также чертежи, по которым выполняют монтаж гидро- и пневмосистем; 3) чертеж общего вида – документ, определяющий конструкцию и взаимодействие составных частей изделия, поясняющий принцип его работы; 4) теоретический чертеж – документ, определяющий геометрическую форму (обводы) изделия и координаты расположения составных частей; 5) габаритный чертеж – документ, содержащий контурные (упрощенные) изображения изделия с габаритными, установочными и присоединительными размерами; 6) электромонтажный чертеж – документ, содержащий данные, необходимые для выполнения электрического монтажа изделия; 7) монтажный чертеж – документ, содержащий контурное (упрощенное) изображение изделия и данные, необходимые для его установки (монтажа) на месте применения. К нему также относят чертежи фундаментов, специально разработанных для установки изделия; 8) упаковочный чертеж – документ с данными, необходимыми для выполнения упаковки изделия; 9) схема – документ, на котором условно изображены или обозначены составные части изделия и связи между ними. 1.6. Этапы создания новых машин Период с момента начала проектирования до окончания срока внедрения машины в производство складывается из следующих этапов: проектирование; изготовление, отладка и доводка опытного образца; промышленные (предварительных в условиях эксплуатации) испытания опытного образца, внесение выявившихся в ходе испытаний изменений; государственные испытания и приемка опытного образца; разработка технической документации головной серии; изготовление головной серии, ее промышленные испытания; разработка конструкторской документации и подготовка производства к серийному выпуску; организация серийного производства. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 17 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.6. Этапы создания новых машин В условиях конкуренции на рынке сбыта сроки освоения новых машин играют определенную роль в развитии их производства. Поэтому важна организация информационного, методического и технического обеспечения. 1.7. Методы создания новых идей Суть конструирования новой техники – поиск и разработка решений по разрешению противоречий в системе «человек – техника – среда». Эти решения, зафиксированные в текстовой, графической или иной форме, в зависимости от разрешаемого противоречия могут быть: 1) функционально-техническими, повышающими производительность, надежность, транспортабельность и др. функциональные качества техники; 2) социально-техническими, удовлетворяющими эргономическим, эстетическим и экологическим требованиям; 3) технико-экономическими, обеспечивающими ожидаемые доходы и перспективы развития производства. По способу разрешения противоречий конструкторские решения могут быть формально логическими и эвристическими. Таблица 1.2 Методы создания новых идей Ассоциации Логические Генерирование идей диаграмм матриц Мозговой штурм Эвристические Простые Сложные Методы аналогий, альтернативных пар, инверсии, комбинированные Метод ассоциации – выработка новых идей на основе изучения и анализа реального объекта (процесса) с целью оценки возможности использования с полным или частичным сохранением его свойств в новых условиях. Также оценивается его полная замена на другой объект (процесс) с более эффективным принципом действия и лучшими эргономическими и эстетическими свойствами. Метод базируется на мыслительной способности конструктора. Метод генерирования идей – поиск и выработка новых идей и решений по определенному виду техники на основе систематизации и логического анализа данных его развития в прошлом и выявления направлений его развития в будущем. При генерировании идей эффективна разработка и использование диаграмм и матриц идей, функционально-структурных классификаций, примеры которых прилагаются. Эти документы могут быть составлены как по функционально-структурным признакам, так по признаку техникоэкономической эффективности практически по любому виду оборудования. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 18 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.7. Методы создания новых идей В конструкторских коллективах эффект приносят «мозговые штурмы», проведение конкурсов. Логические методы могут и должны тесно сочетаться с эвристическими. К простым эвристическим методам относят: 1) метод элементарных вопросов – выработка решений путем получения ответов на вопросы: почему так и не иначе, для чего, как, на что похоже? 2) метод наводящих вопросов – поиск рациональных решений ведется в режиме «вопрос-ответ» в заданной цепи вопросов по причинноследственным признакам: дороже или дешевле и почему, быстрее или медленнее и почему, подойдет или не подойдет и почему? К методам аналогий относят методы подражания объектам живой и неживой природы. Методы подражания объектам живой природы в прошлом и настоящем: биомеханика – воспроизведение в механических устройствах и производственных процессах движений насекомых, птиц и животных; биоархитектура – создание монолитных и сотовых конструкций сооружений, емкостей и ограждений в подражание термитам, пчелам, паукам, птицам и т. д.; палеобионика – использование принципа работы двигательных органов гигантских вымерших животных при создании шагающих экскаваторов, стреловых кранов и манипуляторов и т. д.; антропоморфизация – придание создаваемым объектам внешней формы, аналогичной человеческому облику (роботы); биокинетика – разработка устройств с функциями, аналогичными функциям человеческого мозга: системы автоматического управления и регулирования, САПР, АСУ. Методы подражания объектам неживой природы: репродукция (воспроизведение очертаний, форм, пропорций и др. особенностей объектов подражания); копирование; модификация (замена отдельных узлов и деталей с целью повышения надежности или приспособления изделия к более суровым условиям); конвертирование (например, замена эксплуатационных материалов – перевод двигателей с бензина или дизтоплива на газ, компрессоров с аммиака на фреон и т. д.); реинтеграция (создание нового сложного объекта по подобию с относительно простым объектом (ракетные двигатели подобны паяльной лампе, ковши экскаваторов – лопате, буровые коронки – сверлу и т. д.). Методы альтернативного поиска – конструирование с образованием альтернативных пар вида «прием-антиприем»: 1) увеличение- уменьшение (например, числа функций или главных параметров, блоков и модулей, пространственное совмещение или разделение). Площадь опорных поверхностей изделий увеличивают с целью снижения Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 19 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.7. Методы создания новых идей удельных нагрузок или уменьшают для снижения металлоемкости. Создают многоступенчатые и многосекционные конструкции (турбобуры, лопастные насосы, ракеты и т. д.) или простые одноступенчатые и односекционные лопастные конструкции (гидромуфты, гидротрансформаторы, турбины и т. д.); 2) гиперболизация-миниатюризация (метод масштабных преобразований): предельное развитие параметрических рядов изделий данного принципа действия в сторону его увеличения или, наоборот, предельное увеличение или уменьшение главного параметра, крупномасштабное воспроизведение технического объекта традиционного принципа действия (гигантские экскаваторы, самолеты, корабли, самосвалы и т. д.) или мелкомасштабное воспроизведение (мини-экскаваторы, мини-автомобили, мини-ЭВМ и т. д.). Методы инверсии (от латинского inversion – перестановка, обращение) заключаются в поиске решений в направлениях, противоположных традиционным, принимаемым при конструировании данного объекта. Таблица 1.3 Методы инверсии № п/п 1 1 Вид Сущность Область применения инверсии 2 3 4 Инверсия Преобразование величин тепловых, опПриборы и аппаратура физичетических и др. свойств в величины элек- управления и контроля, ских вели- трических, механических свойств и наобо- генераторы, электродвигачин рот тели 2 КомпенсаСпособ поддержания рабочих параметРегулирование парации пара- ров изделий в требуемых пределах путем метров машин с помощью метров противодействия их изменению с помо- реостатов, термостатов, щью регуляторов реле и т. д. 3 Инверсия Изменение направления движения меТранспортные средства, направлеханизмов с помощью специальных уст- землеройные машины, ния дейст- ройств (пневматических, механических, подъемники и т. д. вия гидравлических и др.) 4 Инверсия энергии Преобразование различных видов энерЭлектростанции, теплогии в другие виды (дизельные электро- вые энергоустановки, выстанции на буровых) прямители и т. п. 5 Инверсия рабочих процессов Изменение направленности и характера протекания процессов преобразования вращательного движения в возвратнопоступательное и наоборот, превращение побочных вредных процессов в полезные и т. д. Насосы, вибраторы для просеивания сыпучих сред, разрушение препятствий, обогрев помещений с помощью выхлопных газов и т. д. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 20 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.7. Методы создания новых идей Окончание табл. 1.3 1 6 7 8 9 10 11 2 Компенсация положения объекта Инверсия конструкционных материалов Инверсия свойств элементов 3 4 Создание устройств, устраняющих отНасосы с компенсатоклонения объектов и нейтрализующих рами, транспортные средвредное воздействие отклонений ства с амортизаторами и т. д. Облегчение деталей путем замены меКорпусные детали, обталла на пластмассы лицовка, емкости и др. Создание гибких конструкций валов, Тяжелое энергетичесверл, корпусных деталей для сверхскоро- ское машиностроение стных технологических процессов и сня- (сверхскоростные турбития напряжений от вибрации ны, скоростная обработка деталей) Инверсия Создание аксиально-поршневых насоГидравлические машиформы сов и двигателей, в т. ч. ДВС, двигателей с ны, двигатели внутреннего элемента прямоугольными поршнями и т. д. (поиски сгорания. способов улучшения рабочих характериПеристальтические настик, надежности и технологичности) сосы для перекачки вязкой нефти (принцип заимствован из медицинской и хим. промышленности) КомпенсаМетод восстановления форм и размеров Самозатачивающиеся ции разме- изделия, изменяющихся при работе, и под- резцы и коронки, регулиров держание их в проектных пределах ровочные прокладки, гидравлические и пневматические компенсаторы Инверсия Изменение пространственного распоМашиностроение (расраспололожения объекта для улучшения удобства точные и др. обрабатыжения объ- выполнения рабочих процессов, обслужи- вающие станки как гориекта вания и эксплуатации зонтальные, так и вертикальные, в ряде случаев в отдельных сборочных единицах сопрягаемые детали меняют местами расположения) Из табл. 1.3 видно, что метод инверсии заключается в перестановке, обращении функций, форм и расположений конструируемых объектов с целью улучшения их использования по назначению. Инвертирование функций деталей может заключаться в превращении ведущей детали в ведомую, направляющей – в направляемую, подвижной – в неподвижную, охватывающей – в охватываемую деталь. Инвертирование форм деталей – замена внутреннего конуса на наружный конус, выпуклой сферической поверхности на вогнутую поверхность и т. д. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 21 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.7. Методы создания новых идей Инвертирование расположения деталей – перемещение шпонки с вала на ступицу, бойка с рычага на толкатель и т. д. Примеры использования методов инверсии можно найти во многих нефтепромысловых машинах: в исполнении приводов штанговых насосов, в насосах, в конструкциях винтовых забойных двигателей (ВЗД) и т. д. В ряде случаев можно использовать совокупность нескольких методов. В частности, в ВЗД можно увидеть сочетание видов инверсии 3, 5, 7, 9 и 11 (см. табл. 1.3). Методы комбинирования (методы сочетаний, перестановок, размещения и перемещения) – успешно реализуются при применении САПР и заключаются в системном анализе основных признаков изделия: параметров, элементов и связей между ними, и синтезе новых решений. Метод сочетаний – осуществляется перебор множества признаков объекта с образованием ряда разновидностей объекта с тем же общим числом признаков М, из которых часть Мо обновляется. Если Мо изменяется в пределах 0 M o M , то число теоретически возможных признаков составит N 2 M . Из этого числа отбираются для последующего анализа варианты, соответствующие исходным условиям задачи и лишенные внутренних противоречий. Метод перестановок – заключается в переборе множества признаков объекта с сохранением самих этих признаков, но с изменением порядка их расположения попарно. Метод размещения – заключается в упорядочении исходного множества признаков с использованием двух предыдущих методов. Метод перемещения – совокупность приемов конструирования с перемещением компонента технического объекта в его рамках или на другой объект с сохранением или изменением первоначальных функций. Например, перемещение на другой объект с сохранением функций сервомеханизма с гидротурбины на автомобиль; газовая турбина, перемещенная на локомотив, и т. д.; использование центрифуг, центробежных насосов, вентиляторов и др. оборудования в различных объектах разных отраслей промышленности с перемещением с других объектов. На различных стадиях разработок конструктору приходится решать задачи исследовательского характера, экспериментальной проработки отдельных решений на макетах, моделях, опытных образцах или путем машинного эксперимента на ЭВМ. Для реализации этих задач используются: математические средства (методы вычислений, математические теории); логические и языковые средства, применяемые для фиксации ожидаемых результатов и способов их получения, образования новых понятий, символов и их систем; материальные средства (технические и программные). К техническим относят средства для вычислительных, чертежнографических и множительных работ, а также используемые для экспериментальных исследований – стендовые установки для изучения свойств Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 22 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.7. Методы создания новых идей и параметров материалов, узлов и агрегатов, ЭВМ для машинных экспериментов. При использовании технических средств конструирования могут выполняться операции: по непосредственному решению творческих задач; нетворческого характера (подготовка исходных данных, выполнение и оформление текстовых и графических конструкторских документов и т. п.). Контрольные вопросы 1. По каким законам развиваются технические системы? 2. Перечислите основные принципы, на которых базируются законы развития техники. 3. В чем выражается взаимосвязь технического творчества, стандартизации и экономики конструирования? 4. Процедурные стадии проектирования и виды их обеспечения. 5. Этапы разработки новых изделий. Виды, состав и содержание документов, разрабатываемых на этих этапах. 6. Чем отличаются логические методы от эвристических методов разработки новых идей? Раскройте сущность наиболее распространенных методов. 7. Методы инверсии. Приведите примеры. 8. Технические средства для выполнения проектных работ творческого и нетворческого характера. 9. Общие принципы построения системы САПР. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 23 2. КАЧЕСТВО ОБОРУДОВАНИЯ 2.1. Основные понятия. Классификация показателей Согласно международному стандарту ИСО 8402 качество продукции – это совокупность свойств и характеристик продукции, которые дают ей возможность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности. Качество определяет эффективность новой техники, являющуюся отношением полезного эффекта к затратам и потерям из-за ограничений по степени воздействия на человека и окружающую среду, т. е. качество имеет техникоэкономическую сущность. Качество изделий [2] может быть выражено измеряемыми показателями, классификация которых представлена на рис. 2.1. Показатели качества изделий Функциональные Ресурсосберегающие Технического эффекта Технологичности конструкций Природоохранные Экологичности Безопасности Надежности Ресурсоемкости Эргономичности Эстетичности Рис. 2.1. Классификация показателей качества изделий Функциональные показатели качества изделий выражают их потребительские свойства. Показатели технического эффекта характеризуют способность изделия выполнять свои функции в заданных условиях использования по назначению: производительность, мощность, эксплуатационные характеристики, определяющие полезную работу и т. д. Надежность оценивается безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Эргономичность оценивается гигиеническими показателями – соответствие санитарным нормам, антропометрическое соответствие изделия физио- Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 24 2. КАЧЕСТВО ОБОРУДОВАНИЯ 2.1. Основные понятия. Классификация показателей логическим свойствам человека и особенностям функционирования его органов чувств (скорость движения и силовые возможности человека, пороги слуха, зрения и т. д). К числу эргономических относят психологические показатели, отражаемые в инженерно-психологических требованиях (требованиях психологии труда и общей психологии), предъявляемых к изделиям (работа на глубинах, на высоте и т. д.). При оценке эргономических показателей выделяют элементы конструкций, влияющие на работоспособность человека – кабину и ее оборудование (люки, окна, коммуникации, вентиляция и осветительные устройства). Входят в состав оборудования кабины также индикаторные и сигнальные устройства, ручные и ножные рычаги управления, рабочая мебель. К показателям эстетичности относят: показатели внешнего вида (подбор по цвету, отделке, симметричность или ассиметричность, гармоничность оформления, выразительность, оригинальность и т. д.); показатели современности форм (оригинальность форм и силуэта, соответствие формы и функций, гармоничность пропорций, декоративность отдельных элементов и т. д.). Ресурсосберегающие показатели качества изделий: показатели технологичности – конструктивная материалоемкость, энергоемкость, трудоемкость и хроноемкость, а также транспортабельность и степень унификации. Эти показатели характеризуют воплощенные в конструкции затраты соответственно ресурсов материальных, энергетических и трудовых, которые необходимы для выполнения процессов производства, подготовки к транспортировке, функционированию, эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту. показатели ресурсоемкости рабочих процессов отражают совершенство изделия по степени потребления им материальных, топливных, энергетических ресурсов в процессе функционирования по назначению, то есть способность изделия выполнять свои функции при использовании ресурсов в объемах, соответствующих установленным нормам. К природоохранным показателям относят следующие показатели экологичности: содержание вредных примесей, выбрасываемых изделием в окружающую среду; вероятность выбросов изделием вредных частиц, газов, излучений при его хранении, транспортировке и техническом обслуживании и ремонте. Оцениваются эти показатели сопоставлением фактических значений с нормами по охране природы, установленными в соответствующих ГОСТ, по допустимому содержанию примесей в воздухе, почве и водоемах. Эти нормы установлены на основе анализа возможных вредных воздействий: химических, биологических, световых, звуковых, радиоактивных и т. д. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 25 2. КАЧЕСТВО ОБОРУДОВАНИЯ 2.1. Основные понятия. Классификация показателей Показатели безопасности отражают уровень обеспечения безопасности человека в системе «человек – изделие» при использовании установленных мер и средств его защиты в условиях аварийных ситуаций, вызванных случайными нарушениями правил, изменениями условий и режимов эксплуатации изделия. Показатели безопасности – это вероятность безопасной работы человека при изготовлении или эксплуатации изделия в течение установленного времени, время срабатывания защитных устройств и т. д. 2.2. Обеспечение качества и конкурентоспособности изделий Основные виды обеспечения качества и конкурентоспособности изделия: техническое – конструкторское, технологическое и метрологическое; экономическое – финансовое, нормативное и материальное; социальное – организационное, правовое и кадровое. Все эти виды используются комплексно. Опыт комплексного подхода к ним обобщен в международных стандартах ИСО серии 9000 и разработанных на их основе отечественных ГОСТ: ГОСТ 40.9001. Система качества. Модель для обеспечения качества при проектировании и разработке, производстве, монтаже и обслуживании изделий; ГОСТ 40.9002. Система качества. Модель для обеспечения качества при окончательном контроле и испытаниях. В России международные стандарты по системе качества используются напрямую. Более того, в ряде отраслей, в том числе в нефтегазовом машиностроении, сертификация качества оборудования осуществляется по стандартам ведущих зарубежных фирм. Конкурентоспособность – совокупность свойств и характеристик, обеспечивающих преимущественную (по сравнению с другими изделиями) возможность реализации данного изделия на конкретном внутреннем или внешнем рынке в рассматриваемый период. Основные критерии конкурентоспособности: технический уровень изделия – отражает относительное совершенство данного изделия по сравнению с другими аналогичного назначения, поставляемыми (или имеющими перспективу поставки) на тот же рынок; экономический уровень изделия – определяет относительную величину затрат потребителя на приобретение и использование данного изделия по сравнению с другими аналогичными изделиями, включая оплату таможенных сборов, налоги, расходы на транспортировку, монтаж и наладку приобретенного изделия, оплату запасных частей, материалов и топлива, расходы на обслуживание и ремонт; патентно-правовая защищенность изделия – определяется применительно к условиям конкретного рынка. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 26 2. КАЧЕСТВО ОБОРУДОВАНИЯ 2.2. Обеспечение качества и конкурентоспособности изделий При обеспечении и оценке технического и экономического уровней на этапах разработки конструкции изделия учитывается вся совокупность функциональных, ресурсосберегающих и природоохранных свойств и характеризующих их показателей качества. Экономический уровень оценивается по полным затратам на приобретение и использование изделия, в том числе единовременным и эксплуатационным (текущим) затратам. Единовременные затраты включают цену изделия, возможные дополнительные затраты: таможенные сборы и расходы, расходы на упаковку, транспортировку и монтаж, наладку и т. п. К ним также относят расходы на сооружения, потребность в которых вызвана условиями установки и технического обслуживания у потребителя. Эксплуатационные (текущие) затраты включают оплату труда обслуживающего персонала, расходы на топливо, электроэнергию, основные и вспомогательные материалы, ремонты, на приобретение дополнительной технической и эксплуатационной информации и документации для обучения персонала и эксплуатации изделия. Патентно-правовую защищенность изделия выражают: патентная чистота – степень воплощения в изделии технических решений, не подпадающих под действие выданных в России патентов исключительного права (для внутреннего рынка), а также выданных в странах предполагаемого экспорта; патентная защита изделия – степень защищенности изделия авторскими свидетельствами и патентами в России и в странах предполагаемого экспорта или продажи лицензии (воплощение в изделии отечественных технических решений, признанных изобретением в стране и за рубежом). Для поддержания конкурентоспособности изделия, требуется постоянное изучение конъюнктуры рынка. Поэтому разработке продукции, выполнению проектных работ и формированию требований к изделию предшествует стадия маркетинга, поиска и изучения рынка. Функции маркетинга – постоянное обеспечение обратной связи разработчиков и изготовителей с потребителем, контроль получения от него достоверной информации и формирование технически и экономически обоснованной стратегии проектирования. Исходная информация для формирования требований к качеству: действующие международные, национальные и региональные стандарты и стандарты фирм, регламентирующих качество продукции; правительственные постановления, действующие законодательства, нормативные акты и технические регламенты на ввозимую в страну продукцию; результаты исследований конъюнктуры рынка и спроса на аналогичную продукцию; результаты сравнительных испытаний опытных и выставочных образцов и сертификации аналогичной продукции, проводимой в стране и за рубежом. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 27 2. КАЧЕСТВО ОБОРУДОВАНИЯ 2.3. Оценка уровня качества изделий Уровень качества – относительная характеристика качества, основанная на сравнении совокупности показателей (используют показатели перспективных образцов, аналогов и стандартов). Перспективный образец – образец, совокупность показателей которого соответствует прогнозируемому, экономически оптимальному на определенный период уровню качества изделий данного вида. Экономически оптимальный уровень качества перспективного образца определяют таким образом, чтобы он не устарел «морально» к моменту освоения изделия в эксплуатации. Перспективный образец должен наиболее полно учитывать достижения науки и техники и требования потребителя на обозримую перспективу. Аналог – образец изделия отечественного и зарубежного производства того же вида, конструктивного устройства, функционального назначения, принципа действия, масштабов или условий применения, что и разрабатываемое изделие. Оценка уровня качества изделий [14] имеет следующие виды: 1. Предварительная (укрупненная) оценка уровня качества техники, отражающая этот уровень в перспективе и производимая на стадии технического задания путем определения коэффициента K y1 : K y1 K тз . K сз (2.1) 2. Промежуточная оценка уровня качества изделия или уровень законченной разработки по коэффициенту: K y2 K ту K cз . (2.2) 3. Окончательная оценка уровня качества изделия, выпускаемого в целом, или уровень новой техники, освоенной в производстве, по коэффициенту: K y3 K ту K cз . (2.3) 4. Окончательная оценка уровня качества эксплуатируемого изделия в целом по коэффициенту: K y4 K эд , K cз Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие (2.4) 28 2. КАЧЕСТВО ОБОРУДОВАНИЯ 2.3. Оценка уровня качества изделий – коэф , Kту где K y1 , K y2 , K y3 , K y4 – коэффициенты уровня качества, Kту фициенты качества по техническим условиям на соответствующих стадиях разработок; Kсз, Kтз, Kтy, Kэд – совокупные показатели качества, отображенные соответственно в социальном заказе (исходных требованиях заказчика или потребителя), техническом задании, технических условиях и эксплуатационной документации. В качестве исходных документов используются стандарты с перспективными требованиями, отчеты по НИИ, техническое задание, проектная, рабочая, эксплуатационная и ремонтная документации. Для оценки уровня качества (технического уровня) используют дифференциальный, комплексный и смешанный методы. Дифференциальный метод – оценка по отдельно взятым показателям с целью последующего воздействия на эти показатели. Комплексный метод – сопоставление определенной совокупности единичных показателей с аналогичной совокупностью базовых показателей по их численным значениям. Смешанный метод применяют при невозможности одновременного получения обобщающих выводов и выводов относительно единичных показателей. Контрольные вопросы 1. Какими показателями характеризуется качество нефтепромысловой техники? 2. Показатели технического эффекта буровых установок и входящих в них комплексов и агрегатов. 3. Как оцениваются эргономичность и эстетичность оборудования? 4. Какие показатели качества относят к ресурсосберегающим? 5. Природоохранные показатели техники для нефтяных и газовых промыслов. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 29 3. ПОКАЗАТЕЛИ НАЗНАЧЕНИЯ 3.1. Показатели назначения и их место в оценке качества изделия Качество изделий характеризуется тремя группами измеряемых показателей: функциональные, ресурсосберегающие и природоохранные. Функциональные показатели качества выражают потребительские свойства изделий и включают показатели технического эффекта, надежности, эргономичности и эстетичности. Показатели технического эффекта следует называть показателями назначения, поскольку они характеризуют способность изделия выполнять свои функции с заданными параметрами в заданных условиях его использования. Следует различать технологические и технические показатели назначения, которые взаимосвязаны между собой. К первым следует отнести две группы показателей: 1) определяемые условиями использования техники (глубина и конструкция скважин, условия залегания продуктивных пластов, дебит и пластовое давление и т. д.); 2) характеризующие предполагаемые технические и экономические результаты применения в заданных условиях (производительность техническая и коммерческая, себестоимость и рентабельность и т. д.). Технические показатели являются производными от задаваемых технологических показателей назначения и определяют возможности проектируемого оборудования обеспечить достижение последних в процессе эксплуатации. В эту группу относят параметры, отражающие силовые, скоростные и другие эксплуатационные возможности оборудования: мощность и КПД привода, скорость подъема крюка талевых систем, частоту вращения стола ротора, подачу и развиваемое давление насосов, габариты, массу и т. д. Эти параметры являются изначально определяющими технический уровень оборудования при оценке его качества путем сопоставления с техническим уровнем изделий-аналогов, закладываются в технические характеристики перспективных образцов и стандарты. Но при оценке качества изделия высокие показатели назначения хотя и играют главенствующую роль, но должны рассматриваться в комплексе с другими функциональными показателями качества, а также с ресурсосберегающими и природоохранными. При недостаточном уровне последних изделие может быть забраковано, поэтому разработчики и производители оборудования должны находить и реализовывать конструктивно-технологические решения по обеспечению всех показателей его качества. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 30 3. ПОКАЗАТЕЛИ НАЗНАЧЕНИЯ 3.1. Показатели назначения и их место в оценке качества изделия 3.2. Взаимосвязь между эффективностью и производительностью машины, агрегата и их показателями назначения На выбор технологических и, соответственно, технических параметров оборудования нефтегазового комплекса влияет множество факторов: природно-климатические и горно-геологические условия залегания месторождений углеводородного сырья, наличие транспортных и энергетических сетей, ремонтных баз и т. д. Совокупное влияние указанных факторов отражается на экономической эффективности использования оборудования и повышает роль его производительности как главного технологического показателя назначения. Например, в проектируемое буровое оборудование должны закладываться высокие показатели по механической и рейсовой скорости бурения, проходке за станкомесяц; в скважинное оборудование для подъема нефти и газа –по суточным, месячным и годовым объемам добычи. Среди показателей назначения выделяют главные показатели, которые используются для классификации оборудования, применяемого в одних и тех же целях, т. е. в технологических циклах, идентичных по содержанию процессах производства, но разных по масштабам работ и объемам продукции в этих циклах. Классификация различных видов буровой и нефтепромысловой техники по главным показателям назначения позволила строить типоразмерные параметрические ряды по многим ее видам. Например, для буровых установок классификационными показателями назначения являются допускаемая нагрузка на крюке и глубина бурения скважин. На рис. 3.1 показана классификация буровых установок для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения по максимально допустимой нагрузке на крюк Рк и максимальной глубине бурения с разделением на 11 классов. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 31 3. ПОКАЗАТЕЛИ НАЗНАЧЕНИЯ 3.2. Взаимосвязь между эффективностью и производительностью машины, агрегата и их показателями назначения Рис. 3.1. Классификация буровых установок эксплуатационного и глубокого разведочного бурения: 1, 2, 3, … 11 – классы установки; Рк –допустимая нагрузка на крюке; штриховая кривая отмечает предел минимальных глубин рационального использования установок Свои главные параметры назначения, используемые для классификации и построения стандартизованных параметрических рядов, имеют и агрегаты, механизмы, устройства, входящие в состав буровых установок. Так буровые лебедки разделяются по нагрузке на крюке и расчетной мощности привода, буровые насосы – по мощности, подаче и развиваемому давлению, буровые роторы – по диаметру проходного отверстия и приводной мощности, вертлюги – по допускаемой нагрузке на ствол. Противовыбросовое оборудование различают по условному диаметру проходного отверстия стволовой части и рабочему давлению. Диаметр проходного отверстия и рабочее давление также являются главными параметрами назначения плашечных и универсальных превенторов, входящих в состав противовыбросового оборудования. Классификации и размерные параметрические ряды построены по погружным штанговым насосам и их приводу, станкам-качалкам, электроцентробежным насосным установкам, компрессорам различного назначения и многим другим видам оборудования. Определение типоразмеров параметрических рядов производится с помощью оптимизационных расчетов на основе экономических критериев. Это позволяет заложить данные классификации и ряды в основу действующих ныне научно обоснованных стандартов на типы Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 32 3. ПОКАЗАТЕЛИ НАЗНАЧЕНИЯ 3.2. Взаимосвязь между эффективностью и производительностью машины, агрегата и их показателями назначения и параметры, а также на основные технические требования по всему спектру техники в нефтегазовой отрасли. В справочной и учебной литературе приводятся рекомендации по расчетам и выбору рациональных типоразмеров в соответствии со стандартами практически по всем видам оборудования для конкретных условий и областей применения [5, 6, 16]. В ряде случаев удобно использовать таблицы, диаграммы, графики и номограммы. Главные технические параметры назначения оборудования являются основой для разработки принципиальных, кинематических и компоновочных схем и конструктивных решений, являются основой для кинематических, силовых и прочностных расчетов проектируемого оборудования. Кроме того, они определяют и его другие свойства и качества, прежде всего технологичность в изготовлении, монтажеспособность, транспортабельность, ремонтопригодность. 3.3. Критерии оптимизации параметров машин, их выбор и обоснование Эффективность и соответственно производительность оборудования находятся в функциональной зависимости от главных технических параметров оборудования и прежде всего мощности и КПД его привода, поэтому в качестве критериев оптимизации этих показателей выбирают либо стоимость единицы выполненного объема работ или добытой продукции (руб./т нефти, руб./1000 м3 газа, руб./м бурения скважины и т. д.), либо показатель производительности оборудования в единицу времени (м3/сут. добычи нефти или газа, м/ч или м/станко-месяц бурения и т. д.). Зависимости между этими экономическими показателями и мощностью оборудования или другими его показателями показаны на следующих примерах. Ожидаемый суммарный объем бурения скважин буровой установкой в течение определенного отрезка времени (месяц, год) обозначим H, м. Допустим, что затраты на выполнение этого объема не должны превышать Z, руб. Тогда эффективность применения буровой установки можно оценивать по удельной себестоимости 1 м проходки скважины z = Z/H. Величины H и z будут главным образом зависеть от производительности, выражаемой рейсовой скоростью бурения Vp. Рейсовая скорость бурения зависит от производительности спускоподъемных операций (СПО) Vспо, а также от механической скорости «чистого» бурения Vм, глубины скважины L и проходки за рейс h. Производительность спускоподъемных операций зависит прежде всего от уровня совершенства буровой установки, спускоподъемный комплекс которой должен обеспечивать работу бурильной колонны на оптимальных скоростях спуска и подъема, а вспомогательные процессы при этом выполняться с максимальным использованием средств механизации и автоматизации. Производительность же непосредственно процесса углубления скважины Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 33 3. ПОКАЗАТЕЛИ НАЗНАЧЕНИЯ 3.3. Критерии оптимизации параметров машин, их выбор и обоснование обеспечивается выбором рациональных конструкций долот и поддержанием оптимальных параметров режима бурения: осевой нагрузки на долото, частоты его вращения и подачи промывочной жидкости. Оптимальные скорости выполнения рабочих процессов основных агрегатов буровой установки при необходимых значениях нагрузок обеспечиваются выбором силового привода агрегатов с требуемой мощностью Рдв, частотой вращения выходного его вала nдв и КПД этого привода η на основе стандартизованных значений расчетных мощностей привода этих агрегатов: лебедки – Pл, ротора – Pр, насоса – Pн. Тогда расчет удельных затрат на один метр бурения скважин может быть представлен в виде алгоритма последовательного определения: 1) производительности спускоподъемных операций в зависимости от механической скорости подъема и спуска бурильной колонны, скорости выполнения вспомогательных операций при СПО, глубины скважины и мощности, затрачиваемой на привод лебедки при подъеме: VСПО= f (VмпсVвсLΔPл); (3.1) 2) производительности процесса непосредственно углубления скважины, выраженной через механическую скорость бурения, от мощности на привод ротора и буровых насосов: V м =f(ΔPрΔPн); (3.2) 3) рейсовой скорости бурения от производительности СПО и механической скорости бурения, от величины проходки за рейс: Vp = f(VСПО, Vм, h); (3.3) 4) суммарного объема бурения в рассматриваемом периоде от факторов, функции которых определены в предыдущих пунктах: H = f(VР, ΔPл, ΔPр,ΔPн); (3.4) 5) удельного объема затрат от изменения величины суммарного объема бурения под воздействием факторов, повышающих производительность основных процессов проходки скважины: z = f (Z/VрΔPлΔPрΔPн). (3.5) Последняя формула характеризует обратную зависимость удельных затрат от рейсовой производительности бурения и использования приводной мощности основных агрегатов при условии, что буровой подрядчик должен уложиться в определенную сумму, выделяемую на бурение на определенный период, т. е. Z = const. Алгоритм поиска минимума удельных затрат может Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 34 3. ПОКАЗАТЕЛИ НАЗНАЧЕНИЯ 3.3. Критерии оптимизации параметров машин, их выбор и обоснование быть реализован с помощью компьютерной программы, в которой будет заложено варьирование значения ΔPi – изменение расходуемой мощности приводов основных агрегатов в зависимости от задаваемых режимов их работы в условиях данной скважины. Задача оптимизации показателей назначения может также ставиться при условия H = const и нахождения суммарной величины затрат Z как переменной величины, зависящей от рейсовой скорости бурения и затрат мощности на привод основных механизмов. Для скважинных штанговых насосных установок главными классификационными параметрами (показателями назначения) являются подача продукции в единицу времени и предельная глубина спуска штанговых насосов; для бесштанговых скважинных насосов – подача, м3/сут., и развиваемый напор, с которым необходимо поднимать продукцию. Для фонтанной арматуры в качестве таких параметров задаются давление в проходных каналах и диаметры этих каналов. Проектирование агрегатов для ремонта скважин определяется заданной грузоподъемностью подъемного механизма агрегатов, глубиной бурения, глубиной ремонтируемых скважин и т. д. Для скважинного оборудования, используемого для подъема продукции на поверхность (независимо от способа подъема), при определении его параметров должны учитываться, кроме приведенных показателей, диаметры эксплуатационных колонн и диаметры насосно-компрессорных труб. Способы подъема продукции и соответствующие виды оборудования для этого имеют области рационального применения. По приведенным показателям определяют мощность насосов, их геометрические параметры и массу. При выборе типоразмера оборудования для подъема жидкости из скважины из стандартного параметрического ряда также целесообразно базироваться на оптимизационных расчетах. Контрольные вопросы 1. Чем отличаются главные технологические показатели назначения от технических показателей и в чем выражается связь между ними? 2. Какие показатели являются главными классификационными параметрами буровых установок, буровых лебедок, роторов, буровых насосов и вертлюгов? 3. Какие показатели являются главными классификационными параметрами фонтанной арматуры, бесштанговых скважинных насосов и штанговых насосных установок? 4. Факторы, учитываемые наряду с главными показателями назначения при проектировании оборудования для подъема нефти и газа из скважины. 5. Критерии оптимизации главных показателей назначения буровых установок для глубокого разведочного бурения на нефть и газ. 6. Критерии оптимизации главных показателей назначения оборудования для подъема нефти и газа из скважины. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 35 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.1. Общие понятия Одним из определяющих факторов качества машин и оборудования является надежность, проблемы которой решаются на всех стадиях их жизненного цикла. Надежность закладывается на стадиях исследований, расчетов и проектирования, обеспечивается в процессе изготовления путем подбора технологии и контроля качества, сохраняется при хранении и транспортировке на основе соблюдения установленных правил и поддерживается при эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте. Теория надежности рассматривает обобщенные объекты: изделия, элементы и системы, которые могут быть восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми [3, 9]. Основные понятия, термины и определения регламентируются ГОСТ 27.002–83 «Надежность в технике. Термины и определения». Надежность характеризуется основными состояниями, событиями и свойствами. Состояния изделий, систем и элементов: работоспособное, неработоспособное, исправное и неисправное. Работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции нормально с параметрами, заданными технической документацией. Исправность– это состояние изделия, удовлетворяющее как основным, так и вспомогательным требованиям. Несоответствие изделия хотя бы одному требованию документации называют неисправностью, которая может приводить или не приводить к отказу изделия. К понятию «событие» относят повреждение и отказ, вызывающие переход объекта из одного состояния в другое. Повреждением называют событие нарушения исправности при сохранении работоспособного состояния. Отказ– событие полной или частичной утраты работоспособности. Различают отказы функционирования, т. е. приведшие к прекращению выполнения изделием своих функций, и отказы параметрические, т. е. приведшие к изменению некоторых параметров объекта в недопустимых пределах (потеря точности станка, снижение давления и подачи насоса, компрессора и т. д.). Причины отказов могут быть случайными и систематическими. Систематические отказы появляются вследствие закономерных явлений: усталостных повреждений, коррозии, трения и износа – под воздействием среды, температур, времени и т. д. Случайные отказы появляются вследствие нештатных перегрузок, дефектов материала и погрешностей изготовления, не обнаруженных при контроле. Отказы различают: по характеру проявления и развития: внезапные (от перегрузок, заедания и т. д.); Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 36 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.1. Общие понятия постепенные по развитию и внезапные по проявлению (короткие замыкания из-за старения изоляции, усталостные разрушения); постепенные (из-за износа, старения, коррозии, залипания); по причинам возникновения: конструктивные, технологические и эксплуатационные; по физической природе: связанные с разрушением деталей объемным и поверхностным (поломки, выкрашивание, износ, коррозия); не связанные с разрушением (засорение каналов подачи и отвода топлива, смазки, рабочей жидкости, ослабление соединений, загрязнение контактов и т. д.); по последствиям: легкие (легко устранимые); средние (не вызывают разрушения других узлов); тяжелые отказы (с вторичными разрушениями, травмами, жертвами); по возможности дальнейшего использования: полные отказы (исключают работу до их устранения); не полные (допускают работу с понижением параметров – скорости, мощности, нагрузки и т. д.); по сложности устранения: отказы, устраняемые в периоды технического обслуживания, текущих и капитальных ремонтов; по месту устранения: в эксплуатационных условиях; в стационарных условиях; по времени возникновения: приработочные; при нормальной эксплуатации; износовые. Надежность объектов характеризуется сочетанием свойств безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Безотказность – свойство непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого определенного времени работы или наработки. Долговечность – свойство объекта длительно сохранять работоспособность в течении некоторого определенного времени работы или наработки. Ремонтопригодность – свойство изделия к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и повреждений, поддержанию и восстановлению работоспособности путем технических обслуживаний и ремонтов. Сохраняемость – свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности после хранения и транспортирования. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 37 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.2. Показатели надежности Надежность может оцениваться частью или всеми показателями в зависимости от их вида. К показателям безотказности относятся: вероятность безотказной работы Р(t) – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ не возникнет; средняя наработка до отказа Тср – математическое ожидание наработки до отказа невосстанавливаемого изделия. Наработка – продолжительность или объем выполненной работы; средняя наработка на отказ То – отношение наработки восстанавливаемого отказа к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки; интенсивность отказов – показатель надежности невосстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказов в единицу времени (или наработки в других единицах) объектов к числу объектов, оставшихся работоспособными; параметр потока отказов – отношение среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки. Показатели долговечности: технический ресурс (ресурс) Тр – наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после восстановления до предельного состояния. Для невосстанавливаемых изделий понятие технический ресурс и наработка до отказа совпадают; срок службы Тсс – календарная наработка до предельного состояния (годы). Показатели технического ресурса подразделяются на -процентные, средние до текущего и капитального ремонтов, полные, средние до списания. Эти показатели могут измеряться в единицах времени – машиночасах почти для всех видов оборудования, в моточасах для двигателей, в единицах объема выполненной работы, например для транспорта – в километрах. -процентные показатели, имеющие или превышающие в среднем обусловленное число () процентов изделий данного типа, характеризующие долговечность при заданной вероятности сохранения работоспособности. Для подшипников качения -процентный ресурс является основным расчетным показателем и обычно задается 90 %, для более ответственных подшипников – 95 %. Для изделий, отказ которых опасен для жизни людей, -процентный ресурс должен быть равен 100 %. Показатели ремонтопригодности: среднее время восстановления Тв – математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния изделия. Оно складывается из времени обнаружения, поиска причины отказа и устранения последствий отказа; Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 38 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.2. Показатели надежности вероятность восстановления работоспособного состояния изделия Рв(t) – вероятность того, что время восстановления работоспособности не превысит заданного. Показатели сохраняемости изделий: средний срок сохраняемости Тсох – математическое ожидание срока сохраняемости, включающего календарную продолжительность хранения и транспортирования объекта в заданных условиях, в течение и после которой сохраняются значения заданных показателей остаются в установленных пределах; -процентный срок сохраняемости Тсох – срок сохраняемости, достигаемый объектом с заданной вероятностью , выраженной в процентах. Комплексные показатели надежности: коэффициент готовности Kг – вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта не предусматривается; коэффициент технического использования Kти – выражает отношение математического ожидания времени нахождения объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математического ожидания интервалов времени пребывания объекта в работоспособном состоянии, простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтами, за этот же период эксплуатации. Коэффициенты Kг и Kти применяются для ремонтируемых изделий, имеющих серийный аналог, для которого эти коэффициенты определены по статистическим данным. 4.3. Основы расчета показателей надежности 4.3.1. Основные зависимости В расчетах надежности машин и оборудования [9] ее параметры рассматриваются чаще как случайные величины, т. е. могут принимать то или иное значение, неизвестное заранее. Например, время появления отказа t* следует рассматривать как случайную величину. Вероятность безотказной работы за время t: P(t ) Вер(t* t ) . (4.1) Пусть в течение времени t проводились испытания или эксплуатация N изделий, а к концу испытаний осталось Nр работоспособных изделий, число же отказавших составило Nотк. Тогда вероятность безотказной работы оценивается относительным количеством работоспособных элементов: Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 39 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.3. Основы расчета показателей надежности P(t ) этому Np 1 N N отк . N (4.2) Безотказная работа и отказ – взаимно противоположные события, по- P(t ) Q(t ) 1, (4.3) где Q(t) – вероятность отказа. При t 0 при t Nотк 0, Q(t ) 0, Nотк N , Q(t ) 1, P(t ) 1 ; P( t ) 0 . Распределение отказов во времени характеризуется функцией плотности (частотой отказов) распределения f (t ) . В статистической трактовке f (t ) N отк Q(t ) , t Nt (4.4) где N отк и Q(t ) – приращение числа отказов и соответственно вероятности отказов за время t . В вероятностной трактовке dQ (t ) . dt f (t ) (4.5) Вероятность отказов и безотказной работы в функции плотности распределения выражается зависимостями: t Q (t ) f (t )dt , (4.6) 0 при t Q (t ) f (t )dt 1 0 t 0 t P (t ) 1 Q (t ) 1 f (t )dt f (t )dt . (4.7) Интенсивность отказов в статистической трактовке (t ) N отк , N р t Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие (4.8) 40 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.3. Основы расчета показателей надежности в вероятностной трактовке, учитывая, что (t ) Nр N P(t ) , интенсивность отказов f (t ) . P(t ) (4.9) Вероятность безотказной работы в зависимости от интенсивности отказов определяется из следующих операций: dP(t ) подставляем в формулу (4.9); dt dP(t ) 2) (t ) ; P(t )dt 1) f (t ) 3) разделим переменные dP(t ) (t )dt и, проинтегрировав обе части P(t ) равенства, получим t 4) ln P (t ) (t )dt ; откуда 0 t P (t ) e ( t )dt 0 . (4.10) Уравнение (4.10) является основным уравнением теории надежности, оно позволяет по интенсивности отказов определить вероятность безотказной работы. Установлено, что для большинства сложных систем (машин, узлов) изменение интенсивности отказов носит характер кривой (рис. 4.1). I III II tp tn T t Рис. 4.1. Зависимость интенсивности отказов от времени наработки Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 41 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.3. Основы расчета показателей надежности Из графика видно, что во времени наработки изделия выделяется три периода: I – период приработки, характеризуемый повышенной интенсивностью отказов (tп – конец периода приработки); II – период нормальной эксплуатации, характеризуемый снижением интенсивности отказов и незначительным ее изменением; III – период усиленного изнашивания изделия и резкого возрастания интенсивности его отказов (tр – начало периода разрушения изделия). Перед эксплуатацией сложного изделия целесообразно проведение кратковременных сдаточных испытаний для отсева дефектов приработки. Замена старых узлов (деталей) новыми целесообразна только в периоде III. Вероятность безотказной работы изделия можно определить для любого промежутка τ после времени наработки изделия t. По теореме умножения вероятностей P(t+τ) = P(t)P(τ), (4.11) откуда P(τ) = . (4.12) Если известно, что изделие проработало без отказа время t, то P (t , ) Вер(t * t ) P (t ) , (4.13) . где t* – вероятно возможное время появления отказа. Таким образом, можно оценить вероятность безотказной работы в следующем периоде времени при P(t) = 1. 4.3.2. Законы распределения показателей надежности Экспоненциальный (показательный) закон. В основном периоде эксплуатации (период II, рис. 4.1) отказы происходят от случайных факторов (попадание посторонних предметов, сочетание внешних факторов и др.) и носят внезапный характер. Время же проявления отказа не связано с предыдущей наработкой изделия. Интенсивность отказов для этого периода может быть принята величиной постоянной (рис. 4.2, а). (t ) const . Тогда вероятность безотказной работы по уравнению (4.10) P(t ) e t . Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие (4.14) 42 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.3. Основы расчета показателей надежности Плотность распределения отказов f (t ) dP(t ) e t . dt (4.15) Среднее время безотказной работы 0 0 Tср P (t )dt e t dt 1 , (4.16) тогда P(t ) e t Tcр . (4.17) Экспоненциальный закон распределения отказов, выраженный формулами (4.14) и (4.17), справедлив для описания потока отказов с постоянной интенсивностью. Понятие потока отказов применяют для восстанавливаемых в процессе эксплуатации изделий. Величина Tср для потока отказов представляет среднюю наработку на один отказ. Рис. 4.2. Графики распределения случайных величин f (t) и показателей надежности – вероятности безотказной работы P(t) и интенсивности отказов λ(t) при распределениях: a – экспоненциальном; б – нормальном; в – Вейбулла Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 43 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.3. Основы расчета показателей надежности Для экспоненциального закона прогнозируемая вероятность безотказной работы не зависит от предыдущей наработки: P (t ) e ( t ) P ( , t ) t e . P (t ) e (4.18) Вероятность безотказной работы конструкции, состоящей из последовательно соединенных n независимых элементов, определяется по формуле P (t ) P1 (t ) P2 (t )...Pn (t ) . (4.19) Для экспоненциального закона P (t ) e t , (4.20) n где i – интенсивность отказов системы. i 1 Если в сборочной единице соединено параллельно n резервирующих элементов, то Pn (t ) 1 1 P1 (t ) 1 P2 (t ) ... 1 Pn i (t ) , (4.21) Закон нормального распределения показателей надежности. Закон применим для описания изменений показателей отказов, вызванных изнашиванием деталей, т. е. периода III по графику (рис. 4.1) и выражается кривыми зависимости показателей от времени (рис. 4.2, б). Плотность распределения f (t ) 1 e S 2 ( t t )2 2S2 , (4.22) где t (иногда обозначают mt) – математическое ожидание, S – среднеквадратическое отклонение. Значения mt и S оценивают по результатам испытаний по формулам mt t Ss ti ; N 1 ti t N 1 (4.23) 2 , Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие (4.24) 44 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.3. Основы расчета показателей надежности где t и s – оценки математического ожидания и среднеквадратического отклонения. Интегральная функция распределения: t F (t ) f (t )dt . (4.25) Вероятность отказа Q(t ) F (t ) . Вероятность безотказной работы P(t ) 1 F (t ) . (4.26) Вычисление интегралов заменили использованием таблиц, упростив эту процедуру допущением, что mt 0 и S = 1. Для такого распределения функция плотности в относительных координатах с началом на оси симметрии x2 1 2 f0 ( x) e . 2 (4.27) Функция имеет одну переменную x, величина которой центрирована, так как mx 0 и нормирована, Sk 1 . Для расчетов с использованием таблиц (из справочников по математической статистике) применяют подстановку x (t mt ) , S (4.28) где х обычно обозначается Uр и называется квантилью нормированного нормального распределения. f ( x) , функции распределения Плотность распределения f ( x) 0 S Q(t ) F0 (t ) и P(t ) 1 F0 ( x) определяются с помощью таблиц (табл. 4.1): Таблица 4.1 Значения функций f0(x) и F0(x) x 0 1 2 3 4 f0(x) F0(x) 0,3989 0,5 0,2420 0,8413 0,0540 0,9772 0,0044 0,9986 0,0001 0,9999 Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 45 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.3. Основы расчета показателей надежности Непосредственно значение Р(t) в зависимости от x Up t mt S в употребительном диапазоне можно найти в справочной и учебной литературе [9]. Часто вместо интегральной функции используют табличную функцию Лапласа (x) : F0 0,5 ( x) . (4.29) t mt Q(t ) 0,5 S (4.30) t mt P(t ) 0,5 . S (4.31) Тогда и При обработке статистических данных распределение параметров надежности может подчиняться законам усеченного нормального распределения и логарифмически нормального распределения. Первое получается при ограничении интервала изменения случайной величины при больших значениях S , во втором случае логарифм случайной векоэффициента вариации V mt личины распределяется по нормальному закону. Функция плотности усеченного распределения записывается как c f (t ) e s 2 (t t 0 ) 2 2S 2 , (4.32) где t0 – значение случайной величины, соответствующее максимуму f(t) и называемое модой; с – коэффициент пропорциональности, определяемый как c 1 . t0 F0 S Вероятность безотказной работы: t t P(t ) c F0 0 . S Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие (4.33) 46 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.3. Основы расчета показателей надежности Средний ресурс t mt t0 Sf * 0 , S (4.34) где f* – функция, определяется по таблицам справочников. Усеченному нормальному распределению подчиняется время безотказной работы при постепенных отказах изделий и их деталей, т. е. когда отказы происходят в результате износа, разрегулировки и т. д. В логарифмически нормальном законе плотность распределения описывается формулой f (t ) 1 e St 2 ln t 2 2S2 , (4.35) где и S t – параметры, представленные по результатам испытаний оценками * и s. Если N – число изделий, испытуемых до отказа, то St s ln t N ; 1 ln ti 2 . N 1 (4.36) (4.37) Значение P(t) определяют по квантили Up ln t . S (4.38) Закон Вейбулла. Распределение Вейбулла используют для определения показателей надежности главным образом в первый период эксплуатации (период приработки), а также в ряде случаев периода III (график на рис. 4.1). Распределение характеризуется функциями: плотности распределения (график на рис. 4.2, в): tm t0 m m 1 t e t0 вероятности безотказной работы (график на рис. 4.2, в): f (t ) P (t ) e t m / t0 ; Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие (4.39) (4.40) 47 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.3. Основы расчета показателей надежности интенсивности отказов (рис. 4.2, в): (t ) m m 1 t , t0 (4.41) где m > 0 – параметр формы, t0 > 0 – параметр масштаба. Если m = 1, то распределение Вейбулла превращается в экспоненциальное (функция (t) = const, а функция f(t) убывает). При m < 1 функции f(t) и (t) наработки до отказа убывающие. При m 1 функция f(t) становится одновершинной, а (t)– непрерывно убывающей. При m = 2 функция интенсивности отказов становится линейной, а в случае m = 3,3 распределение Вейбулла близко к нормальному закону. Закон Вейбулла широко используют для оценки надежности деталей и узлов автомобилей, подъемно-транспортных, нефтепромысловых и др. машин. Рис. 4.3. Теоретические кривые плотностей вероятностей распределения наработок до отказа f(t) элементов коробки передач и фрикционной муфты: 1– коническая шестерня (z = 17, m = 8 мм); 2 – коническое колесо (z = 34, m = 8 мм); 3 – цилиндрическая шестерня (z = 22, m = 7 мм); 4 – цилиндрическое колесо (z = 28, m = 7 мм); 5 – фрикционные вкладыши; 6 – диафрагма фрикционной муфты. Подчинение законам: кривые 1, 2, 4 –Вейбулла; 3 и 6 – экспоненциальный; 5 – логарифмически нормальный Институтами нефтяной и газовой отрасли проведен ряд исследований и испытаний оборудования, позволивших накопить статистические данные и определить законы распределения показателей надежности. Определены, например, законы распределения наработки на отказ по следующим видам оборудования: станки-качалки, насосные штанги, фонтанная арматура, подъем- Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 48 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.3. Основы расчета показателей надежности ные установки, насосные агрегаты для кислотной обработки, агрегаты для гидравлического разрыва пласта и т. д. [3]. На рис. 4.3 приведены теоретические кривые плотности вероятностей распределения наработок до отказа f(t) элементов коробки передач и фрикционной муфты. На рис. 4.4 представлены кривые плотности распределения наработок до отказа составных частей подъемных установок [3]. Рис. 4.4. Теоретические кривые плотностей вероятностей распределения наработок на отказ составных частей подъемных установок: 1 – основная лебедка (Азинмаш-37А); 2 – коробка передач типа 3АПТ; 3 – коробка передач типа 4АПТ; 4 – фрикционная муфта основной лебедки; 5 – конический редуктор; 6 – талевая система. Подчинение законам: кривые1, 4 – нормальный; 2, 3, 5 и 6 – Вейбулла На основе полученных материалов разработаны методики вероятностных расчетов создаваемой и модернизируемой техники, планирования сроков технического обслуживания и ремонтов. 4.4. Прогнозирование надежности нефтепромыслового оборудования при проектировании Прогнозирование надежности оборудования осуществляется на стадиях разработки технического предложения, эскизного и технического проектов. Исходная информация: 1) конструкторская документация для соответствующих стадий разработки; 2) статистические данные о надежности изделий-аналогов в эксплуатации; 3) результаты испытаний, включающие сведения о нагруженности деталей и сборочных единиц; 4) сведения об условиях эксплуатации геолого-технических, природноклиматических, организационных и т. д. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 49 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.4. Прогнозирование надежности нефтепромыслового оборудования при проектировании Прогнозируемые показатели надежности по стадиям проектирования и используемые методы их определения приведены в табл. 4.2 Таблица 4.2 Прогнозируемые показатели надежности по стадиям проектирования, используемые методы их определения Вид прогноза (стаОпределяемые дии проектов) показатели Предварительный P(t) и средняя нарапрогноз (техниче- ботка до отказа Tср ское предложение и эскизный проект) Окончательный Показатели безотпрогноз (техниче- казности (уточнение), ский проект) долговечности и ремонтопригодности, комплексные показатели Методы определения Расчетные и экспериментальнорасчетные методы с использованием опытно-статистические данных по изделиям-аналогам, экспертная оценка Расчетные методы с учетом предельного состояния деталей, режимов нагружения, кинематических и динамических характеристик, внешнего воздействия; методы исследовательских испытаний Буровые и нефтепромысловые машины и оборудование при прогнозировании их надежности рассматриваются как сложные системы, состоящие из функционально связанных элементов – деталей и сборочных единиц. Сложные системы могут быть соединены между собой последовательно (А), параллельно (с резервированием) (Б) или иметь смешанное соединение (В) (рис. 4.5). А Б В Рис. 4.5. Виды соединений в сложных системах Системы с последовательно соединенными элементами (подсистемами): УЭЦН, УВН, ШСНУ, трансмиссии буровых установок, забойные двигатели и т. д. Системы с резервированием: силовые блоки из нескольких двигателей, буровые насосы, манифольды ПВО и фонтанной арматуры, двойные системы торможения в транспортных средствах, дублированные системы смазки, Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 50 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.4. Прогнозирование надежности нефтепромыслового оборудования при проектировании сдвоенные системы контроля и управления технологических процессов, противоаварийных средств и др. системы в нефтедобыче. Смешанные системы: силовые блоки из нескольких параллельных двигателей и единой трансмиссии и приводимые ими исполнительные механизмы. На первом этапе (техническое предложение, эскизный проект) оценивают надежность минимальной структуры – укрупненной схемы, включающей сборочные единицы первого уровня и связи, отображающие его функциональное назначение. Если эта структура состоит из n последовательно соединенных подсистем (элементов), то ее вероятность безотказной работы n Pn (t ) П Pi (t ). i 1 (4.42) При введении в эту структуру избыточных резервных или обеспечивающих подсистем применяют формулы (4.42): для систем с параллельными элементами (схема Б) n Pc (t ) 1 Qi (t ), 1 (4.43) n где Qi (t ) Q1 (t )Q2 (t )...Qn (t ) – вероятность отказа всех элементов системы; 1 для смешанных систем (схема В): Pcc (t ) Pa (t ) Pb (t ) (4.44) где a Pa (t ) (1 Q (t )) Pb (t ). 1 (4.45) Алгоритм прогнозирования надежности нефтепромысловых машин: 1. Классификация деталей и сборочных единиц по степени ответственности и установление требований безотказности. 2. Выбор элементов системы, приводящих к ее отказам. 3. Выбор метода прогнозирования (зависит от этапа проектирования, точности исходных данных и принятых допущений). 4. Составление структурной иерархической схемы с расположением сборочных единиц и деталей по уровням в порядке подчиненности и отражением связей между ними (функциональных, силовых, кинематических). 5. Определение надежности элементов с разбиением по уровням на группы: Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 51 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.4. Прогнозирование надежности нефтепромыслового оборудования при проектировании элементы, показатели которых определяют расчетным методом; элементы с заданными показателями надежности; элементы, показатели которых надо определять опытно-статистическим методом или методами испытаний. 6. Определение надежности элементов которых определяется расчетными методами: выявляют спектры нагрузок и другие особенности эксплуатации, для чего составляют функциональные модели изделия и его элементов; устанавливают критерии отказов и предельных состояний и группируют элементы системы по этим критериям; выбирают методы расчета элементов системы для каждой из групп, составленных по критериям отказа и предельных состояний; проводят расчеты на прочность, долговечность, т. е. в соответствии с ГОСТ 27.301–83 «Надежность в технике. Прогнозирование надежности изделий при проектировании. Общие требования». 7. Проводятся сравнение показателей надежности отдельных деталей, сборочных единиц и комплексов по выбранным конструктивным схемам. 8. Делают вывод о пригодности системы. Если расчетные показатели ее надежности ниже заданных, то разрабатывают мероприятия по их повышению. 4.5. Нормирование показателей надежности Для каждого изделия целесообразно установление нормируемых значений показателей надежности на основе технико-экономического анализа. Основным критерием оптимальности определения нормативов безотказности является экономическая эффективность. Исключение составляет группа нефтепромыслового оборудования, отказы которого угрожают безопасности персонала. В табл. 4.3 приведен пример нормирования вероятности безотказной работы бурового оборудования в зависимости от классов его надежности [11]. Алгоритм определения нормируемых показателей: 1) выбор базового типа оборудования; 2) определение средней стоимости проектирования, изготовления базового оборудования и стоимости устранения одного отказа (по статистическим данным); 3) технико-экономический анализ и определение эффективности мероприятий по повышению надежности; 4) установление закона распределения времени безотказной работы и параметров распределения и средней наработки на отказ на основе статистических данных эксплуатации; Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 52 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.5. Нормирование показателей надежности 5) определение средней наработки до отказа оборудования после повышения его надежности. 6) расчетное определение нормируемых значений показателей безотказной работы P(t ) и интенсивности отказов (t ) за любое время t tp (где tp – время работы) и закона их распределения. Таблица 4.3 Вероятности безотказной работы бурового оборудования в зависимости от классов их надежности Класс надежности Характеристика отказов Наименование неисправного оборудования, сборочной единицы, детали Последствия из-за отказа 1 2 Внезапные отказы основных деталей и частей, недопустимые в процессе бурения 3 Несущие элементы талевой системы, тормозное устройство буровой лебедки, устройства для захвата и подвешивания труб Оборудование, обеспечивающее циркуляцию промывочной жидкости, привод и подъем инструмента 4 Возможные человеческие жертвы, значительный материальный ущерб Основная опора вертлюга, основная и вспомогательные опоры ротора, детали приводной части бурового насоса и др. Длительный простой и досрочная смена (до отработки установленного ресурса) оборудования в период бурения I Внезапные отказы основных деталей и частей, обеспечивающих выполнение основных технологических операций при проводке скважин II Отказы основных деталей и частей, приводящие к досрочной замене оборудования в период бурения III Возможность аварий и прихватов при бурении со значительным материальным ущербом Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие Оптимальное значение вероятности безотказной работы 5 Р > 0.99 Р > 0.99 Р>0.88 53 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.5. Нормирование показателей надежности Окончание табл. 4.3 1 2 3 Отказы оборудования из-за выхода из строя быстроизнашивающихся деталей и частей Детали гидравлической части бурового насоса, грязевый сальник вертлюга Отказы вспомоЧасти гидрогательного обору- циклонных усдования и инстру- тановок, мешамента лок, смесителей и др. IV V 4 5 Простои, связанные со сменой быстроизнашивающихся деталей бурового оборудования Непродолжительные простои оборудования с незначительным материальным ущербом Р(t > 200 ч) > 0.88 Р(t > 200 ч) > 0.75 4.6. Методы расчета показателей надежности Основным методом расчета показателей надежности при их прогнозировании и нормировании является статистический метод с использованием теории вероятностей. Исходными данными для расчета являются: результаты лабораторных и промышленных испытаний; статистическая информация, полученная при эксплуатации и ремонте оборудования. Основные виды испытаний на надежность: определительные (обычно приближены к стадиям разработки); контрольные (получают данные для подтверждения соответствия серийной продукции требованиям по надежности). Объемы испытаний для подтверждения заданных показателей надежности, ввиду их трудоемкости, значительных затрат и больших сроков проведения, сокращают путем: форсирования режимов; оценки надежности по малому числу и отсутствию отказов; сокращения числа образцов за счет увеличения длительности испытаний; использования разносторонней информации о надежности деталей и узлов машины. Объем испытаний, кроме того, может быть сокращен научным планированием эксперимента [9] и повышением точности измерений. Для невосстанавливаемых деталей, как правило, оценивают и контролируют P(t ) . Для восстанавливаемых – среднюю наработку на отказ Т и среднее время восстановления Твосс. Во многих случаях испытания на надежность необходимо проводить до разрушения. Испытывают не все изделия (генеральную совокупность), а не- Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 54 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.6. Методы расчета показателей надежности большую часть (выборку). Чтобы учесть возможное отличие, вводят понятие доверительной вероятности (достоверности) – вероятности того, что истинное значение оцениваемого параметра лежит в заданном интервале, называемом доверительным. Доверительный интервал для вероятности Р(t) ограничен нижней Р(t)н и верхней Р(t)в доверительными границами Вер[ P(t )н P(t ) P(t )в ] , (4.46) где Вер –вероятность события, – значение двусторонней доверительной вероятности. На практике используется односторонняя вероятность: Вер[ P(t )н P(t )] ; Вер[ P(t ) P(t )в ] (4.47) Вер(T Tв ) . (4.47) или Вер(Tн Т ) ; На стадии испытаний опытных образцов = 0,7–0,8, на стадии передачи разработки в серийное производство 0,9–0,95. В зависимости от используемого объекта и определяемых показателей надежности в ГОСТ 27.410–87 установлены 16 разновидностей планов испытаний на надежность. Например, в планах [NUT], [NUr], [NRr], [NRT] приняты обозначения: U – невосстанавливаемые и незаменяемые объекты при испытаниях в случае отказа; R – невосстанавливаемые, но заменяемые в случае отказа; N – число одновременно испытываемых объектов, r – число отказов, Т – время испытаний. Например, план [NUT] предусматривает одновременные испытания N объектов, отказавшие объекты не восстанавливают и не заменяют, испытания прекращают при истечении времени наработки Т. План [NRr] – одновременно испытывается N объектов, отказавшие во время испытаний объекты заменяются новыми, испытания прекращают при достижении числа отказавших объектов, суммарного по всем позициям числа r. ГОСТ 27.410–87 также регламентирует требования к расчетным, экспериментальным методам определения показателей надежности, факторы выбора методов и исходных данных для определения плана контроля показателей на всех стадиях разработки техники. В нем подробно расписаны порядок подготовки и проведения определительных и контрольных испытаний опытных образцов, установочных серий и испытаний на стадии серийного производства, порядок оформления программ и методик и отчетной документации по всем используемым методам. В приложениях к ГОСТ приведены обозна- Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 55 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.6. Методы расчета показателей надежности чения, термины и определения по всем 16 видам планов испытаний, примерное содержание программ и методик испытаний на надежность, применяемость видов испытаний. Планы контрольных испытаний приводятся в качестве обязательного приложения. Точечные оценки показателей надежности, параметры законов распределения и доверительные границы упомянутых оценок при принятых планах наблюдения определяются в результате обработки статистических данных и установления закона распределения. При обработке статистических данных, полученных при испытаниях или эксплуатационных наблюдениях, выполняются следующие операции: составляются вариационные ряды с группировкой данных по отказам; вычисляются параметры эмпирического распределения и строятся графики эмпирической функции плотности распределения f(x); выравнивается эмпирическое распределение по выбранному теоретическому закону распределения; эмпирические и теоретические функции распределения сравниваются по критериям согласия; определяются показатели надежности. Соответствие вида теоретического распределения эмпирическому распределению устанавливается применением критериев согласия. Наиболее распространены критерии 2 (Пирсона), (Колмогорова), t (Стьюдента). 1. Распределение Стьюдента позволяет оценивать генеральное среднее, когда генеральная дисперсия неизвестна. При этом число наблюдений n может быть очень малым (n = 2), поэтому здесь используются большие доверительные интервалы. В этом случае вместо квантиля нормального распределения Up рассматривается величина t xa n. S (4.49) При больших значениях n дисперсия S 2 (выборки) мало отличается от 2 (генеральной дисперсии) и величина t от Up. x n U1 p / 2 a x n U1 p / 2 , (4.50) где a – генеральное среднее; x – выборочное среднее. Но нельзя найти из наблюдений из-за необходимости проведения непомерного их объема. Поэтому используют распределение t ; вместо квантиля U1 p / 2 рассматривают табличный квантиль t1 p / 2 . В таблицах справочников даны значения t1 p / 2 для уровней значимости p от 0,2 до 0,001, т. е. вероятностей (1 p / 2) от 0,9 до 0,9995 для числа степеней свободы f 1 . Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 56 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.6. Методы расчета показателей надежности Например, для f 1 этот квантиль варьирует в пределах от 3,08 до 636,62, для f в пределах от 1,28 до 3,29. Односторонние доверительные оценки: a x S t1 p (ограничение сверху); n (4.51) a x S t1 p (ограничение снизу). n (4.52) 2. Критерий Пирсона или 2-распределение используют для оценки генеральной дисперсии с помощью выборочной дисперсии. Для выборки с элементами x1, x2... xn: 2 x x i , i 1 2 n (4.53) исключая связь x , число степеней свободы f n 1. Плотность 2-распределение зависит только от числа степеней свободы f (рис. 4.6). Так как 2 0, то плотность φ(χ2) рассматривают только в интервале 0, . ( 2 ) 0,25 0,2 f=2 0,15 0,1 0,05 f=4 f=10 0 5 10 15 20 25 30 35 2 Рис. 4.6. Зависимость плотности χ2-распределения от числа степеней свободы ƒ При доверительной вероятности 1 p двусторонняя доверительная оценка 2p 2 2 12 p / 2 . Односторонняя оценка 2 12 p или 2 2p . Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 57 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.6. Методы расчета показателей надежности Квантили 12 p для различных уровней значимости p даны в таблицах 2 справочников для значений f 1–30. Если f 30, то 1 p 1 2 2 f 1 U1 p 2 и U 1 p берут по таблице [9]. Для уровней значений p от 0,3 до 0,99 род. см; 12 p находится в пределах от 0,00016 до 24,9. Связь между 2 и S 2 выражается формулой 2 2 1 n 2, S xi x n 1 i 1 f 2 (4.54) т. е. 2 fS 2 2 , (4.55) где f n 1 , отсюда fS 2 fS 2 2 12 p / 2 2p / 2 . (4.56) На практике при значениях f 30 распределение случайной величины считается нормальным, поэтому используется квантиль U1 p . Для сравнения эмпирического распределения с предполагаемым нормальным распределением сравнивают числа n и npi . Оказывается, что при условии npi 5 k ni npi 2 i 1 np i 2 имеет приближенно 2-распределение с (4.57) f k 3 степенями свободы (3 связи – две из них x и S , третья заключена в k pi 1 , k – число интерва- i 1 лов. 3. Критерий Колмогорова очень удобен, так как позволяет сравнивать графики интегральных функций распределения статистического и теоретического и получить величину D1 n , Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие (4.58) 58 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.6. Методы расчета показателей надежности где D 1 – максимальная абсолютная величина разности между теоретической и эмпирической функциями распределения: D1 maxFn ( x) F ( x) , (4.59) где n – объем выборки. Если 1 p , найденного по таблице квантили 1 p распределения Колмогорова, то функция соответствует выбранному уровню значимости p ; если 1 p , то не соответствует. 4.7. Надежность нефтепромысловой техники по основным критериям Работоспособность деталей машин характеризуется по следующим основным критериям: прочности, износостойкости, жесткости, теплостойкости, вибрационной стойкости и точности. Расчеты по ним выполняются с целью сопоставления расчетных параметров с их предельными величинами, т. е. с пределами прочности ( в , т, 1д , в , т , 1д ), предельными нагрузками, предельными перемещениями (упругими, износными, температурными), теплостойкостью масла и материалов, предельными частотами и амплитудами колебаний, динамической устойчивости. Предельные величины берутся из справочников и по нормативным данным или устанавливаются испытаниями или наблюдениями в условиях эксплуатации. Условие работоспособности в общем виде можно записать формулой: Y Ylim / n , (4.60) где Y – расчетный параметр критерия; Ylim – его предельное значение; n– коэффициент безопасности. При вероятностных расчетах величины Y и Ylim рассматриваются как случайные величины, а мерой надежности является вероятность безотказной работы Р по заданному критерию. Для обеспечения 50 %-ной вероятности Y Ylim 0, (4.61) а для обеспечения вероятности Р: Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 59 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.7. Надежность нефтепромысловой техники по основным критериям Y Ylim U p S ; (4.62) где Up– квантиль нормального нормированного распределения; Y и Y lim – средние значения величин Y и Ylim ж, S – среднеквадратичное отклонение разности двух случайных величин Y и Ylim, определяемое как 2 S SY 2lim SY . (4.63) Обычно принимают разность Y Ylim как распределенную по нормальному закону. Вероятность безотказной работы Р по заданному критерию следует определять в зависимости от квантили: Up Ylim Y 2 SY2 Slim . (4.65) Разделив числитель и знаменатель этой дроби на Y и введя коэффици- S Ylim S Y енты вариации Vlim lim и VY Y , получим выражение Up n 1 2 n 2Vlim VY2 . (4.66) Параметр Y может быть представлен как зависимость от случайных факторов X 1 , Х 2 ..., Х n . Числовые характеристики распределения случайных факторов X i и Si , где i = 1, 2, ... n, определяются по справочникам, а в отдельных случаях, на основе специальных экспериментов. До накопления данных эти характеристики можно оценивать по предельным значениям фактора, тогда среднее значение X i и среднее квадратичное отклонение Si находят по формулам: Xi Si X i max X i min ; 2 X i max X i min , d (4.66) (4.67) где d – коэффициент, учитывающий объем испытаний N и который можно определить из таблицы. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 60 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.7. Надежность нефтепромысловой техники по основным критериям N............. 2 d 1,13 5 10 2,3 3,1 15 20 3,5 3,7 30 4,1 50 4,5 100 5,0 Для факторов с нормированными максимальными и минимальными значениями X i полагают, что поле допуска покрывается интервалом 6 S i , тогда Si X i max X i min . 6 (4.68) В данном случае вероятность Р нахождения значения фактора в пределах допуска 0,997. Для других значений вероятности Р значение Si определяют по формуле Si X i max X i min , 2U p (4.69) где 2U p выбирают в зависимости от Р: Р..........0,9 0,95 2U p ...3,29 3,92 0,98 4,66 0,99 5,16 0,995 5,62 0,999 6,32 Здесь Up-абсолютное значение квантили нормированного нормального распределения случайной величины. 4.8. Нестационарный режим нагружения элементов оборудования и методы расчета их надежности по критериям прочности и выносливости Значительная часть бурового и нефтепромыслового оборудования работает в условиях нестационарного режима нагружения, испытывая переменные во времени циклы напряжений (нагрузок). Поэтому при конструировании основных видов рассматриваемого оборудования выполняются расчеты их деталей на выносливость. При расчетах используются следующие обозначения: циклы действующих нагрузок: симметричный – с напряжением от – σmax до +σmax; пульсирующий – с напряжением от σ = 0 до σmax; асимметричный – общий случай с напряжениями m a . При симметричном цикле R = –1; при пульсирующем R = 0; при асимметричном знакопеременном асимметричном цикле 1 R 1 , при знакопостоянном асимметричном цикле 0 R 1. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 61 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.8. Нестационарный режим нагружения эл-ов оборудования и методы расчета их надежности по критериям прочности и выносливости Среднее напряжение цикла m Амплитуда цикла a max min . 2 max min . 2 Размах колебаний напряжений цикла – величина 2σа. min Коэффициент асимметрии цикла R . max Предел неограниченной выносливости σR или (σR)∞ – максимальное напряжение, при котором не происходит усталостное разрушение при бесконечном числе циклов нагружения. Предел ограниченной выносливости (σR )Nб – максимальное напряжение соответствующее заданной (базовой) долговечности Nб. Коэффициент чувствительности материала детали к асимметрии цикла – 1 max m либо принимают по справочным данным в завиm симости от предела прочности материала. Вероятная долговечность оборудования, работающего в режиме переменных напряжений, рассчитывается чаще по методу эквивалентных нагрузок. Метод заключается в замене истинной нагрузки G эквивалентной нагрузкой Gэ. при базовом числе циклов нагружения N0, что учитывается введением коэффициента эквивалентности Kэ. Этот коэффициент выводится из уравнения кривой выносливости: im N i Эm N 0 ; Э max M ( i m N i max K Э ) max N 0 (4.70) (4.71) или PЭ Pmax KЭ . (4.72) Коэффициент эквивалентности определяют расчетом на основе статистических данных о нагрузках в процессе эксплуатации и количестве циклов их повторения в продолжение одного блока нагружения. За один блок может быть принято выполнение типовой единицы продукции (одна скважина типовая, объем добытой продукции и т. д.). Практические пределы изменения коэффициента эквивалентности в зависимости от вида детали принимаются при расчетах 0,5 K Э 1 . Запасы прочности при нестационарном режиме нагружения для симметричных циклов переменных напряжений Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 62 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.8. Нестационарный режим нагружения эл-ов оборудования и методы расчета их надежности по критериям прочности и выносливости n 1Д aЭ 1Д a K Э , (4.73) для асимметричных циклов напряжений n 1Д aЭ д m 1Д a K Э Д m . (4.74) Расчетные и предельные значения напряжений рассматриваются так же, как независимые случайные величины, распределяемые по нормальному закону, и должны быть заданы численными характеристиками: средними значениями амплитуд напряжений, средними квадратичными отклонениями Sа и S1Д или коэффициентами вариации Va и V-1Д. Вероятность неразрушения P= Вер(σa < σдоп ) определяется по таблице квантили нормированного нормального распределения: Up 1D a S 21Д Sa2 n 1 n 2V21Д Va2 . (4.75) Коэффициенты вариации напряжений (нагрузок), определенные экспериментальным путем, приводятся в справочной литературе. 4.8.1. Особенности расчета надежности валов 1. Валы могут при работе иметь несколько опасных зон, разнесенных по их длине. Основные нагрузки валов – моменты вращения от установленных на них зубчатых колес, цепных звездочек, шкивов, муфт. Для валов барабанов лебедок еще учитывается в качестве нагрузки натяжение каната (от допускаемой нагрузки на крюке веса подвижных частей талевого механизма). 2. Рассматривается безотказность работы валов под совокупным воздействием напряжений изгиба и кручения, изменяющихся по разным циклам. Так, при расчете нормальных напряжений от изгиба сечений подъемного вала буровой лебедки, валов и осей, расположенных между подъемным валом и двигателями, валов привода ротора и его быстроходного вала принимают коэффициенты асимметрии Rσ = –1 (симметричный цикл). По касательным напряжениям от крутящего момента расчет ведется с коэффициентом асимметрии Rτ = 0 (отнулевой цикл). Для трансмиссионного и кривошипного валов насосов, а также валов их привода принимаются при расчетах Rσ = –1, Rτ = 0,25 (асимметричный цикл). Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 63 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.8. Нестационарный режим нагружения эл-ов оборудования и методы расчета их надежности по критериям прочности и выносливости 3. Коэффициенты запасов выносливости по нормальным и касательным напряжениям рассчитываются по приведенным выше формулам. Запас выносливости вала при совокупном действии нормальных и касательных напряжений определяется по формуле n n n n2 n2 . (4.76) Вероятность безотказной работы вала P(t) с данным запасом выносливости определяется по квантили нормированного нормального распределения Up n 1 n 2 V21Д Va2 , (4.77) где V1Д , Va коэффициенты вариации предела выносливости и нагрузки соответственно; Va коэффициент вариации нагрузки для буровых и нефтепромысловых машин может быть принят в пределах 0,1–0,3. В валах нормальные напряжения значительно превосходят касательные, поэтому их коэффициенты вариации принимаются как общие и определяются по формуле V1Д V12 V22 V32 , (4.78) где V1 коэффициент вариации предела выносливости деталей из материала одной плавки при отсутствии рассеяния размеров, обычно V1 0,03 0,1; V2 коэффициент вариации, учитывающий межплавочное рассеяние пределов выносливости образцов, V2 0,08; V3 коэффициент вариации теоретического коэффициента концентрации напряжений. Если вал имеет несколько опасных зон, то вероятность его безотказной работы может быть оценена как произведение вероятностей неразрушения во всех опасных зонах 4.8.2. Особенности расчета надежности подшипников качения Работоспособность подшипников качения в машиностроении характеризуется динамической грузоподъемностью, представляющей собой ограниченный предел выносливости подшипника при вероятности разрушения 10 % [P(t) = 0,9] и базовом числе оборотов вращения обоймы No = 106 циклов. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 64 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.8. Нестационарный режим нагружения эл-ов оборудования и методы расчета их надежности по критериям прочности и выносливости Для расчета подшипников качения нефтепромысловых машин требования к работоспособности подшипников в ряде случаев значительно выше. Например, вероятность разрушения подшипников механизмов талевой системы буровых установок допускается в пределах 2–4 %, т. е. вероятность безотказной работы [P(t)] = 0,96–0,98–при Nо = 18·106 циклов. Для подшипников вертлюгов [P(t) ]= 0,94–0,96 при том же значении Nо . Данное условие учитывается соответствующими коэффициентами в формулах для определения эквивалентных нагрузок на подшипники. Ниже дан алгоритм расчета подшипников качения опор механизмов буровой установки: 1. Ввести в программу расчета: а) тип и схему механизма с указанием исходных данных по размерам и нагрузкам; б) требуемый ресурс, который для подшипников опор шкивов талевой системы, вертлюга и стола ротора принимают равным T = 3000 ч при средней частоте вращения кольца n = 100 мин-1; в) диаметр посадочной поверхности вала (оси) d, мм; г) максимальную рабочую нагрузку на подшипник Qр, кН; д) из справочной литературы расчетные коэффициенты: влияния перегрузок Kп, безопасности Kб, температуры Kt, кинематический коэффициент ν, учета вероятности безотказной работы Ko и эквивалентности KЭ; е) показатель степени p = 3 для шарикоподшипников, p = 10/3 – для роликоподшипников. 2. Пересчитать заданный ресурс в часах на миллионы оборотов (циклов) с учетом средней частоты вращения n по формуле L 60Tn / 106. (4.79) 3. Вычислить эквивалентную динамическую нагрузку QЭ Qр K П K б K 0 K Э . (4.80) Рабочую нагрузку QР, в зависимости от типа подшипника и направления нагрузки, определить по формулам из соответствующих источников. 4. По справочнику подобрать подшипник с соответствующей динамической грузоподъемностью, близкой к эквивалентной динамической нагрузке Q Э в следующих соотношениях [5, 6]: а) средняя динамическая грузоподъемность подшипников стола и быстроходного вала ротора может быть принята по ГОСТ 18555–82 для роликоподшипников CСР 1,46C90 , для шарикоподшипников CСР 1,52C90 ; б) динамическая грузоподъемность роликоподшипника быстроходного шкива кронблока должна быть Сr = 2.36Qэ; Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 65 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.8. Нестационарный режим нагружения эл-ов оборудования и методы расчета их надежности по критериям прочности и выносливости в) динамическая грузоподъемность подшипников опор вертлюгов принимается Ca = 1,9 QЭ. 6. Коэффициент запаса по нагрузкам n CСР . QЭ L1/ p (4.81) Данная формула получена из предположения, что вероятность безотказной работы может быть обеспечена при соблюдении условия QЭ L1/ p CСР . (4.82) 7. Вероятность безотказной работы подшипника определяют по квантили нормированного нормального распределения Uр n 1 n 2 VC2 VQ2 , (4.83) где VC и VQ – коэффициенты вариации соответственно динамической грузоподъемности подшипника и эквивалентной динамической нагрузки на подшипник. Для роликоподшипников принимают VC 0,25 , для шарикоподшипников VC 0,27. Коэффициент вариации нагрузки VQ 0,1 0, 3. Примечание: Динамическая грузоподъемность и ресурс подшипников как случайные величины распределены по закону Вейбулла. На практике для упрощения расчетов распределение этих параметров аппроксимируют нормальным законом. Корректность такого допущения подтверждена почти совпадающими кривыми графиков обоих законов. 4.8.3. Алгоритм расчета надежности зубчатых передач 1. Ввод начальных исходных данных: а) схема передачи; б) вращающий момент на шестерне T1, Н·м; в) частота вращения шестерни n, мин-1; г) передаточное число U; д) время работы передачи (ресурс) L, ч; е) характеристики материала колес (марка стали, термообработка, твердость зубьев (HB, HRC) предел текучести σT. 2. Ввод данных, полученных при проектировочном расчете зубчатых передач (ЗП): Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 66 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.8. Нестационарный режим нагружения эл-ов оборудования и методы расчета их надежности по критериям прочности и выносливости а) предел контактной выносливости материала колес H lim , допускаемые контактные напряжения для шестерни и колеса H1, H 2 ; предел выносливости F lim при нулевом цикле напряжений изгиба, допускаемых напряжениях изгиба зубьев шестерни и колеса F1, F 2 ; б) геометрические параметры элементов ЗП: межосевое расстояние aw, диаметры делительных окружностей d1, d2, ширина венца b1, b2, модуль передачи m, число зубьев z1, z2; углы наклона зубьев косозубых и шевронных колес; в) силы в зацеплении: окружная Ft, радиальная Fr, осевая Fa. 3. Расчетные коэффициенты, определяемые по справочной и методической литературе: Z коэффициент влияние углов наклона зубьев на напряжения контакта для прямозубых колес Z 9600 МПа, для косозубых Z 8400 МПа; KH – коэффициент нагрузки при контакте зубьев (случайная величина) находится как произведение случайных величин – коэффициентов, учитывающих распределение нагрузки по ширине венца KHβ; динамическую нагрузку, возникающую в зацеплении KHV; распределения нагрузки между зубьями KHα; внешней нагрузки KA: K H K H K HV K H K A ; (4.84) KF– коэффициент нагрузки при изгибе, рассматривается как случайная величина со структурой, аналогичной коэффициенту KH: K F K F K FV K H K A ; (4.85) YFS – коэффициент, учитывающий форму зуба и концентрации напряжений в зависимости от числа зубьев и смещения инструмента, Yβ – коэффициент учитывает наклон зуба; Yε – коэффициент перекрытия зубьев, для косозубых передач 0,65. Определяются и вводятся также коэффициенты вариации случайных величин. 4. Уточняются расчетные значения контактных напряжений зубьев по формуле (могут быть определены на предыдущих стадиях проектирования): H ZH aw K HT 1(u 1) , b2u (4.86) и напряжений изгиба на переходной поверхности зубьев колеса: Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 67 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.8. Нестационарный режим нагружения эл-ов оборудования и методы расчета их надежности по критериям прочности и выносливости F 2 K F F1 YFS 2YY , b2 m (4.87) в зубьях шестерни: F1 F 2 YFS1 . YFS 2 (4.88) 5. Определяются запасы контактной выносливости зубчатой пары зубьев при изгибе: nH H H и nF F H . (4.89) 6. Находятся квантили нормированного нормального распределения и соответствующие вероятности безотказной работы передачи по критериям контактной выносливости и выносливости при изгибе: Up( H ) nH 1 nH2 VH2 V2H и Up( F ) nF 1 nF2 VF2 V2F , (4.90) где VH ,V F коэффициенты вариации пределов выносливости соответственно при контактной усталости и при изгибе; VH ,VF – коэффициенты вариации нагрузки соответственно при контактной усталости и усталости от переменных напряжений изгиба. Коэффициенты вариации пределов выносливости и коэффициенты вариации нагрузки определяются из справочной и методической литературы. Их величина зависит от вида термообработки колес, твердости поверхности, числа зубьев, геометрических параметров и т. д. 7. По квантилям нормированного нормального распределения находятся вероятности безотказной работы ЗП по критериям сопротивления усталости от контактных напряжений PH и изгиба PF. Надежность ЗП по совокупности критериев усталости можно оценить вероятностью безотказной ее работы P PH PF . (4.91) В некоторых случаях, считая, что простое перемножение вероятностей даст заниженные результаты, предлагают другие формулы для уточненных расчетов вероятности безотказной работы зубчатых передач в комплексе с учетом двух и более критериев [10]. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 68 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.8. Нестационарный режим нагружения эл-ов оборудования и методы расчета их надежности по критериям прочности и выносливости 4.8.4. Расчет надежности приводных цепей Цепь рассматривают как систему из n звеньев, имеющую несущую способность, распределение которой как случайной величины аппроксимируют по нормальному закону. Вероятность безотказной работы системы после этого находят по квантили нормального распределения, представляющего собой разность двух нормально распределенных случайных величин – несущей способности системы и нагрузки на нее. Примем, что математические ожидания распределений несущей способности элементов Rk и нагрузки на систему F равны соответственно mRk и mF, а среднеквадратические отклонения соответственно SRk и SF .Тогда, учитывая, что значения математических ожиданий и среднеквадратических отклонений у системы ниже, чем у ее элементов, для распределения несущей способности системы можно принять: mR mRkk S Rk ; (4.92) SR SRk , (4.93) где – параметр положения, – параметр рассеяния, зависящие от числа звеньев в цепи. Параметр зависит также от квантиля Up . Обычно μ > 0 , 0 1 определяются по таблицам справочной литературы [10]. Разность несущей способности системы цепи и нагрузки на нее описывается нормальным распределением с математическим ожиданием mR mF и среднеквадратическим отклонением: S S R2 S F2 . (4.94) Тогда квантиль нормального закона, характеризующая вероятность безотказной работы системы P ( R F ) можно выразить формулой Uр mR mF S R2 S F2 mRk S Rk mF ( S Rk ) 2 S F2 . (4.95) Вместо среднеквадратических отклонений рассматривать можно соответствующие коэффициенты вариации. Условный запас прочности по средним значениям можно тогда выразить как n mRk . mF (4.96) Математическое ожидание распределения несущей способности системы: Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 69 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.8. Нестационарный режим нагружения эл-ов оборудования и методы расчета их надежности по критериям прочности и выносливости mR mRk (1 VRk ). (4.97) Коэффициент вариации несущей способности системы: VR VRk , 1 VEk (4.98) тогда Uр n (1 VRk ) 1 ( nVRk ) 2 VF2 . (4.99) Поскольку коэффициенты и зависят от Up, расчеты по данной формуле ведут методом последовательных приближений. Первым приближением для определения этих коэффициентов принимают U p 1, 281, соответствующее вероятности P 0,900. 4.9. Методы повышения надежности при проектировании Надежность оборудования закладывается при его проектировании, реализуется при изготовлении и поддерживается в эксплуатации. Различают схемные и конструкционные методы обеспечения надежности в процессе проектирования [11]. Схемные методы: 1) анализ прототипов и разработка схем оборудования с минимально необходимым количеством элементов; 2) резервирование; 3) оптимизация последовательности включения в работу элементов схем; 4) предварительный расчет надежности проектируемой схемы (прогнозирование). Конструкционные методы: 1) упрощение кинематической схемы оборудования; 2) обеспечение равнопрочности основных деталей и сборочных единиц; 3) правильный выбор материалов; 4) обоснованный выбор элементной базы – элементы должны иметь малую интенсивность отказов при заданных режимах эксплуатации; 5) обеспечение благоприятных условий эксплуатации; 6) рациональный выбор системы контроля основных параметров. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 70 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.10. Новые методы экспериментально-расчетной оценки показателей надежности нефтепромыслового оборудования на основе непараметрической статистики Сложившаяся многолетняя практика определения показателей надежности, прежде всего важнейших из них – вероятности безотказной работы и наработки на отказ (до отказа), базируется на методах параметрической статистики. На основе имеющейся информации при планировании испытаний оборудования принимают, что функции плотности распределения случайной величины должны соответствовать определенным законам: нормальному, логарифмически нормальному, экспоненциальному, Вейбулла, -распределения и т. д. (известны десятки законов распределения). Или полученные экспериментальные кривые с неизвестными параметрами аппроксимируют, используя упомянутые ранее критерии согласия, теоретическими кривыми, приближая их к перечисленным законам распределения. Но такой способ восстановления неизвестной функции плотности распределения не учитывает в значительной мере реальное распределение случайных величин и, соответственно, снижает достоверность результатов расчета. Исследования прочностной надежности магистральных газопроводов и других объектов, проведенные Тюменским государственным нефтегазовым университетом (ТГНГУ), убедительно доказали наличие двух и более экстремумов функций плотности распределения напряжений σ, возникающих под воздействием внешних факторов (давление и температура), и их предельных величин s, при достижении которых происходит усталостное разрушение. Можно усомниться и в достаточной степени достоверности принимаемых априори законов распределения. Оценка надежности потенциально опасных объектов по изложенным принципам, т. е. с использованием параметрической статистики, может привести к серьезным последствиям, особенно в случаях оценки вероятного уровня максимальных напряжений в конструкциях и вероятных запасов прочности. Подобные неточности, очевидно, неизбежны и при оценке надежности по другим критериям работоспособности объектов. Поэтому в данное время весьма актуальной становится задача внедрения методов теории непараметрической статистики для расчетов показателей надежности оборудования. В рамках этой теории для восстановления неизвестной функции плотности распределения разработан ряд методов: Парзена – Розенблатта, гистограмм, разложения по базисным функциям, «гребенка» и т. д. Исследования ТГНГУ позволили разработать на основе методов Парзена – Розенблатта комплекс программ и алгоритмов по восстановлению неизвестных функций распределения напряжений f ( ) , действующих в сечении трубопроводов, и предельных значений напряжений f s (S ) , полученных Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 71 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.10. Новые методы эксперим.-расчетн. оценки показателей надежности нефтепромыслового оборуд-я на осн. Непараметрич. статистики при испытаниях стальных образцов из материала труб на основе имеющихся статистических выборок : (4.100) s j j 1, N . i i 1, N ; Комплекс программ по восстановлению неизвестной функции распределения базируется на основе 9 функций распределения, используемых в качестве «ядерных», которые приведены в табл. 4.4. Таблица 4.4 Функции распределения (ядерные) 1. Нормальное K1 (t ) 1 t2 exp( ) 2 2 4. Коши K 4 (t ) 1 1 ] 1 t2 [ 7. Равномерное K 7 (t ) 1 ..., t 1 2 3. Фишера t sin( ) 1 2 ] [ K 3 (t ) 1 2 2 2. Лапласа 1 K 2 (t ) exp( t ) 2 6. Епанчикова 5. Логистическое K 5 (t ) e t (1 e t ) 2 K 6 (t ) 8. Треугольное K 8 (t ) 1 t , t 1 t2 ) s ,t 5 4 5 3(1 9. Квадратичное K 9 (t ) 3(1 t 2 ) , t 1 4 Для каждой из этих функций выведен критерий отбора – информационный функционал: j ln[ K (t ) f (t )]dt ln[ K (t )]dF (t ), (4.101) максимальное значение которого соответствует условию Ki(t)=fi(t). Для нахождения этого значения в ТГНГУ разработаны численные методы на основе пакета программ MathCad. Расчет ведется по каждой ядерной функции, таким образом, определяется оптимальное ядро. Расчет предполагает в каждом случае нахождение оптимального значения параметра «размытости» hn (ширина «окна» – ширина непересекающихся интервалов, на которые разбит интервал выборки случайной величины Х). Например, при использовании нормального распределения в качестве ядерной функции (при выборке xi , i 1, N ) значение этого параметра задается формулой Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 72 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.10. Новые методы эксперим.-расчетн. оценки показателей надежности нефтепромыслового оборуд-я на осн. Непараметрич. статистики * hN DN N 1 5, (4.102) где DN – дисперсия заданной выборки. Применение на практике метода ядерных функций требует определения параметра «сглаживания» («размытости») для каждой из девяти ядерных функций, причем наилучшей может оказаться любая из них. Поэтому при оценке плотности вероятности необходимо исследовать всю имеющуюся совокупность ядерных функций. На рис. 4.7 приведен пример результатов. Рис. 4.7. Результаты восстановления функции плотности распределения напряжений в трубопроводе с использованием девяти ядерных функций при N = 500 Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 73 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.10. Новые методы эксперим.-расчетн. оценки показателей надежности нефтепромыслового оборуд-я на осн. Непараметрич. статистики В ТГНГУ разработаны программа и алгоритм восстановления неизвестной функции плотности распределения на основе метода структурной минимизации эмпирического риска. Этот метод также называют методом разложения по системе тригонометрических функций. В данном случае функцию плотности распределения f(t) определяют путем измерения функции распределения F(t), связанной с первой функцией операторным уравнением. Решение этого уравнения разложимо в ряд по системе функций 1 (t ), 2 (t ), ... m (t ) : f ( t ) j j ( t ). i 1 (4.103) Оценкой данной искомой функции при реализации метода структурной минимизации эмпирического риска будет M f M (t ) j j (t ), (4.104) j (t ) cos[(2 j 1) t ], 2 (4.105) i 1 где t [0;1] ; j – коэффициенты разложения; j 1, M . Число членов разложения функции плотности распределения в ряд по системе тригонометрических функций устанавливается в процессе минимизации функционала эмпирического риска По данному методу также может быть использован информационный функционал J M ln[ f M (t ) f (t )]dt ln[ f M (t )]dF (t ), (4.106) максимум которого соответствует выполнению условия fM(t)=f(t). Результаты вычислений по методу структурной минимизации риска более эффективны при восстановлении неизвестной функции плотности распределения по сравнению с методом ядерных функций, начиная с выборки N = 100. На основе методов непараметрической статистики в ТГНГУ разработаны и реализованы программы обработки данных усталостных испытаний образцов сталей, из которых изготавливаются детали промыслового оборудования. Результаты позволили определить функции плотности распределения числа циклов N до разрушения образцов при различном уровне напряжений σ Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 74 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.10. Новые методы эксперим.-расчетн. оценки показателей надежности нефтепромыслового оборуд-я на осн. Непараметрич. статистики и различных границах доверительных интервалов. Их сопоставление с данными, полученными при использовании традиционного метода оценки, базирующегося на нормальном законе распределения, показало несравнимо высокую достоверность. Разработаны и реализованы программы расчета вероятности безотказной работы на основе восстановленных непараметрическими методами функций плотности распределения действующих и предельных напряжений, вероятности безотказной работы действующего трубопровода на основе данных прочностных испытаний стали. На рис. 4.8 показана восстановленная функция плотности распределения напряжений σ одного из 15 участков компрессорных станций магистрального трубопровода Уренгой – Сургут – Челябинск. .. Рис. 4.8. Функции плотности распределения напряжений σ труб участка компрессорной станции Аганская На рис. 4.9 показана восстановленная функция плотности распределения числа циклов до разрушения N труб этого же участка. Рис. 4.9. Функции плотности распределения числа циклов до разрушения N труб участка компрессорной станции Аганская Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 75 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 4.10. Новые методы эксперим.-расчетн. оценки показателей надежности нефтепромыслового оборуд-я на осн. Непараметрич. статистики Графики восстановленных функций плотности распределения σ и N, построенные для других участков трубопровода, отличаются от приведенных существенно в связи с влиянием таких случайных факторов, как давление и температура продукции, толщина и материал труб и т.д. На основе обработки графиков произведена оценка ожидаемых вероятности безотказной работы и долговечности трубопровода. Разработанные методики и программы достаточно универсальны и применимы для оценки надежности деталей сложной геометрической формы, подвергаемых совокупному воздействию силовых и температурных деформаций. Например, выполнен расчет вероятности безотказной работы корпуса трубопроводной арматуры. С помощью разработанной методики оценки надежности проведены различные исследования влияния на долговечность трубопроводов: геометрических параметров труб и механических характеристик их материала, внешних условий эксплуатации (давление, температура) и т. д. В частности, установлено, что при уменьшении толщины стенки трубы на 2 мм прогнозируемый ресурс трубопровода на наиболее нагруженном участке снижается в 3–3,5 раза, уменьшении давления в трубопроводе с 7,6 до 6,6 МПа (на 1 МПа) расчетный срок службы увеличивается более чем в 10 раз. Расчеты показали, что ресурс работы трубопровода увеличивается в 1,3 раза при понижении температуры перекачиваемого газа с 21 до 16 °С. Крупной практической реализацией метода непараметрической статистики является расчетная оценка прочностной надежности 15 участков магистрального газопровода Уренгой – Сургут – Челябинск и разработка на этой основе объемов аварийных запасов труб. Контрольные вопросы 1. Факторы, влияющие на качество и надежность нефтепромыслового оборудования. 2. Что такое безотказность и долговечность, какими показателями определяются эти свойства? 3. Что такое ремонтопригодность и сохраняемость оборудования? Какими показателями характеризуются эти свойства? 4. Охарактеризуйте комплексные показатели надежности. 5. Что такое случайная величина и функция ее распределения в аспекте надежности машин? Числовые характеристики случайных величин. 6. Как определяется вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и наработки на отказ и до отказа? Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 76 4. НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ Контрольные вопросы 7. Отличительные признаки основных теоретических законов распределения случайных величин (экспоненциальный, нормальный, Вейбулла). 8. Как строятся планы испытаний машин? 9. Сущность доверительной вероятности оценки показателей надежности при испытаниях. 10. Как прогнозируется надежность нового оборудования? 11. Как оценивается работоспособность оборудования по основным критериям? 12. В чем заключается сущность восстановления функций плотности распределения случайных величин методами непараметрической статистики? Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 77 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.1. Основные понятия и термины Технологичность конструкций изделия (ТКИ) – свойство качества изделий, характеризующее приспособленность их конструкций к достижению оптимальных затрат ресурсов в производстве и эксплуатации. Технологическая рациональность конструкции изделия – совокупность ее свойств, выражающих уровень соответствия принятых технологических решений условиям производства, эксплуатации и ремонта. Она характеризует возможность изготовления продукции из имеющихся в распоряжении производителя и потребителя трудовых, материальных и др. ресурсов. Преемственность конструкции изделия – совокупность ее свойств, выражающих технологичность с точки зрения единства повторяемости и изменяемости принятых в конструкции инженерных решений. Преемственность касается повторяемости составных частей в данном исполнении изделия и применяемости новых составных частей, обусловленных требованиями к функциональному назначению, условиям производства и/или эксплуатации (конструктивная преемственность). Преемственность также касается единства повторяемости и изменяемости методов выполнения, поддержания и восстановления элементов конструкции изделия, учитываемых при его конструировании (технологическая преемственность). Обеспечение ТКИ – подготовка производства, включающая комплекс мероприятий по управлению процессом обеспечения технологичности и совершенствованию условий выполнения работ при производстве, эксплуатации и ремонте изделия. Отработка конструкции изделия на технологичность – часть работ по обеспечению ТКИ, направленная на достижение заданного уровня технологичности и выполняемая на всех стадиях разработки изделия. Технологический контроль конструкторской документации (КД) – контроль с целью проверки ее соответствия требованиям технологичности. 5.2. Факторы, влияющие на ТКИ На ТКИ влияют следующие факторы: 1. Схемы устройства изделия в целом. 2. Состав и взаимное расположение сборочных единиц и деталей. 3. Формы, размеры и расположение поверхности деталей и соединений, их состояние. 4. Применяемые материалы. На выбор технологических решений накладывают существенные ограничения другие свойства качества изделий: функциональность, надежность, Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 78 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.2. Факторы, влияющие на ТКИ эргономичность, эстетичность, экономичность и безопасность. Поэтому поиск оптимальных решений по обеспечению технологичности неотделим от анализа влияния перечисленных факторов. 5.3. Общая классификация ТКИ Технологичность конструкций изделий различается по методам воздействия на изделие, области проявления и видам затрат (табл. 5.1). Таблица 5.1 Общая классификация ТКИ Признак классификации По методам воздействия на изделие Вид ТКИ Технологическая рациональность конструкции. Преемственность конструкции. По области проявления: Производственная ТКИ при: подготовке производства; изготовлении; монтаже вне предприятия. Эксплуатационная ТКИ при: техническом обслуживании; текущем ремонте; хранении и транспортировании; диагностировании; утилизации; Ремонтная ТКИ при: монтаже и демонтаже; восстановлении; замене элементов По видам затрат Трудоемкость Материалоемкость. Энергоемкость. Хроноемкость По отдельности в производстве, эксплуатации и ремонте Для обеспечения ТКИ должны осуществляться соответствующие мероприятия по воздействию на объекты труда в сферах разработки, производства и эксплуатации (табл. 5.2). Таблица 5.2 Мероприятия по обеспечению ТКИ Объект воздействия Предмет труда Разработка Систематизация и стандартизация исходных решений (унификация, типизация и т. д.) Производство Применение рациональных заготовок Эксплуатация и ремонт Сокращение номенклатуры быстросменных и запасных частей Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 79 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.3. Общая классификация ТКИ Продолжение табл. 5.2 Объект воздействия Человек Организация труда Результат труда Разработка Производство Эксплуатация и ремонт Взаимодействие разработчика, производителя, потребителя и повышение квалификации каждого в своей сфере Специализация ОКР Применение групповой и Применение рациопоточной форм органинальных форм организации труда зации ТО и Р Каталогизация реКорректировка базовых Корректировка базозультатов работ показателей производст- вых показателей венных ТКИ с учетом эксплуатационных данных прогноза ТКИ с учетом данных прогноза Обеспечение ТКИ Придание конструкции комплекса свойств Достижение оптимальных затрат ресурсов Совершенствование условий выполнения работ в различных сферах проявления ТКИ Обеспечение технологической рациональности Обеспечение преемственности Снижение трудоемкости Снижение материалоемкости Снижение энергоемкости Повышение производственной технологичности Повышение эксплуатационной технологичности Повышение ремонтной технологичности Рис. 5.1. Схема связей работ по обеспечению ТКИ Мероприятия по обеспечению ТКИ выполняются для решения комплекса взаимосвязанных задач (рис. 5.1). Из рис. 5.1 видно, работы по обеспечению ТКИ позволяют придать конструкции изделия свойства технологической рациональности и преемственности, а это позволяет достичь как снижения ресурсоемкости в сферах производства, эксплуатации и ремонта, так и совершенствовать условия работы в этих сферах. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 80 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.4. Состав и содержание работ по обеспечению ТКИ на стадиях проектирования Техническое предложение: 1. Выявление: а) предпосылок для рационального членения и компоновки; б) возможности заимствования составных частей (СЧ) изделия; в) новых условий выполнения работ. 2. Расчет показателей ТКИ. 3. Выбор принципиального варианта конструкции. 4. Согласование показателей ТКИ. 5. Технологический контроль конструкторской документации (КД). Эскизный проект 1. Анализ соответствия конструкции: а) условиям производства; б) условиям эксплуатации. 2. Сопоставление вариантов конструкции по критериям технологичности. 3. Определение условий эксплуатации и ремонта. 4. Расчет показателей ТКИ. 5. Принятие принципиальных решений по конструкции для дальнейшей разработки. 6. Технологический контроль КД. Технический проект: 1. Выявление возможности параллельной и независимой сборки и контроля СЧ-изделия (по спецификации). 2. Анализ соответствия конструкции требованиям технического обслуживания и ремонта. 3. Определение преемственности СЧ-изделия. 4. Анализ возможности новых прогрессивных процессов производства. 5. Принятие принципиальных решений по условиям выполнения работ. 6. Расчет показателей ТКИ. 7. Принятие принципиальных основных решений по ТКИ. 8. Технологический контроль КД. При работе на каждой из стадий проектирования используются результаты промежуточных этапов предыдущих стадий. Согласно статистическим данным, 50 % объема работ по обеспечению ТКИ выполняется на стадии ЭП, достигая 80 % их эффективности, 80 % общего объема работ по обеспечению ТКИ достигается на стадии ТП и лишь 20 % на стадии РП. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 81 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.5. Технические требования к ТКИ 5.5.1. Общие требования к деталям Структурные схемы изделия должны формироваться исходя из принципов функциональной и технологической завершенности составных частей (СЧ) и, соответственно, возможности его членения. Целью данного требования является обеспечение изделием главной функции и способности составных частей выполнять свои функции отдельно от изделия (двигатели, радиаторы, насосы и т. д.). Под технологической завершенностью понимают относительную самостоятельность технологических операций (при разработке, изготовлении, монтаже, регулировках, обкатке, испытаниях и т. д.). Обработка деталей на технологичность должна вестись комплексно с учетом зависимости от исходной заготовки детали, каждого вида обработки в технологическом процессе изготовления, технологичности сборочной единицы, в которую деталь входит как составная часть. Конструкция детали должна состоять из стандартных и унифицированных элементов или в целом быть стандартной и обеспечивать возможность применения типовых и стандартных технологических процессов ее изготовления и ремонта. Выбор материалов и их свойств, форм и размеров для деталей осуществляется с учетом требований технологии изготовления, ремонта, хранения и транспортирования. Требования к технологичности неразъемных соединений: 1. В конструкциях неразъемных соединений следует избегать сложных и высокоточных видов обработки сопрягаемых поверхностей. 2. При выборе материалов для соединяемых деталей нужно учитываться возможное изменение их свойств в процессе изготовления неразъемного соединения. При этом необходимо избегать дополнительной работы по контролю качества. 3. Соединение должно быть образовано с минимальными затратами ресурсов и обеспечивать нетрудоемкое выполнение операций контроля. Требования к технологичности разъемных соединений: 1. Соединение должно обеспечивать наименьшие затраты на операции монтажа-демонтажа в условиях производства и транспортирования, технического обслуживания и ремонта. 2. Конструктивные элементы и материалы должны иметь формы, обеспечивающие формирование и расформирование соединений с выполнением минимального числа операций и исключать необходимость последующей обработки элементов соединения. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 82 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.5. Технические требования к ТКИ Требования к технологичности сборочных единиц (СЕ): 1. Конструкция СЕ должна отрабатываться на технологичность комплексно с учетом взаимозаменяемости при ПЭР составных частей. 2. СЕ могут быть СЧ изделия и выполнять самостоятельные функции либо не выполнять их. 3. Уровень ТКИ определяется для всех СЕ, для которых в техническом задании установлены базовые показатели технологичности. 4. СЕ должна расчленяться на рациональное число СЧ с учетом принципов агрегирования, а ее конструкция должна компоноваться из стандартных и унифицированных частей и исключать применение сложного технологического оборудования и оснастки. 5. Конструирование СЕ должно вестись с учетом требований механизации и автоматизации сборочных работ. 6. В конструкциях СЕ и ее СЧ, имеющих массу больше 16 кг, необходимо наличие элементов для удобного захвата грузоподъемным средством. 7. В конструкции СЕ должна быть предусмотрена базовая СЧ, являющаяся основой для расположения остальных составных частей изделия. Форма базовой составной части должна быть удобной для правильной установки ее на рабочем месте сборки (на столе, сборочной площадке и т. д.). 8. В конструкции базовой части необходимо предусмотреть использование конструктивных баз в качестве технологической и измерительной. 9. Компоновка СЕ должна обеспечить: а) ее сборку при неизменном базировании составных частей и исключить промежуточные сборки-разборки; б) удобный доступ к местам, требующим контроля, регулирования и других работ, регламентируемых технологией подготовки изделия к использованию по назначению, техническому обслуживанию и ремонту; в) легкий монтаж-демонтаж быстросменных составных частей; г) транспортабельность: такелажные узлы, монтажные опоры и другие устройства должны быть по возможности минимальными, а места соединения доступными для механосборочных работ и контроля. 10. Требования к точности и методу сборки: а) точность расположения составных частей должна быть обоснована и взаимосвязана с точностью изготовления; б) метод сборки для данного объема выпуска выбирают на основе расчета различных цепей: при расчете коротких цепей (число звеньев < 5) с высокой точностью замыкания звена, многозвенных – с малой точностью замыкающего звена; в) метод сборки выбирают с учетом трудоемкости изделия в сборочных работах. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 83 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.6. Классификация и номенклатура показателей ТКИ. Методы определения Показатели ТКИ различают в зависимости от: а) характеризуемых свойств – показатели технологической рациональности изделий, преемственности их конструкций, ресурсоемкости по всем областям проявления (ПЭР.); б) числа характеризуемых свойств – частные (единичные), групповые и комплексные; в) способа выражения свойств – размерные и безразмерные; г) формы представления свойств: общие (суммарные), структурные, удельные, относительные и сравнительные; д) стадии определения – прогнозные, базовые и достигнутые; е) значимости для оценки: основные и вспомогательные. Расчетные зависимости для определения показателей ТКИ . Общий (суммарный) показатель (5.1) Структурный (5.2) Удельный показатель при главном параметре изделия P: (5.3) Относительный (5.4) Сравнительный при базовом показателе Kб (5.5) Например, используя формулу (5.1), можно вычислить суммарную трудоемкость изготовления Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 84 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.6. Классификация и номенклатура показателей ТКИ. Методы определения где ti – трудоемкость по i-му цеху, участку или виду работ, входящих в технологический процесс Показатели технологической рациональности и преемственности рассматриваются, как правило, в виде относительных показателей. Показатели ТКИ определяют в общем случае в следующей последовательности: 1 . Определение исходных данных. 2. Анализ исходных данных. 3. Обработка результатов анализа. 4. Выбор номенклатуры показателей ТКИ. 5. Расчет численных значений ТКИ. Состав работ по каждому из приведенных этапов является достаточно объемным, что видно из типовой блок-схемы, приведенной на рис. 5.2. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 85 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.6. Классификация и номенклатура показателей ТКИ. Методы определения Рис. 5.2. Типовая блок-схема определения показателей ТКИ Методы определения исходных данных для показателей ТКИ различают: 1. По способу получения информации: а) измерительный метод – информацию получают с применением технических средств измерений; б) регистрационный метод – информацию получают путем регистрации, например, затрат на определенные виды работ; в) органолептический метод – анализируют восприятие органов чувств и формализованное представление данных; в) расчетный метод – используют теоретические или эмпирические зависимости . 2. По источнику получения информации: а) традиционный – информация готовится внутри предприятия – производителя или КБ в специализированных подразделениях; б) экспертный – привлекаются эксперты со стороны; в) социологический – значения показателей определяются потребителями путем опроса или анкетирования. 3. По отношению факторов, влияющих на ТКИ, к объекту: а) экзогенный метод – учитывает влияние внешних факторов (изменение технологии, программы, сроков); б) эндогенный метод – учитывает влияние только внутренних факторов ТКИ (число составных частей, элементов, материалов, типизация конструктивных компонентов и т. д.); Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 86 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.6. Классификация и номенклатура показателей ТКИ. Методы определения в) смешанный метод – учитывает влияние и внешних и внутренних факторов. 4. По способу моделирования информации: а) имитационный метод – многократное повторение расчетных моделей показателей в различных условиях определения ТКИ; б) аналоговый метод – базируется на заимствовании данных по изделию-аналогу. Перечень и применение показателей ТКИ в зависимости от вида изделия и стадии разработки регламентирует ГОСТ 14.201–83 . На стадии рабочей документации серийной продукции предусмотрено обязательное определение большинства показателей ТКИ деталей, сборочных единиц и комплексов точными методами. На стадии технического предложения нужно обязательно определять укрупненными методами приближенное значение технологической себестоимости изделия в изготовлении и необязательно – удельные металлоемкость и энергоемкость изделия в целом и трудоемкость его сборочных единиц и комплексов в изготовлении. Определение приближенных значений перечисленных показателей (исключая технологическую себестоимость, которая необязательна на данных стадиях) укрупненными методами становится обязательным на стадиях ЭП и ТП. Для этих стадий также обязательно определение приближенных значений удельной материалоемкости и удельной энергоемкости и коэффициента сборности. Для стадии рабочей документации литеры «О» перечень показателей, определяемых обязательно и необязательно, до полного списка. При этом удельные показатели материалоемкости и энергоемкости, коэффициентов применяемости унифицированных конструктивных элементов и материалов должны определяться точными методами. Самыми важными и существенными являются показатели ресурсоемкости, которые чаще называют основными. К ним относятся: трудоемкость, материалоемкость, хроноемкость, энергоемкость и технологическая себестоимость изделий, определяемые по областям проявления (ПЭ и Р). Показатели технологической рациональности и преемственности конструкций считаются дополнительными и используются для анализа с целью выявления возможного принятия рациональных решений и последующего совершенствования конструкции в процессе проектирования. Технологическую рациональность оценивают коэффициентами сборности, легкосъемности, разновесности, доступности, контролепригодности, распределения допуска между изготовлением и монтажом. Преемственность конструкции выражается коэффициентами применяемости (новизны, применяемости унифицированных и стандартизованных СЧ, СЕ, деталей, конструктивных элементов и материалов), повторяемости (СЧ, конструктивных элементов и материалов) и типизации. Виды показателей ТКИ, методы и формулы расчета обобщены в прил. 2, табл. П2.1. К прогнозным показателям ТКИ относятся любые показатели, используемые на стадии прогнозирования для учета тенденций развития техники, Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 87 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.6. Классификация и номенклатура показателей ТКИ. Методы определения технологии и производства. Базовые показатели определяются на основе прогнозных и применяются в качестве исходных данных на стадии планирования ОКР. Их вносят в техническое задание на разработку изделия для сравнения с достигнутыми показателями. Достигнутые же показатели определяют расчетным путем на стадии проектирования изделия. Результаты сравнения используются для разработки мероприятий по совершенствованию конструкции изделия и условий его ПЭ и Р. 5.7. Основные показатели ТКИ, их количественная и качественная оценка Основными при принятии управленческих решений по обеспечению технологичности считаются показатели ресурсоемкости. Поэтому на различных стадиях проектирования производятся расчеты показателей ТКИ с целью количественной оценки уровня достигаемой технологичности изделия, обеспечивающей максимальную экономию ресурсов. Для количественной оценки ТКИ используют следующие виды показателей: базовый показатель QБ , принимаемый за исходный; частный показатель q, характеризующий одно из свойств ТКИ; комплексный показатель Q , характеризующий несколько частных или комплексных свойств, составляющих ТКИ ( Q q1 qN ); уровень ТКИ, выражающий оптимальное отношение значения показателя проектируемого изделия к значению соответствующего базового показателя. Различают общие и удельные производственные и эксплуатационные показатели ТКИ. К общим показателям ТКИ относят материалоемкость изделия MИ , трудоемкость энергоемкость ЭИ и удельную материалоемкость изделия M MИ , P (5.6) где P – номинальное значение основного параметра или полезный эффект, получаемый по прямому назначению; τ – срок службы. К производственным (ремонтным) показателям относят трудоемкость изделия TИ в изготовлении (ремонте), удельную трудоемкость изделия в изготовлении т TИ , технологическую себестоимость P в изготовлении (ремонте), коэффициент применяемости материала: Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 88 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.7. Основные показатели ТКИ, их количественная и качественная оценка К ПМ Н Мi N , (5.7) Н Мi i 1 N Н Мi норма расхода данного материала; Н Мi сумма норм расхода i 1 где всех материалов на изготовление (ремонт) изделия. К эксплуатационным показателям ТКИ относят среднюю оперативную трудоемкость изделия в техническом обслуживании (текущем ремонте изделия данного вида Tоб , среднюю оперативную продолжительность технического обслуживания (текущего ремонта) изделия данного вида Tхр . Инженерно-расчетные методы определения трудоемкости и материалоемкости изделий приведены в табл. 5.3. Таблица 5.3 Методы определения трудоемкости и материалоемкости изделий Стадия разработки КД Основные документы, используемые для расчетов Техническое Ведомость техничепредложение ского предложения, пояснительная записка, схемы Эскизный Чертеж общего випроект, тех- да, теоретический нический чертеж, габаритный проект чертеж, ведомость проекта, схемы Рабочая КД. Чертеж детали, сборочный чертеж, спецификация, ведомость спецификаций, технические условия Основная информация, получаемая из документов Масса изделия, параметры назначения, число элементов Масса изделия, параметры назначения, число составных частей, число элементов Масса изделия, масса деталей, число деталей, технические требования, число сборочных единиц Методы расчета Учета масс, удельного нормирования, элементокоэффициентов Учета масс, удельного нормирования, учета сложности, элементокоэффициентов Учета масс, удельного нормирования, учета сложности, учета значимости составных частей, моделирования на основе корреляционного анализа Качественная оценка ТКИ основана на инженерно-визуальных методах и проводится по отдельным конструктивным и технологическим признакам. Она дается на основе анализа соответствия конструктивного исполнения основным требованиям производственной, эксплуатационной и ремонтной ТКИ по принципу сравнения «хорошо-плохо», «допустимо-недопустимо», «лучше-хуже» и т. д. Это позволяет: а) выбрать лучший вариант исполнения; б) установить целесообразность затрат времени на определение численных значений показателей ТКИ сравниваемых вариантов. Инженерно-визуальный метод оценки ТКИ основывается чаще на информации, получаемой восприятием органами чувств, на стадии разработки Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 89 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.7. Основные показатели ТКИ, их количественная и качественная оценка конструкторской документации опытного образца. В отдельных случаях для качественного описания технологичности используют количественную оценку посредством применения балльной системы. Методы оценки ТКИ по трудоемкости. При определении трудоемкости используются все расчетные методы, приведенные в табл. 5.3, а также хронометраж – метод измерения затрат труда на стадиях ПЭ и Р. При определении материалоемкости используются методы, приведенные в табл. 5.3, а на стадии изготовления – дополнительно взвешивание. Ниже излагается сущность некоторых расчетных методов [2]. Метод учета масс при оценке трудоемкости учитывает ее изменение в изготовлении и ремонте по сравнению с изделием аналогом и определяется по формуле T = Tа Kм , (5.8) где Та – трудоемкость изделия-аналога, имеющего с проектируемым изделием общие конструктивные и технологические признаки; K м – коэффициент различия массы или размеров сопоставляемых изделий. Для деталей простой формы типа валов, втулок, шестерен 2 2 или K 3 Fи , K м M и F м M а а 3 где Mи Mа и Fи Fа (5.9) – соответственно соотношение масс и площадей обраба- тываемых поверхностей изделий – проектируемого и аналога. По этим отношениям определяется значение K м из таблиц. При методе учета сложности конструкции изделия трудоемкость изделия определяется по формуле с учетом коэффициента сложности K СИ : T Tа K СИ . (5.10) Если усложнение вызвано увеличением размеров изделия, расчеты выполняют по формулам (5.4), (5.5) по аналогии с методом учета масс. В других случаях рекомендуется составлять и использовать таблицы сопоставления изделий по массе, соотношению высоты изделия к длине или ширине, суммарной площади поверхностей, протяженности длины стенок для литья, сварных швов, сборочных единиц, соединяемых сваркой и т. д. Для изделий одной типовой группы и примерно равных размеров Kcи K ш K т , Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие (5.11) 90 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.7. Основные показатели ТКИ, их количественная и качественная оценка где K ш и K т – коэффициенты зависимости трудоемкости от изменения шероховатости и точности. По этим коэффициентам имеются нормативы применительно к обработке резанием (приведены в табл. 5.4). Таблица 5.4 Коэффициенты зависимости трудоемкости от изменения шероховатости и точности Квалитет Кт Кш 6 1,3 Rz=80 0,95 7 1,2 Rz=40 0,95 8 1,1 Rz=20 1,0 11 1,0 Rа=2,5 1,1 12 0,9 Rа=1,25 1,2 13 0,8 Rа=0,63 1,4 Трудоемкость проектируемого изделия с применением приведенных коэффициентов определяют по формуле T Ta K ти Kши . K та Kша (5.12) При наличии жестких требований по параллельности, плоскостности и перпендикулярности вводят соответственно коррекционную поправку к коэффициенту точности K т по соответствующей таблице справочника В общем случае, когда усложнение изделия является следствием увеличения габаритов конструкции и ужесточения технических требований, коэффициент сложности можно определить по формуле J Pиi K иi отн Tаj , i 1 Pаj K аj Kсл (5.13) где Pj – параметр, определяющий значение трудоемкости изделия в изготовлении или ремонте j-й составной части; K j – коэффициент изменения трудовых затрат в зависимости от технических требований к выбранным факторам. Например, в качестве параметров Pi принимают: массу обрабатываемых деталей для литейных работ, обработки резанием, кузнечно-прессовых работ, термической обработки; протяженность сварного шва для сварочных работ, число точек для контактной сварки; площадь покрываемой поверхности для окрасочных работ и т. д. Для каждого из этих Pi по отчетным данным предприятия определяют значение отн относительной трудоемкости Tаj . Метод учета значимости составных частей изделия наиболее эффективен в условиях широкого применения типовых и групповых технологических процессов и применим только на стадии рабочего проектирования. В данном случае коэффициент сложности будет определяться по уточненной Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 91 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.7. Основные показатели ТКИ, их количественная и качественная оценка формуле, в которой вводятся коэффициенты значимости K зj типовых групп составных частей. Если на предприятии приняты нормативы значимости и по ним трудоемкость изделия в изготовлении, приходящаяся на единицу значимости, составляет Tз , то трудоемкость изделия в изготовлении J T Tз K N З j , j 1 где J Зj (5.14) – сумма всех значимостей по видам работ для данного изделия (ли- j 1 тейные работы, обработка резанием, сборка, термообработка и т. д.); K N – коэффициент изменения трудоемкости в зависимости от изменения программы выпуска N, берется из справочника [2, табл. 6] в зависимости от отношения базового значения программы N к фактическому значению Nф, N т. е. . Nф Метод элементокоэффициентов применяют на ранних стадиях разработки конструкции, он целесообразен для укрупненной оценки трудоемкости изделия при наличии конструктивных проработок кинематических, гидравлических и других схем. При данном методе рассматривается общее число элементов в схеме. Один из элементов принимается за исходный (чаще наиболее сложный), а все остальные оцениваются по отношению к нему так называемым элементокоэффициентом: Kэ Tэ Tэисх . (5.15) Кроме этих значений нужно знать зависимости трудоемкости от размеров точности, шероховатости материалов и др. Для этого строится специальная шкала элементокоэффициентов на основе анализа трудоемкости, характерной для данного типового элемента. Различие в технических требованиях учитывают поправочными коэффициентами по изложенным выше методикам. Зная K э и параметры элемента, определяемого по схеме, рассчитаем J K сл K эi N эi ; (5.16) T Tэисх Kсл , (5.17) i 1 Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 92 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.7. Основные показатели ТКИ, их количественная и качественная оценка где N эi – число одинаковых элементов в i-й группе; J – число групп элементов; K N – поправочный коэффициент, учитывающий величину партии элементов Тэ (табл. 5.5). Таблица 5.5 Поправочный коэффициент, учитывающий величину партии элементов изделия Nэ KN 1 2–7 8–31 1 0,7 0,6 Коэффициент K N уточняют в зависимости от марки стали, например для Ст 45 K N =1, для Ст 40Х K N =1,1, учитывается число шпоночных пазов (табл. 5.6). Таблица 5.6 Значения коэффициента, учитывающего число шпоночных пазов Число пазов N шп 0 1 1 1,16 2 1,26 3 1,35 Метод регрессионно-корреляционного анализа применяют ограниченно, при стабильности и масштабности производства. Метод удельного нормирования труда. Метод основан на предварительном определении, нормировании и регламентации удельной трудоемкоуд уд сти конструктивных аналогов изделия. Принимают, что Tа Tи при условии конструктивной и технологической однородности групп изделий. Тогда трудоемкость нового изделия определяют по формуле T Tауд P, (5.18) уд где Tа – удельная трудоемкость изделия аналога; Р– значение главного параметра изделия или полезный эффект, реализуемый изделием при использовании по назначению. В качестве параметра Р может выступать масса изделия М, если она определяет непосредственно функциональные, динамические или другие свойства изделия (транспортные средства и другие подвижные объекты). Трудоемкость нового изделия по всей совокупности основных видов работ рассчитывают по формуле J уд T N Tсрi , i 1 Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие (5.19) 93 5. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ 5.7. Основные показатели ТКИ, их количественная и качественная оценка уд где Tсрi – средняя удельная трудоемкость изделий представителей одного класса в изготовлении по основным видам работ; N – число элементов в изделии. Оценка ТКИ по материалоемкости. Наряду с определением абсолютных величин в качестве показателя часто применяют удельную материалоемкость. Удельная производственная материалоемкость определяется по формуле: M пуд Mп P , (5.20) где M п – расход материала на изготовление изделия; – установленный срок службы в эксплуатации; Р – номинальное значение основного параметра или полезный эффект при использовании изделия. Контрольные вопросы 1. В чем выражается взаимосвязь технологичности конструкций изделий с другими факторами, определяющими качество изделия? 2. Охарактеризуйте показатели ресурсоемкости. 3. Какими показателями характеризуется технологическая рациональность конструкции изделия? 4. Понятие «преемственность конструкции». Приведите конкретные примеры определения показателей преемственности. 4. В чем заключается обеспечение технологичности, как оно достигается по отдельным сферам ее проявления? 5. Какие факторы нужно учитывать при разработке требований к обеспечению ТКИ? 6. Основные методы обеспечения технологической преемственности конструкции изделия. В каких случаях эти методы применяются? 7. Составьте структурную схему (на выбор) одного из агрегатов нефтепромысловой установки с разбиением по иерархическим уровням и предложите варианты решений по улучшению технологичности. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 94 6. ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ Снижение металлоемкости машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов наряду с уменьшением себестоимости изготовления дает эффект при транспортных, монтажно-демонтажных работах, что особо важно в условиях морского шельфа, тундры, болотистой и гористой местности. Применяются методы: 1) изменения принципиальных и конструктивных схем; 2) рациональных сечений деталей; 3) рационального выбора материалов. 6.1. Метод изменения принципиальных и кинематических схем Данный метод распространен во многих отраслях машиностроения и заключается в применении рациональной компоновки и упрощении трансмиссий. В крупногабаритных машинах эффективны: переход от группового привода к индивидуальному приводу, от многоступенчатых редукторов и коробок перемены передач к регулируемому приводу с бесступенчатыми регулируемыми передачами, использование планетарных редукторов. Кроме снижения массы улучшаются рабочие характеристики, повышается долговечность. Эти тенденции характерны для буровых установок. Примеры совершенствования конструктивных схем: 1) двухпоршневые буровые насосы двустороннего действия заменены на трехпоршневые насосы одностороннего действия: результат – насос НБТ-600 легче близкого по рабочим параметрам двухпоршневого У8-6МА2 на 40 % (19 т против 26,7 т) и при этом даже несколько мощнее. Насос УНБТ-950 легче насоса У8- 7МА2 на 43,4 % (23,5 т против 33,7 т) и мощнее на 15,1 % [5 и 6]. При этом сократилось число быстроизнашивающихся деталей гидравлической части с 18 до12; 2) по буровым лебедкам – ЛБУ1100-ЭТ-3 легче ЛБУ37-1100Д1 на 14140 кг или на 35 % (26310 кг против 40450 кг) примерно те же соотношения по другим лебедкам. Есть выигрыш по абсолютным и удельным показателям в массе у безбалансирных станков-качалок по сравнению с балансирными станками [7]. Их сравнение по параметрам приведено в табл. 6.1. В безбалансирных станках-качалках перемещение колонны насосных штанг осуществляется гибким звеном – несколькими канатами, соединяющими кривошипы редуктора с канатной подвеской устьевого штока. Уравновешивание привода обеспечивается V-образной формой кривошипа. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 95 6. ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ 6.1. Метод изменения принципиальных и кинематических схем Таблица 6.1 Основные параметры станков-качалок Станкикачалки Наибольшие допускаемые нагрузки на устьевой шток, кН СКД3-1,5-710 СКД6-2,5-2800 СКД12-3,05600 30 60 120 Номинальная длина хода устьевого штока, м Момент крутящий на ведущем валу редуктора, кН·м Масса комплекса не более, т Балансирные 1,5 2,5 3,0 7,1 28 56 3,27 7,62 12,065 Безбалансирные 1,8 7,0 2,675 3,0 25 7,24 5,0 80 17,18 Установки типа АГН АГН-Н-2,2 30 2,2 0,7 АГН-Л-2,2 60 2,2 1,5 АГН-С-4,5 120 4,5 1,9 *Примечание: по установкам типа АГН масса указана без электродвигателя и масла. СБМ3-1,8-700 СБМ6-3-2500 СБМ12-5-8000 30 60 120 Выигрыш по массе, как видно из табл. 6.1, сопровождается также существенным увеличением длины хода устьевого штока (в 1,2–1,5 раза), благоприятствующим повышению эффективности процесса откачки нефти. При определенных условиях еще больший эффект дают установки типа АГН, работающие по принципиально иной схеме: с приводом штангового насоса от гидроцилиндров и уравновешиванием привода путем перемещения насосно-компрессорных труб. По массе выигрыш достигает до 5–6 раз, при этом ход устьевого штока увеличивается до 1,5 раз. 6.2. Метод рациональных сечений При условии сохранения равнопрочности детали можно облегчить следующими способами: удалением металла из явно малонагруженных участков; у деталей типа шестерен и других вращающихся изделий, имеющих форму дисков, – выборками (выемками) или снятием металла больше к периферии и меньше к центру; у деталей типа фланцев – изменением круглых форм на многоугольные или фигурные с выкружками. у всех деталей, имеющих прямоугольные выступы, галтели, скосы, конусы и острые углы, – округлением углов, плавными переходами; Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 96 6. ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ 6.2. Метод рациональных сечений в стержневых и ферменных системах – заменой деформации изгиба растяжением-сжатием; уменьшением пролетов между опорами, что снижает изгибающий момент; обеспечением компактности конструкций, при этом уменьшать диаметры колес и компенсировать повышение окружных усилий удлинением зуба, переходом на косой или шевронный зуб, выбором более твердых и прочных материалов. Облегчение деталей должно сопровождаться правильным выбором схем силового воздействия, то есть избегать асимметричного приложения нагрузок, стремиться к уменьшению напряжений растяжения и исключению изгиба; уменьшению равнодействующих сил в зацеплениях зубчатых передач с промежуточными шестернями и т. д. Равнопрочность при сохранении требуемого уровня напряженности обеспечивается подбором рациональных соотношений между максимальными и минимальными размерами деталей. Относительная выгодность по массе профилей характеризуется при нагружении изгибом величинами приведенной прочности W – отношением моментов и приведенной жесткости J F F сопротивления и инерции к площади сечения [10]. Рациональность форм профиля характеризуется независимо от их абсоW 3 лютных размеров безразмерными показателями прочности и жестF 2 кости i = J/F2. Оценка рациональности выбора профилей для деталей, работающих на изгиб, может производиться с помощью формул определения ω и i по 8 типовым формам профилей сечений (из справочной литературы): круг, квадрат, прямоугольник, полые круг, квадрат и прямоугольник, швеллер, двутавр. Выгодность полых профилей резко возрастает с утончением стенок и увеличением размеров сечения увеличением значений = h/H и e = b/B (на доске изобразить полые фигуры). При e = 0,9 и = 0,95, ω увеличивается в 6 раз, i в 15 раз по сравнению со сплошными профилями. Для круглых деталей (вала, оси и др.) равнопрочность можно оценить соотношением моментов сопротивлений и моментов инерции [10]: W J 1 a4 , Wo J o где a (6.1) d ; индекс о – для массивного сечения (d = 0). D Относительная масса Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 97 6. ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ 6.2. Метод рациональных сечений m F 1 a2 , mo Fo (6.2) При значении a 0,3 0,6 масса изделия снижается с одновременным менее резким уменьшением прочности и жесткости. При значении a 0,6 масса уменьшается на 40 %, а прочность и жесткость снижаются всего на 10 %. Далее уменьшать массу не выгодно. 6.3. Снижение массы и металлоемкости машин путем рационального выбора материалов Показатель удельной металлоемкости изделия в общем виде выражается формулой mi m2 ... mn V V i P 2 n P , (6.3) где mi – суммарные массы металлов, примененных в изделии; Р – главный параметр (мощность, глубина бурения, грузоподъемность и т. д.). Надежным способом облегчения деталей является повышение прочности материалов. 6.4. Жесткость конструкций На выбор материалов и конструктивных решений большое влияние имеет жесткость – способность изделия сопротивляться действию внешних нагрузок с деформациями, допустимыми без нарушения их работоспособности. Последствия недостаточной жесткости конструкций: 1) у корпусов нарушается взаимодействие размещенных в них механизмов, что повышает трение и износ подвижных соединений; 2) валов и опор зубчатых передач нарушается зацепление колес, вызывая ускорение износа зубьев; 3) цапф и подшипников происходит перегрев и заедания вследствие развития очагов полусухого трения; 4) неподвижных соединений, подверженных динамическим нагрузкам, появляется коррозия трения, наклеп и сваривание поверхностей; 5) рабочих органов обрабатывающих станков нарушается точность размеров обрабатываемых изделий. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 98 6. ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ 6.4. Жесткость конструкций К снижению жесткости приводят: стремление к облегчению конструкций и максимальному использованию предела прочности материалов, недооценка нагрузок, вызываемых неточностями монтажа, остаточными напряжениями и деформациями, перетяжкой крепежных соединений, повышенным трением и перекосами и т. д. Коэффициентом жесткости – отношение нагрузки Р, приложенной к объекту, к величине максимальной деформации f объекта под ее воздействием: P f (6.4) При растяжении-сжатии бруса постоянного сечения в пределах упругой деформации P F EF , f f l (6.5) где F– площадь сечения бруса, мм2; E– модуль упругости, МПа; l– длина бруса в направлении движения силы. Величину, обратную жесткости, называют коэффициентом податливости , который важен для пружин, рессор и других податливых деталей как свойство приобретать относительно большие деформации под воздействием нагрузок. Для случая кручения бруса постоянного сечения коэффициент жесткости определяют как кр M кр G Jp l , (6.6) где M кр – момент кручения, приложенный к брусу; – угол поворота сечения под воздействием M кр ; J p – полярный момент инерции сечения бруса, мм4. При изгибе бруса постоянного сечения: изг P EJ a 3 , F l (6.7) где J – момент инерции сечения бруса; a – коэффициент, учитывающий условия нагружения. Зависимость коэффициента а от условий приложения нагрузки приведена в табл. 6.2 [10]. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 99 6. ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ 6.4. Жесткость конструкций Таблица 6.2 Жесткость при изгибе для различных схем нагружения Схема нагружения изг a 1 48 1,5 77 4 192 8 384 0,063 3 0,166 8 По табл. 6.2, жесткость бруса, заделанного консолью, при сосредоточенной нагрузке составляет всего лишь 0,063 жесткости бруса на двух опорах под такой же нагрузкой. Зная заданную нагрузку Р и геометрические размеры, жесткость можно определить по величине максимальной деформации и таким образом оценить напряженное состояние систем при практических расчетах [8]. Итак, на жесткость конструкций влияют: Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 100 6. ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ 6.4. Жесткость конструкций 1) модуль упругости материала Е при деформациях растяжения-сжатия и изгибе, модуль сдвига G при кручении и сдвиге; 2) геометрические характеристики сечения деформируемого тела (F, J и Jp); 3) линейные размеры деформируемого тела (длина l); 4) вид нагрузки и тип опор (выражены через фактор а = 3–384). На жесткость конструкций косвенно влияет прочность материала. Главным практическим средством увеличения жесткости является маневрирование геометрическими параметрами системы. В случае изгиба рационально уменьшать деформацию выбором формы сечения, условий нагружения и расстановки опор. В этом случае удается уменьшить в десятки раз деформацию изделий по сравнению с исходной конструкцией, а то и исключить изгиб полностью. В случае кручения детали необходимо по возможности уменьшать ее длину на участке кручения и увеличивать диаметр. В случае растяжения-сжатия жесткость можно увеличить путем только уменьшения длины детали. Недостаточная жесткость тонкостенных, в том числе оболочковых, конструкций может привести к внезапной потере их устойчивости. Бороться с этим явлением необходимо усилением легко деформируемых участков системы, введением местных элементов жесткости или связей между деформируемыми элементами или узлами жесткости (в которых могут, в частности, появиться зазоры), а также повышать прочность материала Для составных конструкций, соединенных неподвижно, эффективны решения: 1) силовая затяжка соединений; 2) посадка с натягом; 3) увеличение опорных поверхностей; 4) повышение жесткости на участках сопряжений. 6.5. Обобщенный показатель выгодности применения материалов Выгодность выбора и применения в конструкциях материалов характеризуется показателем A, выражающим их способность нести наиболее высокие нагрузки при наименьших деформациях и массе и определяемым по формуле A 0,2 E 2 , Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие (6.8) 101 6. ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ 6.5. Обобщенный показатель выгодности применения материалов где 0,2 – предел текучести; – объемный вес; 0,2 – фактор прочности, E – фактор жесткости. Показатель A и показатели прочности и жесткости материалов в отдельности приведены в пособии. Из 11 видов конструкционE 6 ных материалов 6 видов имеют одинаковый показатель 10 = 25,5, а три E 6 вида близки к нему ( 10 =25). Однако многие из них не могут нести высокие нагрузки и деформируются. Поэтому выбирать материалы надо с уче 0,2 том показателя , т. е. по обобщенному показателю прочности и жесткости A (по этому показателю наилучшие данные имеют сверхпрочные стали и сплавы титана, на достаточно высоком уровне находятся также сплавы алюминия и магния). Алюминиевые и титановые сплавы, применяемые для буo F рильных труб, по обобщенному показателю 2 находятся на уровне прочных легированных сталей. Но выбор материала определяется кроме указанных характеристик и технологическими требованиями. Экономически целесообразна разработка мероприятий для создания достаточно прочных и жестких изделий с использованием материалов, обладающих невысокими значениями А. Распространенные конструктивные способы повышения жесткости без существенного увеличения массы: 1) устранение изгиба, замена растяжения сжатием (пример на рис. 6.1). а б в г Рис. 6.1. Конструкции литых кронштейнов 2) для деталей, работающих на изгиб – рациональная расстановка опор, исключение невыгодных видов приложения нагрузок (рис. 6.2); Из схем нагружения, приведенных на рис. 6.2, при одних и тех же значениях l и Р максимальный момент в 4 раза меньше у двухопорной балки, чем у консольной, а также меньше и максимальный прогиб; Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 102 6. ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ 6.5. Обобщенный показатель выгодности применения материалов 3) рациональное увеличение моментов инерции (сопротивления), не сопровождаемое возрастанием массы. а б в г д е Рис. 6.2.Схемы нагружения: 3 3 Pl Pl Pl ; f max а – M max Pl ; f max ; б – M max ; 3 EI 4 48 EI 3 Pl Pl ; f max . в – M max 8 192 EI Из сравнения профилей равных масс (табл. 6.3) следует, что при изгибе наиболее целесообразной является двутавровая форма профиля: прочность по сравнению с исходным профилем №1 увеличивается в 9–12 раз, жесткость в 40–70 раз. При равной прочности различных профилей двутавровая форма при некотором снижении массы повышает жесткость в 3–3,5 раза по сравнению с исходным профилем. 4) рациональное усиление ребрами, работающими предпочтительно на сжатие; 5 ) усиление участков перехода от одного сечения к другому; 6) блокирование деформаций введением поперечных и диагональных связей (подъемные и буровые вышки, основания под тяжелое оборудование) 7) привлечение жесткости соседних деталей; 8) для деталей коробчатого типа (различного рода крышек, колпаков, резервуаров, емкостей и т. д.) рекомендуют применение скорлупчатых, сводчатых, сферических, яйцевидных и т. п. форм; 6) для деталей типа дисков рекомендуют конические, чашечные, сферические формы, рациональное оребрение, гофрирование; 7) для деталей типа плит рекомендуют коробчатые, двустенные, ячеистые и сотовые конструкции (станины насосов, лебедок, роторов и т. д.). Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 103 6. ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ 6.5. Обобщенный показатель выгодности применения материалов Таблица 6.3 Прочность, жесткость и масса профилей 1 2 3 4 Номер профиля m 1 2 3 4 5 1 1 1 1 1 5 6 7 8 9 W I 1 2,2 5 9 12 1 5 25 40 70 1 1 1 1 1,7 3 3 3,5 F(m) = const W = const 6 7 8 9 0,6 0,33 0,2 0,12 Примечание: F(m) – площадь сечения в функции от массы. Типовые решения по увеличению жесткости даны в прил. 1, прил. 2 (рис. П1.1 и табл. П2.1). Контрольные вопросы 1. По каким критериям производят оценку материалоемкости? 2. Какие методы используют для снижения металлоемкости? 3. Что такое жесткость изделия и жесткость материала? 4. Какие методы увеличения жесткости применяют в практике конструирования? 5. Охарактеризуйте связь между жесткостью и прочностью конструкций. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 104 7. УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 7.1. Основные понятия и определения В обеспечении технологической рациональности и преемственности конструкций и основных показателей ТКИ большой эффект дают унификация и стандартизация деталей, узлов и агрегатов нефтепромысловых машин и оборудования. Унификация изделий – многократное применение в конструкциях одних и тех же элементов, благодаря чему: 1) сокращается номенклатура деталей; 2) уменьшается стоимость изготовления; 3) упрощаются эксплуатация и ремонт; 4) сокращается номенклатура обрабатывающего мерительного и монтажного инструмента и приспособлений. Кроме деталей, узлов и агрегатов, унифицируются: посадочные сопряжения; резьбовые, шпоночные и шлицевые соединения; зубчатые зацепления; фаски и галтели; марки и сортаменты материалов и электродов; типоразмеры крепежных деталей; подшипники и т. д. Унификация оригинальных деталей и узлов может быть внутренней – в пределах данного изделия (элементы цепных и зубчатых передач, муфты и т. д.) и внешней – заимствование деталей с иных машин данного или смежного завода (редукторы, цилиндры, элементы гидро- и пневмооборудования и т. д.). Степень унификации оценивается отношениями в процентах, либо числа унифицированных деталей к общему числу деталей изделия Z, либо массы унифицированных деталей mун к общей массе изделия. Это отношение называют коэффициентом унификации ун [8]. Целесообразно оценивать унификацию коэффициентом ун Cун 100 % С , (7.1) где C ун и С – соответственно суммарная стоимость унифицированных деталей и общая стоимость изделия. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 105 7. УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 7.1. Основные понятия и определения Степень внутренней унификации оценивается коэффициентом повторяемости N п 1 н 100 % , N д (7.2) где N н и N д соответственно число наименований и общее число деталей по спецификации. В хороших конструкциях п 40 60 % . Применяют дифференциальную оценку степени унификации оригинальных деталей, элементов конструкций (резьб, крепежных деталей и т. д.) по соответствующим коэффициентам повторяемости ун.ор и ун. кэ . Стандартизация – регламентирование конструкций и типоразмеров. Согласно ГОСТ, стандартизация – это установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон, в частности для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации (использования и требований безопасности). В основе стандартизации лежит нормотворческая деятельность, результатом которой является нормативно-технический документ – стандарт или технические условия (ТУ). Стандартизация регламентирует: единицы физических величин, термины и обозначения, требования к продукции и производственным процессам, требования, обеспечивающие безопасность людей и сохранение материальных ценностей. Ее объектами являются продукция и правила обеспечения разработки, производства и применения. Нормотворческая деятельность в области стандартизации тесно связана с ее продуцирующей деятельностью, которая заключается в следующем: упорядочивается (уменьшается или увеличивается) многообразие инженерно-технических решений при разработке и совершенствовании изделий и их составных частей; разрабатываются и внедряются инженерно-технические решения, обеспечивающие конструктивную, технологическую и информационную совместимость изделий при их создании и совершенствовании. Стандартизация является катализатором научно-технического прогресса, ее полезный эффект оценивается 10 : 1 к затратам на ее проведение. Степень стандартизации оценивается коэффициентом c Nc 100 % , N (7.3) где N c – число стандартных деталей в изделии; N – общее число деталей в изделии. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 106 7. УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 7.1. Основные понятия и определения Организация централизованного производства стандартизованных изделий на специализированных заводах позволяет разгрузить машиностроительные заводы, облегчить снабжение ремонтных предприятий и служб. На базе унификации и стандартизации создаются ряды производных машин одинакового назначения, но с различными показателями мощности, производительности и т. д. или машин различного назначения, выполняющих качественно другие операции и рассчитанных на выпуск другой продукции. 7.2. Методы создания производных машин на базе их унификации и стандартизации Известны следующие методы создания производных машин на базе унификации и стандартизации [1]: 1) секционирование – разделение машин на одинаковые секции и образование производных машин набором унифицированных секций. Метод выгоден при серийном изготовлении, создает удобства при сборке-разборке, ремонтах и техническом обслуживании. Секционирование применяется при изготовлении турбобуров, центробежных наземных и погружных насосов, распределителей в гидравлических приводах машин, конвейеров на основе втулочно-роликовых цепей и т. д.; 2) метод линейных размеров – заключается в изменении длины изделия при сохранении формы и размера поперечного сечения узлов и деталей машин с целью получения различной производительности. Метод применим к ограниченному классу машин, производительность которых пропорциональна длине рабочего органа: центробежные и шестеренные насосы, бетономешалки, компрессоры, вальцовые машины. К методу можно отнести увеличение длины зубьев колес с сохранением модуля, что позволяет повысить нагрузочную способность зубчатой передачи. Метод линейных размеров позволяет сохранить основное технологическое оборудование для обработки вращающихся рабочих органов, внутренних полостей корпусов, что дает значительный экономический эффект; 3) метод базовых агрегатов – превращение базовых агрегатов в машины различного назначения путем присоединения к ним или монтажа на них специального оборудования. Наиболее часто используют шасси автомобилей и тракторов, на основе которых создают буровые установки легкого типа, машины для ремонта скважин, цементировочные агрегаты, диагностические лаборатории, подъемно-транспортные машины и т. д. Для этого разрабатывают как само специальное оборудование, так и дополнительные механизмы и агрегаты в базовой машине: коробки отбора мощности, подъемные и поворотные механизмы, реверсы, тормоза, кабины и системы управления и т. д.; 4) конвертирование – базовые машины или их основные элементы могут быть использованы для создания агрегатов различного назначения, близких или различных по рабочему процессу. В частности, ДВС переводят с Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 107 7. УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 7.2. Методы создания производных машин на базе их унификации и стандартизации бензина на газ, преобразуют ДВС в поршневой компрессор, что сопровождается некоторой доработкой конструкций: заменой головки, изменением механизма газораспределения и т. д.; 5) компаундирование, или метод параллельного соединения машин или агрегатов, применяется с целью увеличения общей мощности или производительности установки. Спариваемые агрегаты могут быть конструктивно объединены синхронизирующим устройством в один агрегат или установлены независимо. Например, в буровых комплексах применяют многодвигательный привод основных агрегатов от дизелей или электродвигателей, параллельное соединение и работу насосов, блоков приготовления и очистки промывочного раствора в циркуляционной системе; 6) модифицирование – доработка машины с целью приспособления к иным условиям работы, операциям и видам продукции без изменения основной конструкции (иногда совпадает с модернизацией). В модификации нефтепромыслового оборудования в исполнении «Т» (для тропического климата) применяют коррозионно-стойкие сплавы, кондиционеры и т. д., в исполнении «ХЛ» (для холодного климата) – хладостойкие стали, электротехнические и резинотехнические изделия, устройства разогрева и запуска при низких температурах, обогреватели и др.; 7) агрегатирование – создание машин путем сочетания унифицированных агрегатов, представляющих собой автономные узлы и механизмы, устанавливаемые на общей станине (базе) в различном числе и комбинациях. Частичным агрегатированием является использование стандартизованных узлов и агрегатов из числа серийно выпускаемых: редукторов, насосов, компрессоров, а также заимствованных с серийно изготовленных изделий: коробок скоростей, механизмов перемещения муфт, фрикционов и т. д. В результате достигается сокращение сроков и стоимости проектирования и изготовления, удешевляются техническое обслуживание и ремонт; 8) метод комплексной нормализации – к проектированию простейших устройств, когда можно стандартизировать все или почти все их элементы конструкции. Нормализуют, например, по типоразмерам теплообменники, дозирующие устройства, смесители, резервуары, обечайки, крышки, люки, лазы, крепление, стойки и т. д. В нормализованных аппаратах широко применяют вспомогательное покупное оборудование: насосы, фильтры, приборы контроля и управления, средства автоматики. Из стандартных деталей, унифицированных узлов и покупного оборудования компонуют машины: с одинаковым рабочим процессом, но с различными размерами и производительностью; одинакового назначения, но с различными параметрами рабочего процесса (давление, вакуум, расход, температура); различного назначения и с разным рабочим процессом; 9) метод унифицированных рядов – образование рядов функционально близких машин различной мощности и производительности путем изменения числа и параметров главных рабочих органов и их применения в различных Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 108 7. УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 7.2. Методы создания производных машин на базе их унификации и стандартизации сочетаниях. На пример: создание рядов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на основе унифицированной цилиндровой группы и частично унифицированной шатунно-поршневой группы. Метод унифицированных рядов применяется при создании семейства машин роторного типа, производительность которых пропорциональна числу операционных блоков с роторами. Этот метод может сочетаться с методами конвертирования или агрегатирования, расширяя область применения машин. Однако, повышая технологичность машин, он может ухудшить их качество и соответственно не может служить определяющим фактором в развитии техники, так как в ряде случаев может привести к снижению их экономической эффективности; 10) уменьшение номенклатуры объектов производства – разработка рационального типажа машин с целью устранения распыления средств на выпуск машин малыми сериями, улучшения условий эксплуатации, ремонта и обеспечения запчастями. Номенклатура и число объектов производства сокращаются за счет: создания параметрических рядов машин с рациональными интервалами между ними; расширения универсальности машин; использования закладываемых резервов развития по мере роста потребностей народного хозяйства. Перечисленные способы могут сочетаться как один с другим, так и с методами унификации, приведенными выше. Параметрическими называют ряды машин одинакового назначения с регламентированными для конструкции показателями и градацией этих показателей. Различают виды параметрических рядов: размерно-подобные (или размерные), типоразмерные и смешанные ряды. В основу первого положен единый тип машины, градации изменения ее размеров получают при сохранении геометрического подобия модификаций ряда: электродвигатели (ГОСТ 15150–69), нефтяные насосы (ГОСТ 12124–80) и т. д. В типоразмерном ряду для каждой градации установлен свой тип машин со своими размерами. Например, ГОСТ 5866–76 «Станки-качалки– основные типы и параметры» регламентирует параметры 13 типоразмеров станков-качалок трех видов по способу уравновешивания, ГОСТ 16293–89 «Комплектные буровые установки для глубокого разведочного и эксплуатационного бурения» определяет типоразмеры установок по 12 классам, различающимся по грузоподъемности и условной глубине бурения, мощности привода основных агрегатов, диаметру отверстия стола ротора, по высоте основания. Смешанный ряд отличается тем, что в нем некоторые модификации выполняют однотипными и геометрически подобными, другие же на основе других типов. Примером является ГОСТ 20692–75 «Трехшарошечные долота. Типы и параметры». По этому стандарту долота выполняются корпусными и секционными. Изготавливают их предприятия 10 сериями, 3 классами, Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 109 7. УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 7.2. Методы создания производных машин на базе их унификации и стандартизации 12 типами и 128 модификациями (для пород мягких, средней твердости, твердых и крепких, с гидромониторными насадками, с центральной промывкой, с продувкой сжатым воздухом, армированные твердосплавными вставками и т. д.). Для построения параметрических рядов любого вида стремятся использовать принципы: геометрического подобия; подобия рабочих процессов, обеспечивающий в значительной степени одинаковость энергетической и силовой напряженности машины в целом и ее деталей. Основой стандартизации рядов машин и оборудования, их составных частей и элементов служат ряды предпочтительных чисел, строящиеся по арифметической или геометрической прогрессии. Основные параметрические ряды стандартизуемой техники чаще строятся по геометрической прогрессии со знаменателем n 10 . По ГОСТ 8032–84 степени этого корня приняты равными 5, 10, 20, 40 и 80. Эти числа вместе с буквой R составляют обозначение ряда (табл. 7.1). Таблица 7.1 Значения знаменателей геометрической прогрессии для рядов предпочтительных чисел Ряды R5 5 10 1,6 R10 10 10 1,25 R20 20 10 1,12 R40 40 10 1,06 R80 80 10 1,03 По ГОСТ 16293–89 максимально допускаемые нагрузки и глубины бурения строятся по ряду R10, т. е. с 1, 25 : допускаемые нагрузки 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200, 4000, 5000, 6300, 8000, 10000 кН, условная глубина бурения 1250, 1600, 2000, и т. д. до 16000 м. Так же строится ряд значений мощностей буровых насосов. В смешанных рядах машин отдельные группы строятся с разными знаменателями геометрической прогрессии, а в некоторых группах внутри всего ряда может быть использована и арифметическая прогрессия, наряду с геометрической. Например, по ГОСТ 5866–76 «Станки-качалки. Основные типы и параметры» из 13 типоразмеров первых 5 типов станков-качалок приняты по арифметической прогрессии с ее разностью, равной 10 кН, по основному параметру – наибольшей допускаемой нагрузке на устьевой шток 20, 30, 40, 50, 60 кН. Остальные 8 типоразмеров построены в ряд произвольно: 80, 100, 120, 150, 200 кН с кратным повторением первых трех чисел. Такое отклонение в построении смешанного типоразмерного ряда станков-качалок обусловлено объединением в них машин с тремя различными видами уравновешивания колонны насосных штанг: грузового, роторного и комбинированного. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 110 7. УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ Контрольные вопросы 1. Что дают унификация и стандартизация конструкторам, технологам, производителям и потребителям техники? 2. Приведите примеры внутривидовой и межвидовой унификации. 3. Какие конструктивные элементы детали и сборочные единицы могут быть унифицированы? 4. Какими показателями оценивают уровни унификации, стандартизации и типизации? 5. Роль стандартизации в управлении качеством продукции. 6. В чем заключается построение унифицированных рядов машин методами секционирования и линейных размеров? Приведите примеры. 7. Какой эффект достигается при применении методов базовых агрегатов, конвертирования, компаундирования? Приведите примеры. 8. С какой целью применяют метод модификации машин? Приведите примеры. 9. Что такое комплексная нормализация конструктивных элементов машин? 10. Что такое параметрические ряды машин и оборудования и как они строятся? Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 111 8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Основная цель конструирования – увеличение экономического эффекта машин. Главными факторами, определяющими экономичность оборудования, являются его полезная отдача, надежность, расходы на оплату труда операторов, потребление энергии и стоимость ремонтов. Основными показателями экономической эффективности новой техники являются [4; 8]: интегральный показатель, называемый коэффициентом рентабельности Re; суммарный экономический эффект за весь срок службы Qε; коэффициент технического использования Kти; коэффициент нормативного использования Kни; коэффициент оборачиваемости Kоб; срок окупаемости оборудования H OK ; коэффициент эксплуатационных расходов Kэр; себестоимость и цена оборудования. Коэффициент рентабельности (или просто рентабельность) определяется как Rε Q , Pε (8.1) где Q – полезная отдача, т. е. полезный суммарный эффект от эксплуатации оборудования за весь период его работы. Например, при бурении это стоимость пробуренных метров или скважин за этот же период и т. д.; Pε – сумма расходов за весь период работы оборудования, руб. (включает стоимость энергии, расходы на амортизацию, подготовительные работы, монтаждемонтаж, материалы, эксплуатацию оборудования, труб, инструмента, основную заработную плату, услуги вспомогательных цехов и др., накладные расходы, потери от аварий). Условие эффективности оборудования Rε 1. Суммарный экономический эффект за весь срок службы оборудования 1 Qε Q Pε Q1 . Rε (8.2) Из формулы видно, что Qε пропорционально полезной отдаче Q и зависит от стоимости оборудования и затрат на эксплуатацию. Величина Qε Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 112 8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ резко возрастает с увеличением долговечности оборудования и соответственно срока его службы. Коэффициент технического использования определяют по формуле N K ти i / N Tэксп , (8.3) i 1 где N i – суммарное время пребывания i-го объекта в работоспособном со- i 1 стоянии (i = 1, 2...N); N – число объектов; Tэксп – продолжительность эксплуатации, включающая интервалы времени работы, технического обслуживания и простоев до наступления предельного состояния. Коэффициент нормативного использования вычисляют по формуле Kни Tо TH , (8.4) где То – общее время пребывания оборудования в работе, включая время простоев по организационным причинам; ТН – нормативный срок службы, т. е. календарная продолжительность эксплуатации оборудования или срок ее амортизации, ч. Коэффициент оборачиваемости Коб является величиной, обратной коэффициенту нормативного использования Кни, и определяется из выражения K об 1 Z 1, K ни A (8.5) где Z = A+B+C – общее число (парк) единиц оборудования предприятия; А, В и С – число единиц оборудования, соответственно занятых непосредственно в технологическом цикле, в подготовительной стадии (монтажетранспортировке) и профилактическом ремонте. Величина Kоб является нормируемой и обычно составляет Kоб = 1,5–2,1. Срок окупаемости оборудования Нок определяется как период эксплуатации, за время которого полезная отдача Q равна цене оборудования Цо или капитальным затратам на его создание, т. е. Q Ц о . Тогда срок окупаемости составляет H ок Цо Ц K ни Qr Pr о То , Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие (8.6) 113 8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ где Q r – годовая отдача или годовой экономический эффект, руб./год; Pr – сумма годовых эксплуатационных расходов, руб. Если принять, что эксплуатационные расходы пропорциональны долговечности, то суммарный экономический эффект P Qε Q To P1 2 , K ти (8.7) где Р1 и Р2 – эксплуатационные расходы, пропорциональные соответственно сроку службы и долговечности, руб/ч. Коэффициент эксплуатационных расходов Кэр определяется как отношение расходов за весь календарный период работы оборудования Pε к ее стоимости Цо: K эр Pε P T 1 P1 2 o . Цо K ти Ц о (8.8) С увеличением времени работы оборудования То уменьшается доля стоимости оборудования в общей сумме расходов. Себестоимость, плановая и лимитная цена оборудования. На предпроектной и проектной стадиях определяют себестоимость нового оборудования, исходя из изменения данных по базовой машине или ее элементов по группам, с учетом стоимости покупных изделий и затрат на проектирование. Цены на проектируемое оборудование также определяют на основе данных по базовой машине. Плановая оптовая цена ЦП учитывает нормативную и дополнительную прибыль и должна находиться в пределах ЦНП <ЦП ЦВП , (8.9) где ЦНП , ЦВП нижний и верхний пределы цены. Нижний предел цены находят для второго года выпуска по плановой себестоимости новой продукции CП и нормативу рентабельности Р: 100 P Ц НП СП . 100 (8.10) Верхний предел цены находят как Ц ВП Ц Б П П 1 / tБ, К ЭП ИБ ИП К ; П Б 1 / tП К ЭП 1 / tП К ЭП Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие (8.11) 114 8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ где П – программы выпуска; индексы П и Б означают отношение показателей к проектируемой или базовой машине; t – срок службы; КЭП – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; И – текущие издержки потребителя при использовании машин; К – изменения капитальных затрат у потребителя в связи с заменой базовой машины на проектируемую. В соответствии с ГОСТ 15.001–69 заявки и исходные требования на создание новых машин и оборудования должны содержать требования по лимитной цене изделия Цл. Если цена нового оборудования Цо > Цл, то применение его будет экономически нецелесообразно. Лимитную цену Цл определяют на основе выбора существующего аналога и оценки эффективности использования нового вида оборудования по сравнению с аналогом. На практике лимитную цену иногда принимают равной 80 % от цены, при которой экономический эффект от применения проектируемой машины становится равным 0. Эффективность нового оборудования может быть оценена путем сравнения его проектной себестоимости и приведенных затрат с фактическими данными базового оборудования по этим же показателям. Обычно определяется годовой экономический эффект по формуле Э = (ПЗ1 ПЗ2 )Q2 [(С1УД С2УД ) ЕН ( К2УД К1УД )]Q2 ; (812) где ПЗ1, ПЗ2 приведенные затраты соответственно по базовому и проектируемому оборудованию; Q2 – объем выпуска продукции с новым оборудованием за год; EH = 0,12–0,15 – нормативный коэффициент эффективности новой техники; C1УД ,С2УД , К1УД , К 2УД удельные показатели себестоимости и капитальных вложений в производственные фонды на единицу продукции базового и проектируемого оборудования соответственно. Часто ожидаемый экономический эффект рассчитывается с учетом только статей затрат, существенно изменяющихся при использовании нового оборудования. Технический уровень совершенства (качества) нефтепромыслового оборудования может быть оценен комплексно с помощью интегрального показателя по формуле: И ИН ЭС ; [ К С (t ) З Г ] (8.13) где ЭС , КС значения полезного суммарного эффекта (может быть в рублях или в единицах измерения произведенной продукции) и капитальных суммарных вложений, (руб.), ЗГ – годовые затраты при эксплуатации; (руб.); ( t ) – коэффициент учета срока службы оборудования и распределения ка- Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 115 8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ питальных затрат по времени, для t = 1 году он равен 1; при t = 5 лет (t ) 0, 262; (10) 0,174. При невозможности выделения главного показателя (например, годовой производительности) применяют средневзвешенное арифметическое значение n И вi i i 1 (8.14) или средневзвешенное геометрическое n И вi i , i 1 (8.15) где вi – коэффициент весомости i-го показателя, определяемый методом экспертных оценок; σi – относительный единичный показатель качества; n – число рассматриваемых единичных показателей. Результаты расчета значений интегрального показателя И фиксируются в карте технического уровня и качества и являются ориентиром для определения лимитной цены нового оборудования и расчета экономического эффекта. Контрольные вопросы 1. Что такое эффективность новой техники и как она оценивается? 2. Структура себестоимости изделий в изготовлении. 3. Себестоимость единицы продукции, производимой изделием при его использовании. 4. Сущность капитальных вложений в производство и эксплуатацию бурового и нефтепромыслового оборудования. 5. Как формируют оптовые цены и что такое лимитная цена? 6. Как определяется экономический эффект от использования новой техники? 7. Связь между техническим уровнем качества продукции и его эффективностью. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 116 9. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАЗЛИЧНЫХ КРИТЕРИЕВ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ 9.1. Влияние условий эксплуатации и режимов нагружения бурового и нефтепромыслового оборудования Машины и оборудование для строительства скважин и добычи из них нефти и газа по месту выполнения технологических процессов разделяются на наземные и внутрискважинные. Многие виды наземного оборудования имеют все конструктивнотехнологические признаки, характерные для машин и механизмов, используемых в других отраслях промышленности. Тем не менее ряд видов наземного бурового и нефтепромыслового оборудования имеют специфические особенности, обусловленные влиянием условий эксплуатации и ведения технологических процессов, интенсивностью нагрузок переменного характера. Эти особенности вызывают появление характерных отказов и требуют строгого подхода к выбору материалов и запасов прочности и выносливости. К такому оборудованию относятся насосы различного назначения, агрегаты спускоподъемного комплекса и циркуляционной системы буровых установок, фонтанная арматура и т. д. К внутрискважинному нефтепромысловому оборудованию относятся скважинные насосы, пакеры, испытатели пластов, клапаны-отсекатели, газлифтные камеры и клапаны и т. д., отличающиеся трубным исполнением, ограничиваемым диаметром скважин. Специфические особенности перечисленных устройств, определяемые технологическими процессами, следующие: 1) высокий класс точности изготовления; 2) наличие большого числа резьбовых соединений, требующих высокого качества и точности сопряжений; 3) наличие большого числа герметизирующих уплотнительных элементов, требующих высокой надежности и соответственно высокого качества изготовления. 9.2. Влияние износа Преобладающей причиной отказов как наземного, так и внутрискважинного нефтепромыслового оборудования, работающего в специфичных условиях, является износ рабочих поверхностей деталей под воздействием Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 117 9. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ 9.2. Влияние износа свойств среды (абразивности выносимых частиц породы, обводненности продукции, вязкости нефти и т. д.) в сочетании с действующими нагрузками. Различают виды изнашивания [4; 16]: 1) абразивное – подвержены плунжеры и цилиндры скважинных и промывочных насосов, шиберы и седла задвижек фонтанной арматуры и т. д. 2) гидро- (или газо-) абразивное – катушки, тройники, крестовины, корпусы задвижек фонтанной арматуры, штуцеры, детали гидравлической части насосов и т. д.; 3) усталостное – подшипники, зубчатые колеса и т. д. 4) при заедании – сопряженные поверхности пробковых кранов, шиберы и седла задвижек фонтанной арматуры, штанговые муфты и насоснокомпрессорные трубы в сильно искривленных и наклонно-направленных скважинах; 5) окислительное – подшипники канатных шкивов, коробки передач, детали, сопряженные с уплотнителями и т. д. Установлено, что интенсивность изнашивания трущихся поверхностей оборудования (например, пары штанговая муфта – НКТ, детали затвора задвижек фонтанной арматуры и т. д.) зависит от свойств и состава добываемой продукции. Например, она увеличивается с увеличением в ней содержания пластовой воды и уменьшается с повышением содержания нафтеновых кислот и асфальто-смолистых веществ. Наличие упомянутых веществ снижает значительно коэффициенты трения и повышает противозадирные свойства. При этом должен учитываться режим нагружения, ужесточение которого увеличивает интенсивность изнашивания любого вида. При этом степень изменения этой интенсивности сильно зависит от твердости материала деталей и величины нагрузки на них. Что иллюстрируется графиками на рис. 9.1 и рис. 9.2 [4]. Рис. 9.1. Зависимость износа образца трубы от изменения твердости образца муфты при трении в нефти с высокими (кривые 1 и 11) и низкими (2 и 21) противозадирными свойствами Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 118 9. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ 9.2. Влияние износа Рис. 9.2. Совокупное влияние твердости муфты и нагрузки на износ трубы в нефти с низкими (а) и высокими (б) противозадирными свойствами при нагрузках Н: 1–200; 2–500; 3–800 Следовательно, для разных нефтяных месторождений с различными свойствами добываемой продукции могут различаться рекомендации по выбору материалов для поставляемого оборудования и режимов нагружения в зависимости от вида и твердости этих материалов. 9.3. Влияние температур на работоспособность оборудования Наряду с износом могут иметь место отказы с серьезными последствиями из-за воздействия низких и высоких температур, влажного климата. Промышленное освоение северных районов страны сопровождалось многочисленными авариями металлических сооружений и техники, в том числе и нефтепромысловой. Так, в России имели место серьезные аварии из-за хрупких разрушений резервуаров из стали 3сп с толщиной стенки 10 мм емкостью 700 и 1000 м3 (пос. Усть-Куйга, Якутия) в процессе эксплуатации при –40 и –53 °С, газопровода из импортных труб на трассе Мессояха – Норильск, металлоконструкций основания буровой вышки в Якутии и т. д. Воздействие низких отрицательных температур усугубляется влиянием масштабного фактора на состояние шероховатости поверхности, наличие концентраторов напряжений и вид упрочняющей обработки деталей. Проектирование оборудования, поставляемого в районы холодного климата (исполнения ХЛ), должно вестись в соответствии с требованиями ГОСТ 15150–69, устанавливающего исполнение, категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования технических изделий в части воздействия климатических факторов внешней среды. Для техники в исполнении ХЛ используют специ- Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 119 9. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ 9.3. Влияние температур на работоспособность оборудования альные хладостойкие стали с соответствующей термообработкой, к металлоконструкциям предъявляются повышенные требования по снижению концентраторов напряжений, для сварки рекомендуют применять специальные электроды и проволоку, сварные швы должны подвергаться дополнительной упрочняющей обработке. По ГОСТ 19281–89 и ГОСТ 19282–89 на низколегированные стали предусматривается поставка листового и фасонного проката с гарантированной ударной вязкостью не менее 290 кДж/м 2 при отрицательных температурах. Сварные конструкции, согласно рекомендациям ЦНИИчермета и Института электросварки имени Е. О. Патона, для техники исполнения ХЛ (низколегированные стали) должны поставляться в термически обработанном состоянии после нормализации или закалки с отпуском и гарантированной ударной вязкостью при расчетных температурах ( с контролем ее при –40 °С). Резинотехнические материалы и полимерные изделия должны сохранять работоспособность при воздействии низких температур до –60 °С, солнечной радиации до 635 Вт/кВ. м в сутки, повышенного содержания озона, характерных для северного региона. Специальные требования предъявляются к запуску ДВС, кабинам, электротехническим изделиям. Тепловое воздействие на детали возникает при работе трущихся деталей оборудования, а также при технологических процессах с использованием высоких температур. Например, при тепловом воздействии на пласт оборудование устья скважины, обсадные колонны, скважинное оборудование могут нагреваться до 150–350 °С. Целесообразно использование в оборудовании для таких случаев углеродистых сталей, легированных хромом, ванадием, молибденом От теплового режима в значительной степени зависит работоспособность фрикционных, червячных и других передач, муфт и т. д. Поэтому в ряде случаев выполняются тепловые расчеты с целью определения температуры нагрева деталей и поиска конструктивных решений по ее ограничению допустимыми пределами. Эти расчеты основываются на уравнении теплового баланса между количеством выделяемого и отводимого тепла. На основе этих расчетов, в частности, увеличивают охлаждаемые поверхности корпусных деталей, применяют охлаждающие устройства, осуществляют выбор материалов и режима смазки. 9.4. Влияние вибрации При работе бурового и нефтепромыслового оборудования так же, как и других видов техники, может появляться вибрация, которая приводит при определенных условиях к усталостному разрушению деталей. Колебания чаще всего обусловлены упругостью деталей силовых передач (валов, зубьев колес, стенок корпусов), неточностями в изготовлении рабочих поверхностей контактирующих элементов, изменением величин деформации сопрягаемых Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 120 9. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ 9.4. Влияние вибрации деталей. При работе бурового оборудования специфичны поперечные и продольные колебания бурильной колонны значительной протяженности при вращении в скважине и от взаимодействия зубьев шарошечного долота с забоем. Эти колебания усиливаются при бурении в породах высокой твердости и могут стать опасными не только для элементов долота и бурильной колонны, но и для деталей и сборочных единиц буровой установки в целом. На практике стремятся использовать методы устранения внешних сил, вызывающих опасные колебания. В основе большинства методов закладывается изменение динамических свойств системы – моментов инерции масс и податливости соединений. Для повышения виброустойчивости оборудования больший эффект может быть достигнут при включении в его систему специальных виброгасителей. Их роль при работе бурильной колонны играют протекторы, центраторы и калибраторы, а также устройства, амортизирующие продольные колебания колонны от шарошечного долота. При расчетах на вибрационную устойчивость вращающихся валов и других конструкций определяют критическую частоту вращения, при которой появляется возможность резонанса. При допускаемой величине f статического прогиба под нагрузкой критическая частота вращения определяется как (9.1) Зона частот вращения от 0,7nкр до 1,3nкр не должна использоваться, при продолжительной работе в этой зоне поломка неизбежна. На рис. 9.3 * приведен график изменения вероятности безотказной работы станков-качалок в зависимости от числа качаний в минуту, т. е. снижение усталостной выносливости с увеличением частоты приложения нагрузок (рабочих скоростей движения механизмов нефтепромысловых и буровых машин) характеризуется соответствующим снижением количественных показателей их безотказности и долговечности Приведенные критерии работоспособности и режимы нагружения бурового и нефтепромыслового оборудования определяют выбор материалов, предельных допускаемых напряжений для конкретных деталей, изготовленных из выбранных материалов, и видов упрочняющей (термической, химической или механической) обработки. * Примечание: графика рисунка – в авторской редакции. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 121 9. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ 9.4. Влияние вибрации Рис. 9.3. График изменения вероятности безотказной работы станков-качалок в зависимости от числа качаний в минуту Таким образом, при выборе материалов и расчетах на прочность и выносливость деталей нефтепромысловой техники должны учитываться следующие факторы: климатические условия; агрессивность среды использования; тепловой режим работы; характер нагружения: величина, цикличность (частота) и длительность нагрузок. Рекомендации по выбору материалов приведены в табл. 9.1. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 122 9. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ 9.4. Влияние вибрации Таблица 9.1 Рекомендации по выбору материалов № п/п 1 Особенности условий работы техники Низкие температуры (от –40 до –60 °С) приобретается хрупкость сталей, пластмасс, резин 2 Влажный и жаркий климат. Воздействие солнечных лучей, влаги, бактерий и насекомых 3 Агрессивные среды: особенно H2S, CO2 Коррозия и повышенный износ, коррозионная усталость при совокупном воздействии агрессивной среды и цикличных Ведение технологических процессов с использованием высоких температур, работа трущихся деталей 4 Виды Рекомендуемые материалы оборудования Сварные конструк- 09Г2С, 10Г2С1, 10ХСНД, ции буровых вышек, 15ХСНД оснований и т. д. Детали исполни- Стали, легированные Cr, Ni, тельных механиз- Mo: 12ХН3А, 12ХН2, мов и приводов 12Х2Н4А, 30ХН3А, 30ХМА, 30Х,40ХН, 38ХМЮА Укрытия, уплотне- Композиционные неметаллиния, облицовки и ческие материалы, пластмасдр. сы, пенопласты, тетрафторэтилен и т. д. Те же конструкции Легированные стали с повышенным содержанием Сr (до 12 %), Ni, металлические и неметаллические покрытия, ингибиторы коррозии, электрохимическая защита Фонтанная арматура, внутрискважин- Стали хромоникелевые и ниное оборудование кельмолибденовые Внутрискважинное Жаропрочные стали и устьевое оборудование при тепловом воздействии на пласт. Стали, легированные Cr, V, Подшипниковые Mo узлы При расчетах на прочность и выносливость наряду с выбором предельных напряжений в зависимости от вида деформации (растяжение, сжатие, изгиб, кручение) необходимо учитывать запасы прочности. Общемашиностроительные нормы запасов прочности деталей принимают при расчетах: на статическую прочность по пределу текучести или временному сопротивлению растяжению-сжатию [S] = 2,6–3,2; на выносливость при переменных напряжениях (изгиба, растяжениясжатия, кручения) [n] = 1,3–1,5; Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 123 9. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ 9.4. Влияние вибрации на выносливость при контактных напряжениях (при расчете зубчатых передач, подшипников качения) [n] = 1,2–1,25; на устойчивость металлоконструкций буровых вышек, мачт подъемников и т. д. [k] = 2,0–3.0. Эти запасы следует увеличивать для оборудования, отказы которых могут быть сопряжены с тяжелыми последствиями: с травмами и гибелью людей, большим материальным и экономическим ущербом. Для изделий нефтегазового машиностроения эти запасы в ряде случаев существенно увеличены. Например, для деталей талевых систем буровых установок и агрегатов подземного ремонта скважин, буровых насосов и роторов значения [S] достигают 3,5–4, значения [n] составляют 1,5–2. 9.5. Особенности режимов нагружения сопрягаемых деталей Сопряжения деталей могут быть: 1) неподвижными – при их соединении сваркой, резьбой, посадкой в натяг, склеиванием, пайкой и т. д.; 2) подвижными – при передаче движения от одной детали к другой путем зацепления и трения (шлицевые и шпоночные соединения, зацепление зубчатых передач; при перемещении детали относительно другой неподвижной детали (пары ползун – направляющие, поршень – цилиндр, клапан – седло, пробка крана – гнездо крана и т. д.). Контактно нагруженные сочленения: зубья шестерен, роликовые захваты ключей, упоры шарниров, изготавливают из закаливаемых или цементируемых деталей. При контактном сопряжении (два цилиндра, шары, цилиндры или сферы с площадкой) материал в зоне действия максимального напряжения находится в условиях всестороннего сжатия. В этом случае предел текучести материала возрастает в 4–5 раз по сравнению с односторонним сжатием (σт.=1000–2500 МПа). При ударных нагрузках это значение уменьшается в 2–3 раза. Неправильная организация режимов нагружения перечисленных сопряжений приводит к их отказам из-за износа, усталостного разрушения, нарушения герметичности, коррозии и т. д. На долговечность соединений могут существенно влиять конструкция сопрягаемых деталей и технология их изготовления. Величина эффективного коэффициента концентрации напряжений Кσ, например при кручении валов со шлицевыми соединениями, для прямозубых шлицев в 1,5 раза выше, чем у эвольвентных шлицев. Для шпоночных канавок, выполненных дисковой фрезой, значение Кσ при изгибе выше, чем у канавок прорезанных пальцевой фрезой, на 15–25 % в зависимости от прочности материала. Выносливость прессовых соединений очень зависит от величины натяга и размеров посадки. Например, при диаметре валов свыше 100 мм значения коэффициента Кσ для средних посадок в натяг H7/s6 выше, чем для скользящих посадок H7/h6 от от1,5 до 2,15 раз в зависимости от значения предела прочности. Существенно повышаются эффективные коэффициенты Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 124 9. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ 9.5. Особенности режимов нагружения сопрягаемых деталей напряжений и при меньших диаметрах валов – до 1,5–1,8 раза при посадке H7/r6. Известны следующие конструктивные меры по снижению уровня отказов или их предотвращению: 1. Обеспечить равномерное распределение нагрузок между сопрягаемыми деталями и снижение в них напряжений путем использования упругих деформаций (обычно это достигается при перемещении сопряжения из узлов жесткости). 2. Избегать сопряжения деталей по нескольким поверхностям. Сопряжения предусматривать только по одной поверхности, по остальным же предусматривать зазоры, исключающие соприкосновения деталей при упругих, тепловых и прочих деформациях. 3. В случаях неизбежной затяжки по двум поверхностям рекомендуется использование упругих прокладок. 4. Осевую фиксацию деталей рекомендуется осуществлять только в одной точке для обеспечения возможности ее самоустановки по остальной ее длине. 5. Детали, совершающие возвратно-поступательное движение по двум направляющим, фиксируют на одной направляющей, а вторая направляющая только должна поддерживать деталь. 6. Привалочные поверхности рекомендуется выполнять плоскими, избегая крепления по цилиндрической поверхности. Нужно избегать деформации деталей при затяжке болтов крепления, затяжку производить попеременно на небольшую величину каждый раз. На уплотняющих поверхностях не должно быть ступенек, внутренних и наружных углов. 7. Следует избегать стыкования деталей по скрещивающимся плоскостям, затрудняющего изготовление изделия и уплотнение стыков (разъемные корпуса и их крышки). 8. Трущиеся и быстро изнашиваемые части следует выполнять в виде отдельных и легко сменяемых деталей. 9. Взаимное расположение в корпусе должно осуществляться при минимальном числе переходных сопряжений и посадок (сопряжение конических фасок клапанов с гнездом, изготовление угловых передач). 10. Подвижные соединения, изготовленные с высокой точностью необходимо разгружать от излишних сил во избежание повышения износа или нарушения работы механизма. 11. В соединениях деталей из твердых и мягких материалов поверхность из более твердого и износостойкого материала должна перекрывать мягкого и менее износостойкого материала ( пары концевые цапфы – бронзовые втулки, зубья шестерен – зубья колес и т. д.). 12. Максимальное снижение концентрации напряжений в соединениях в натяг. В этом случае рекомендуется: увеличивать длину и диаметр соединений; повышать класс точности изготовления сопрягаемых деталей; подбирать оптимальные сочетания диаметров сечений охватываемой и охватывающей деталей; уменьшать сечения торца вала и ступицы. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 125 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.1. Состав, структура и свойства предметно-пространственной производственной среды. Основные компоненты и определяющие факторы Человек создает технику и разрабатывает технологические процессы производства, осуществляя тем самым функции труда в своей жизнедеятельности. Среду, в которой ведется человеком эта деятельность с использованием необходимых средств, в совокупности называют предметнопространственной производственной средой или точнее системой «человек – техника – среда» (ЧТС). Основными компонентами ПППС (или ЧТС) являются: человек, техника, процесс труда, результат труда (изделие, продукция). Схема взаимодействия компонентов системы ЧТС представлена на рис. 10.1 [1]. Взаимодействие человека со средой инициирует между ними отношения, накладывающие отпечаток на свойства техники и технологические процессы. В свою очередь, имеется обратная связь влияния техники и технологии на процессы взаимодействия человека со средой. Восстановление работоспособности 1 Среда 2 Результаты работы СИ И М ОУ Ресурсы 3 Ч Т Регулирование параметров среды Рис. 10.1. Взаимодействие компонентов системы ЧТС: – регулирующее воздействие; – сенсорная обратная связь (1 – визуальный сигнал; 2– звуковой сигнал; 3 – тактильное воздействие; СИ – средство отображения информации; ОУ – орган управления; ИМ – исполнительный механизм Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 126 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.1. Состав, структура и свойства предметно-пространственной производственной среды. Осн. компоненты и определяющие факторы Роль техники в развитии человека и окружающей его среды – главных компонентов природы, чрезвычайна велика. Этому развитию способствует весь комплекс свойств изделий, определяющих их качество: функциональность, надежность, эргономичность, эстетичность, соответствие требованиям экологии, ресурсоемкость в производстве и безопасность эксплуатации. Между этими свойствами различают связи прямые и косвенные, противоречивые и непротиворечивые. Например, придание изделию эстетичности и эргономичности в одних случаях могут упрощать его конструкцию и повышать технологичность, но в других – нормы эргономики усложняют управление, удорожают технологию, повышают материалоемкость и трудоемкость изделия. Создание комфортных условий оператора в системе «человек – машина» повышает производительность и уровень надежности системы, решения же по эстетике прямого воздействия на эти факторы не оказывают. В последнем случае можно вести речь о благотворном влиянии этих решений на психофункциональное состояние человека, т. е. о косвенном положительном воздействии [10]. Система ЧТС должна функционировать при минимальном расходе ресурсов человека: времени, психического и физиологического напряжения, здоровья, и с получением максимального удовлетворения от своей деятельности. Нерациональное и неэффективное решение проблем управления машинами и их эксплуатации могут привести к глубоким социальным последствиям. Поэтому разработка технических заданий на проектирование должна удовлетворять требованиям эргономики и эстетики. 10.2. Основы эргономики Эргономичность изделия – совокупность свойств, характеризующих приспособленность конструкции изделия к взаимодействию с человеком с учетом его физико-биологических данных. Разработка элементов системы ЧТС является предметом эргономического проектирования, основное условие которого – комплексный учет специфических факторов системы ЧТС: 1) вида изделия и особенностей его работы; 2) особенностей человеческого организма; 3) условий окружающей среды. Состояния среды, в которой может находиться человек в процессе осуществления своих трудовых функций, приведены в табл. 10.1 [12]. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 127 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.2. Основы эргономики Таблица 10.1 Характеристика среды деятельности человека Состояние среды Комфортное Характерные особенности Обеспечивается оптимальная динамика работоспособности, хорошее самочувствие и сохранение здоровья оператора Относительно дис- Обеспечиваются заданная работоспособность и сохранение здорокомфортное вья работника в течение определенного времени, но вызывает у него неприятные субъективные ощущения и функциональные изменения в пределах нормы Экстремальное Приводит к снижению работоспособности оператора и функциональным нарушениям, выходящим за пределы нормы, но не ведущим к патологическим нарушениям Сверхэкстремальное Приводит к патологическим изменениям в организме человека и (или) невозможности выполнения работы В зависимости от этих особенностей сформулированы и стандартизованы специальные эргономические требования. Их виды представлены в табл. 10.2. Таблица 10.2 Эргономические требования Виды требований Гигиенические Требуемые условия и ограничения Ограничение воздействия внешней среды путем соблюдения норм метеорологических условий и микроклимата на рабочем месте Антропометрические Соответствие изделия размерам, массе и форме человеческого тела, выбор физиологически рациональных поз Физиологические (биоме- Соответствие изделия силовым и скоростным возможностям ханические) человека. Выбор рациональных траекторий, направления и скорости рабочих движений, величин максимально допустимых усилий Психофизиологические Соответствие особенностям функционирования органов чувств человека (порог слышимости, зрения и осязания). Психологические Соответствие психологическим особенностям человека (памяти, восприятия, мышления) Схема области безвредных и безопасных условий деятельности человека, составляющих основу гигиенических требований, приведена на рис. 10.2 (база для гигиенических требований). Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 128 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.2. Основы эргономики Рис. 10.2. Области безопасных условий деятельности человека Главный элемент системы «человек – машина» – рабочее место, которое по ГОСТ 19605–74 характеризуется как зона, оснащенная необходимыми техническими средствами, в которой совершается трудовая деятельность исполнителя или группы исполнителей, выполняющих одну работу или операцию. Рабочее место включает основные и вспомогательные средства (станки, механизмы, агрегаты, защитные устройства, энергетические установки, коммуникации, технологическую оснастку, инструмент и приспособления). Различают рабочие места основных, вспомогательных и обслуживающих рабочих, ИТР и АУП. Рабочее место проектируется и организуется с учетом требований эргономики, безопасности труда и технической эстетики. По ГОСТ 20.39.608–85 эргономические требования различаются на группы по иерархическому предметно-функциональному признаку: 1) организация системы «человек – машина»; 2) организация деятельности оператора; 3) технические средства деятельности оператора. При организации системы «человек–машина» одной из главных задач формирования эргономических требований является распределение между ее компонентами функций: обнаружения, диспетчерских, слежения, связи и т. д. с учетом возможностей человека, обеспечения при этом норм социальных, Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 129 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.2. Основы эргономики этики взаимоотношений и соблюдения экономических ограничений (по стоимости системы и количеству специалистов). Эргономические требования к организации деятельности оператора представлены в системе правил и положений по информационному взаимодействию человека с машиной, необходимых для проектирования. Известно, что зачастую человек не имеет возможность наблюдать за управляемыми объектами и средой, в которой объекты работают. Для управления технологическими процессами при бурении скважин и добыче нефти и газа данная ситуация является характерной. По ГОСТ 26387–84. Человек должен работать с информационной моделью, позволяющей формировать образ реальной обстановки, анализировать и оценивать ситуацию, осуществлять управляющие воздействия на технические объекты и внешнюю среду. Основные требования к информационной модели: 1) информация об объекте управления должна предъявляться оператору в виде понятном и легко реализуемом им в машине с выделением наиболее важных сведений; 2) модель должна давать наглядное представление о пространственном расположении объекта; соотношения его связей и свойств должны быть хорошо читаемы и легко воспринимаемы; 3) при кодировании информации (что целесообразно) алфавит символов должен быть понятен и легко реализуем, соответствовать возможностям человека; 4) особо важная информация, за которую оператор несет ответственность, должна отображаться ярко, вспомогательная информация – приглушенно. Эргономические требования к техническим средствам деятельности оператора определяют конструкцию, организацию и компоновку рабочих мест. Пространственная компоновка рабочего места, величина силы воздействия на органы управления, параметры обзорности определяются положением тела работающего. Каждое положение характеризуется определенным расходом энергии, и выбор его определяется следующими факторами: 1) размерами моторного пространства; 2) величиной и характером рабочей нагрузки (статической или динамической); 3) объемом и темпом рабочих движений; 4) степенью точности выполнения операций; 5) особенностями предметно-пространственного окружения. Положение стоя – благоприятно для зрительного обзора, перемещения и зрительно-моторных координаций, но оно более утомительно. Поэтому рекомендуют для этого случая частую смену позы с кратковременным перерывом для отдыха. При работе сидя энергетические затраты снижаются на 10–20 %, но уменьшается возможность передвижения, сокращаются зоны досягаемости, силовые возможности. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 130 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.2. Основы эргономики Общие эргономические требования к индивидуальным рабочим местам, определяющие взаимное положение элементов и компоновку рабочего места, излагаются в ГОСТ 22209–79, ГОСТ 12.2.032–78, ГОСТ 12.2.033–78. Рабочее место оператора состоит из пульта управления, средств связи и кресла. Пульт может быть частью оборудования, отделен от объекта управления, находиться в другом помещении. Информацию о работе объекта получают с КИП, расположенных на пульте, приборном щите или непосредственно с управляемого объекта. В последних двух случаях на пульте располагают только органы управления. Габаритные размеры пульта, параметры зон досягаемости по высоте, ширине и глубине, размеры пространства для ног, высота рабочей поверхности, угол наклона панелей рассчитываются по общим правилам расчета рабочих мест. Приведем далее некоторые из этих правил. Например, для положения «сидя» предпочтительны панели пульта горизонтальные и наклонные различной формы (рис. 10.3, а). Глубина их не более 500 мм от переднего края. Если ширина вертикальной панели более 1500 мм, то удобнее работать стоя (рис. 10.3, б). Средства отображения информации располагают обычно на вертикальных панелях, а органы управления – на наклонных (под углом 10–20 к горизонтальной плоскости) и горизонтальных. а б Рис. 10.3. Расположение средств отображения информации и органов управления на панелях пульта: а – при работе сидя; б – при работе стоя-сидя; 1, 2, 3 – средства отображения информации; 4, 5, 6 – менее важные средства отображения информации и органы Расположение и углы наклона панелей должны соответствовать показаниям на рис. 10.4, а, а углы зрительного обзора – показаниям на рис.10.2, б. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 131 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.2. Основы эргономики а б Рис. 10.4. Расположение панелей пульта управления и углы зрительного обзора: а – наклон панелей пульта управления при работе стоя-сидя; б – углы зрительного обзора оператора при повороте глаз и головы: α – оптимальный угол; β и γ – оптимальные углы соответственно при движении глаз и при повороте головы Рекомендуемые зоны размещения средств отображения информации представлены на рис. 10.5. Рисунок 10.5. Зоны размещения средств отображения информации на плоскости: А – часто используемая зона для быстрого и точного считывания; В – часто используемая зона для менее точного и быстрого считывания; С – редко используемая зона при работе стоя; Д – зона стрелочных индикаторов Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 132 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.2. Основы эргономики При повышенной точности манипуляций органами управления на пульте необходимо предусмотреть опорную поверхность для предплечий и кистей рук. Цветовое решение панелей должно быть спокойным, в светлых приглушенных тонах, не допускается блеск поверхностей панелей и элементов, размещенных на них. На панелях пульта не должно быть посторонних элементов или выступающих частей крепежа. Рабочая поверхность в местах соприкосновения с частями тела работающего должна изготавливаться из материала с низкой теплопроводностью. Рабочая поверхность должна легко и быстро подвергаться уборке. Общие эргономические требования к пультам управления регламентируются ГОСТ 23000–78. Эргономические требования к средствам отображения информации содержатся в ГОСТ 2601–84, ГОСТ 19785–88 и др. (8 стандартов). В них учитываются зрительные возможности человека, возможность и скорость считывания показателей со шкал приборных индикаторов, приводятся оптимальные величины интервалов между отметками, толщины обводки цифр и соотношение их размеров и расположения на шкалах и т. д. 10.3. Основы эстетики предметно-пространственной среды Основные понятия Эстетичность объектов – это совокупность свойств, характеризующих их художественную выразительность, рациональность формы, целостность композиции, совершенство производственного исполнения [12]. 1. Художественная выразительность заключается: в передаче социальнозначимой информации в виде художественных образов; оригинальности замысла, выделяющего данное изделие (объект) среди аналогичных объектов; соответствии стиля окружающей среде; соответствии моде, выражающей господствующие в данное время эстетические вкусы. 2. Рациональность формы – свойство, выражающее согласованность принятых конструктивных форм с условиями внешней среды: функционально-конструктивная обусловленность формы, т. е. соответствие назначению по динамичности, легкости, быстроходности, тяжеловесности и т. д., принципу действия и особенностям взаимодействия изделия со средой; согласованность формы изделия и примененных материалов; масштабная согласованность формы целого и частей. 3. Целостность композиции выражается в следующих свойствах: организованность объемно-пространственной структуры, т. е. логическая завершенность пространственного строения формы, ее масштабной, Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 133 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.3. Основы эстетики предметно-пространственной среды пропорциональной и ритмической организации, подчиненность целому частного; тектоничность, т. е художественная осмысленность реальной работы и конструкции и материалов; пластичность внутренних решений, т. е. логичность взаимных переходов и связей, объемов, плоскостей и очертаний формы; единство пластичного решения с другим функционально связанным изделием; упорядоченность графических и изобразительных элементов, их взаимная согласованность и соподчиненность по общему композиционному решению; колорит и декоративность, взаимосвязь цветовых сочетаний и использования декоративных свойств материалов. 4. Совершенство производственного исполнения характеризует эстетично совершенный товарный вид изделия и имеет свойства: чистоту выполнения контуров и сопряжений; тщательность выполнения, стойкость декоративных и защитных покрытий и отделки поверхностей; четкость исполнения фирменных знаков и указателей. Проектная деятельность по приданию промышленному изделию эстетичности называется художественным конструированием или дизайном. Дизайн, цели, задачи и этапы Цели и задачи дизайна: 1) обеспечить удобство пользования изделием путем придания ему художественной выразительности, гармонии целостной формы и др. свойств, соответствие условиям его использования по назначению; 2) облегчить общение человека с изделием, уменьшить нервное напряжение, способствовать созданию комфортных условий для физической и умственной деятельности. Дизайн может охватить, кроме отдельных машин, оборудования и их комплексов, производственные помещения, внутризаводской транспорт, технологические линии, заводские и другие производственные территории (размещение зданий, сооружений и оборудования на буровых, производственных и ремонтных предприятий нефтяной промышленности). На решение проблем дизайна воздействуют элементы информационные, управляющие и лицевые (панели, оболочки, несущие конструкции и т. д.). Инженерное проектирование и дизайн – единый процесс создания общественно целесообразных изделий, удобных в эксплуатации, технически совершенных и красивых. Выделяют следующие этапы этого процесса: 1. Предпроектные исследования: изучаются отечественные и зарубежные аналоги, стандарты, медикогигиенические нормы, условия производства. На этой основе производится эргономический анализ проектируемого изделия; Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 134 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.3. Основы эстетики предметно-пространственной среды определяются основные условия, влияющие на показатели качества изделия, технические показатели: масса, габариты, мощность и производительность, удобство эксплуатации, обслуживания и ремонта; производится исследование экономических показателей с учетом технических и технологических возможностей предприятия и перспектив его развития. 2. Проектные исследования: осуществляется художественное и эргономическое моделирование объекта с целью выявления естественных связей изделия с социальнокультурной средой и человеком; исходя из общественного образа потребления, дизайнер выявляет главный смысл изделия как вещи и пытается воплотить его в проектном образе; вещь оценивается как целесообразно работающая конструкция с точки зрения удобства, портативности, гибкости, комфортабельности. От первых идей и эскизных набросков до состояния законченного проекта дизайнер постоянно выступает в роли аналитика-эксперта по отношению к требованиям и предложениям заказчика-потребителя. В этом процессе могут выбираться варианты художественно-конструктивных компоновок и целесообразна коллективная оценка проектных решений («мозговой штурм»). 3. Проектно-графическое моделирование. Основные типы графических изображений: наброски, поисковые рисунки, эскизы, демонстрационные рисунки и чертежи. Набросок – обобщенное условное изображение, характерное передачей только основного и типичного, без проработки деталей. Наброски выполняются по памяти, по воображению и с натуры. В зависимости от графических средств наброски могут быть контурными, контурно-тональными и живописно-тональными, точно передающими объемность, цветофактурные, фактурно-пластические характеристики форм. Основным средством графического выражения является линия. Она может быть прерывистой, трепетной, воздушной, стремительной. Штрих или заливка, используется для передачи тона, фактуры, цветности, материальности поверхностей объекта в черно-белых набросках (объем, светотень). Используют обычно фломастер, карандаш, перо, тушь, реже акварель, уголь и т. д. Поисковый рисунок – монохромное обобщенное изображение для быстрой фиксации идеи в процессе решения композиционно-графических задач, формирования компоновок, проработки отдельных узлов, конструктивных сечений. Используются методы рисования и черчения. Эскиз – дает точное представление об изделии. Эскиз можно выносить на обсуждение. Демонстрационный рисунок – представляет изделия в завершенной форме, выполняют с помощью методов перспективного построения и с привлечением всех видов изобразительных средств. Выполняется на отдельном планшете на основе приемов и правил композиции. Проработка эскизных и демонстрационных рисунков и поисковых моделей целесообразна параллельно с разработкой чертежей компоновки и об Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 135 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.3. Основы эстетики предметно-пространственной среды щего вида изделия, поскольку с их помощью выявляются формы, масштабы и пропорции образца. Композиция промышленного изделия – построение целостного произведения, все элементы которого находятся во взаимосвязи и гармоничном единстве, по определенным приемам и правилам На демонстрационных планшетных рисунках основным объектом является центр композиции. Приемы построения композиции: главное изображение в укрупненном масштабе и (или) в центре планшета; при многоплановой композиции основное изделие располагают на переднем плане; используют контрастные решения линейных и плоскостных тональных отношений объекта и фона; подбирают освещенность так, чтобы главный объект четко вырисовывался, а второстепенные вспомогательные элементы – условно и мягко (размыто); расположение изображений выполняют линейно, как бы ведя зрителя к центру композиции. Правила композиционного расположения изделия на планшете заключаются в выражении уравновешенности, динамичности, завершенности структуры объектов и тектоничности. Уравновешенность достигается: 1) симметричным расположением изображений с учетом их плотности, количества и тональности; 2) определением смыслового значения каждого объекта: основные предметы и формы должны уравновешивать более громоздкие, но второстепенные; 3) варьированием плотностью и тональностью пятен; 4) расположением более тяжелых предметов в нижней части рисунка, что обеспечивает устойчивость. Равновесие определяет вес и направление элементов конструкции. Элемент, находящийся в центре композиции или близко к нему, или расположенный на вертикальной оси, проходящей по центру композиции, ощущается имеющим меньший вес, а элемент в верхней части – тяжелее нижнего. Направление предмета слева направо и вверх воспринимается как набор высоты, другие направления – как нисходящее. Любой предмет, расположенный в верхней части композиции, выглядит тяжелее, чем в левый. Динамичность достигается: 1) размещением движущихся предметов вне центра: эффект динамичности усиливается при наличии свободного пространства перед объектом; 2) размещением объекта на диагонали планшета; 3) выбором точки зрения на объект (лучшие ракурсы с нижнего горизонта). Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 136 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.3. Основы эстетики предметно-пространственной среды В композиции большую роль играют объектно-пространственные структуры: моноблочные со скрытым механизмом (автомобили, роторы, вертлюг, редукторы и т. д.), размещенные в корпусе; открытые структуры механизмов или несущих конструкций (буровые вышки и их основания, стойки станков-качалок и т. д.); смешанные (лебедки, насосы и т. д.). Тектоника (от греч. – строить, созидать) отражает соотношение размеров, например несущего и несомого, нагруженного и свободного от усилий элементов, что должно находить адекватное отражение в форме. Несущие элементы должны быть сильными, несомые – легкими и т. д. Средства композиции – пропорционирование, масштабность, тождественность, ритм, контраст, нюансировка. Пропорционирование – при компоновке сложной многоэлементной системы выделяются пространственно-обособленные, визуально-автономные a c K . b d группы, элементы. Затем уточняют их размерные отношения Частный случай геометрической пропорции – правило золотого сечения: деление целого на две неравные части, в которой меньшая относится к большей, как большее к целому: в инженерной практике чаще K 0,618 или Применяют и другие соотношения большего к меньшему: 2 1,41; 3 1,73 и 5 2,25 . Масштабность – определяет соразмерность изделия, его параметров с окружающей средой и человеком, выражает соответствие зрительно воспринимаемых форм сооружений, машин и т. д. размерам человека или его элементам (руке, пальцу и т. д.). Тождественность – повторение величин и свойств изображаемых предметов. Нюансировка – оттенять, делать едва уловимые переходы (нюансы). Контрастность – различие сравниваемых величин, значений – придает динамичность, усиливает впечатление. Метрический повтор – отражает характер процессов функционирования изделий и связан с контрастом (иллюминаторы судна, самолета, окна, простенки, двери, вагоны, шкалы приборов). Ритм – постепенные количественные изменения в ряду изображаемых элементов – нарастание или убывание объема или площади, чередование выпуклых и вогнутых частей, силы тона, светлого или темного. Ритмы могут быть убывающими, возрастающими, спокойными, беспокойными, направленными по горизонтали и вертикали и т. д. Представление об объемно-пространственных структурах и тектоничности композиций можно получить достаточно полно путем макетирования. Различают поисковые, доводочные, посадочные и демонстрационные макеты. также 21 . 34 Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 137 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.3. Основы эстетики предметно-пространственной среды Поисковые макеты изготавливаются со значительным уменьшением масштаба (для оперативности и удобства манипуляций) из различных материалов (пластилин, дерево, пенопласт, пленок и т. д.) с целью определения формально-пластических решений, поиска объемно-пространственных структур. Доводочные макеты строят для уточнения характеристик создаваемого изделия, когда основные ее свойства определены. Они имитируют относительно несложные цилиндрические и плоские поверхности, составные с возможностью перемещения относительно друг друга, их сборку, разборку или отдельные функции. Очень удобна бумага для получения разверток, раскроя заготовок, для иллюстрации технологической обработки штамповкой, сваркой и т. д. Посадочный макет – для воспроизведения объемно-пространственной структуры технически сложных изделий (транспортные средства, буровые установки, сельхозмашины и т. д.) и проверки на натуре в виде деревянного каркаса с последующей облицовкой. В каркасе можно разместить натурные элементы: сиденья, органы управления, приборы и т. д. Посадочный макет позволяет проводить и некоторые измерения, подбирать конструкционные и отделочные материалы, отрабатывать решения, проверять реакцию и ощущения будущего потребителя в условиях, приближенных к реальным. Демонстрационные макеты – дают полное представление об изделии и его свойствах. Широко применяют в выставочных экспозициях. Могут имитировать функциональные и другие эффекты. При создании принципиально новых перспективных конструкций практикуют изготовление действующих макетов в натуральную величину. Цвет в проектировании Показатели цвета: Цветовой тон – зависит от избыточного поглощения одного из цветов хроматической абберации. Чистота цвета (насыщенность) – характеризует степень яркости света (светлые тона). Цветовой климат – комплексное понятие, характеризующее в совокупности гармоничность сочетания или противопоставления цветовых тонов, условия восприятия цвета, уровень освещенности, их психофизическое воздействие на человека. Некоторые закономерности восприятия цвета: цвета красный, оранжевый, желтый – восприятие солнца и огня, теплые тона. синий, голубой (море, вода, небо) – холодные тона Теплые тона кажутся наступательными, активными, холодные – отступающими, пассивными. Дизайнеры должны стремиться к цветовой гармонии (рис. 10.6), имеющей разновидности: контрастная – выражается противопоставлением цветов: красный – зеленый, оранжевый – синий, желтый – фиолетовый; Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 138 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.3. Основы эстетики предметно-пространственной среды нюансная – выражается через сочетание цветов, близких по характеристикам (красный – оранжевый, синий – голубой и т. д.); цветовая триада– используется сочетание цветов, равноотстоящих на цветовом круге: красный – желтый – синий; оранжевый – зеленый – голубой; колорит– продуманная система сочетания цветов. Задачи использования цветов при конструировании – облегчить труд, сделать приятным пребывание в предметно-пространственной среде. Фиолетовый Красный Голубой Серый Оранжевый Синий Желтый Зеленый Рис. 10.6. Схема цветовой контрастной гармонии Окраска объекта должна: раскрывать специфические особенности функций объекта, сущность, назначение; помогать выявлять объемно-пространственную и тектоническую структуры, выражение тяжести, легкости, динамичности, ритма, пропорций. При окраске оборудования выделяют зоны управления, рабочие органы и т. д. В зависимости от преобладания и характера красок колорит изделия может быть темным, холодным, светлым, теплым, спокойным или направленным. 10.4. Последовательность художественного конструирования В табл. 10.3 представлена последовательность, конкретное содержание и результат работы дизайнера на различных этапах конструирования изделия. Художественно-конструкторское предложение – поиск основной идеи изделия, его компоновки, обобщения формы. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 139 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.4. Последовательность художественного конструирования Работа над эскизными вариантами – нахождение целесообразной компоновки узлов и деталей, поиск их пространственной взаимосвязи и внешней формы, логически увязанных с содержанием изделия. В этом процессе дизайнер и инженер-конструктор должны иметь ясное представление о реальных отделочных материалах, которые можно использовать в изделии, и технологических возможностях изготовления в условиях предприятияпроизводителя. Основным методом творческой работы дизайнера на всем протяжении проектирования является объемный поиск решений с помощью моделей и макетов, разрабатываемых как для изделия в целом, так и для отдельных узлов. Масштаб модели увеличивается по мере приближения к выбору окончательного решения. В вариантах эскизов должны быть отражены основные показатели рациональных решений по конструктивной схеме, потребляемой мощности, габаритам, массе, новым материалам. Должны быть также учтены требования технологические, эксплуатационные, эргономические, эстетические, экономические и др. Компоновка изделия осуществляется конструктором и дизайнером совместно. Конструктор определяет основные узлы изделия, их габариты и схематическую компоновку. Дизайнер находит возможные варианты компоновки в объемном виде. Далее идет композиционное уточнение формы, возникшей в компоновочной схеме. Таблица 10.3 Последовательность художественного конструирования в проектировании промышленных изделий Стадии проектирования Содержание работы дизайнера Техническое зада- Участие в разработке ТЗ ние (ТЗ) Результат работы дизайнера Согласование с дизайнером ТЗ Техническое предложение: художественно-конструкторский анализ Участие в анализе качества аналогов Обобщение результатов хуи совокупности связей в подсистемах дожественно-конструктор«человек – изделие» и «человек – сре- ского анализа да» Эскизный проект Разработка художественно-конструкторского предложения: предварительные исследования, изучение конструкции, материалов и технологии изготовления; определение требований к изделию; варианты компоновок; разработка вариантов эскизов в графике и объеме; анализ и выбор эскизных вариантов Художественно-конструкторское предложение: 2–3 варианта компоновки, 2–3 эскизных варианта в графике и объеме; обоснование решения (пояснительная записка) Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 140 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ 10.4. Последовательность художественного конструирования Окончание табл. 10.3 Стадии проектирования Технический проект Содержание работы дизайнера Результат работы дизайнера Разработка художественно-конструк- Художественно-конструкторский проект торского проекта: окончательная компоновка, модели- Модель или макет рование и макетирование; Компоновочные чертежи изразработка сложных поверхностей; делия и перспективные изображения выбор конструкционно-отделочных Заказ на материал материалов; Рабочий проект Опытный образец экономические обоснования и оформление проекта Рабочее проектирование: участие в разработке рабочих чертежей изделия, технологической оснастки, плазовых чертежей; контроль соответствия рабочих чертежей художественно-конструкторскому проекту; разработка чертежей элементов промышленной графики, пультов, щитков и деталей внешнего оформления изделий Участие в авторском надзоре за изготовлением, испытанием и доводкой опытного образца. Пояснительная записка Рабочий проект; чертежи общих видов, подписание технической документации Высокое качество образца Контрольные вопросы 1. Роль человеческого фактора в формировании ПППС. 2. Связь между компонентами ПППС и свойствами техники и технологических процессов. 3. Как воздействует выполнение требований эргономики и эстетики на другие качества изделий? 4. Что такое рабочее место и какие эргономические требования предъявляются к нему? 5. В чем заключаются требования к организации системы «человек – машина»? 6. В чем заключаются требования к организации деятельности оператора? Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 141 10. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ Контрольные вопросы 7. Факторы, определяющие требования к конструкции и компоновке рабочего места. 8. Какие цели и задачи имеет дизайн? 9. Какие работы выполняются дизайнерами на различных стадиях проектирования и на этапе проектно-графического моделирования? 10. В чем выражается сущность композиции? 11. Назовите основные приемы и правила выделения композиционного центра. 12. Назовите основные средства формирования композиций в единое целое, раскройте их суть. 13. Какую роль играют цвета в дизайне? Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 142 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Пример расчета по прогнозу надежности модернизированной установки скважинного электроцентробежного насоса Прогнозирование надежности модернизированной установки типа УЭЦН–80 проводится на стадии технического предложения. Установку на этой стадии можно представить в виде структурной иерархической системы, включающей три последовательно соединенных подсистемы. I. Энергетического обеспечения: трансформаторной подстанции, станция управления, вспомогательного оборудования. II. Устьевого оборудования и колонны насосно-компрессорных труб. III. Подземного скважинного оборудования: электродвигателя, самого насоса, протектора, пакера, якоря и т. д. Укрупненная структурная иерархическая схема установки представлена на рис. П1.1. УЭЦН I 1 2 II 3 4 5 III 6 7 8 9 Рис. П1.1. Иерархическая структурная схема УЭЦН: I, II, III – подсистемы установки; 1 – трансформаторная подстанция; 2 – наземная часть силового кабеля; 3 – станция управления и вспомогательное электрическое оборудование; 4, 5 – устьевое оборудование (колонная головка, лубрикатор, манифольд), 6 – насоснокомпрессорные трубы; 7 – двигатель; 8 – протектор; 9 – центробежный насос в сборе В процессе эксплуатации аналога УЭЦН установлено, что его ремонтный цикл составляет Т = 555 суток, средний межремонтный период Тср = 109 суток. При этом средняя наработка на отказ в этом периоде по подсистеме I была равна TI = 0; в подсистеме II отказы зафиксированы по НКТ, их средняя наработка на отказ составила TII = 308 суток при коэффициенте вариации VI = 0,257; в подсистеме III: отказы имели место по кабелю и элементам электропривода Tэ = 247 суток при Vэ = 0,426; по фланцевым соединениям секций насоса с Tc = 529 суток при Vc =0,33. На стадии технического и рабочего проектов схема расчленяется на большее количество элементов, представляющих собой более мелкие сбо Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 143 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 рочные единицы и детали, по которым надлежит определить ожидаемые показатели безотказности и долговечности на основе вероятностных расчетов по нагрузкам и запасам прочности и другим критериям работоспособности. Выполним расчет ожидаемых показателей безотказности по приведенной укрупненной схеме, используя программу MathCad (рис. П1.2). Рис. П1.2. Расчет ожидаемых показателей безотказности УЭЦН Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 144 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Рис. П1.2. Окончание Рис. П1.3. График функции распределения наработок до отказа Рис. П1.3. Окончание Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 145 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Таблица П2.1 Виды показателей ТКИ Виды показателей, их составляющие 1 Обозначение Формулы и способы определения 2 Показатели технологической рациональности Коэффициент сборности число сборочных единиц в изделии, шт. число деталей в изделии, число составных частей, шт. Коэффициент легкосъемности трудоемкость i-й составной части в монтажнодемонтажных работах, нормо/ч общая трудоемкость изделия в техническом обслуживании (ремонте), нормо/ч Коэффициент разновесности: K сб E D ED K лс ti TTO(p) K рв 3 E ; ED K сб По спецификации конструкторской документации J K лс трудоемкость изделия в основных операциях изготовления (технического обслуживания и ремонта), нормо/ч трудоемкость изделия во вспомогательных операциях изготовления (технического обслуживания и ремонта), нормо/ч Коэффициент контролепригодности mi J Kд To Хронометраж операций, расчеты J K рв mi ( Jmmax ) (4.3) Из документации или определяется взвешиванием Из документации To To Tвсп Kд (4.4) Учет трудовых затрат, хронометраж Tвсп Kк трудоемкость изделия в основных и вспомогательных операциях диагностирования соответственно, нормо/ч Tок , Tвк Коэффициент распределения допуска между изготовлением и монтажом K р.д где соответственно монтажный допуск и погрешность изготовления (суммарный допуск на отклонение формы и расположения) поверхностей оборудования, выносных площадок и элементов, используемых в качестве выверочных баз DM , n ti (4.2) TTO(p) i 1 Хронометраж операций, расчеты i 1 масса i-й поставляемой составной части (элемента) изделия,кг число поставляемых составных частей (элементов), шт. Коэффициент доступности: (4.1) Kк Tок Toк Tвк (4.5) Хронометраж, учет затрат времени K р.д 1 n Dм (4.6) По чертежам Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 146 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Продолжение табл. П.2.1 1 2 Показатели преемственности конструкции изделия 3 Коэффициенты применяемости Коэффициенты новизны: K нов K нов Eор Dор (4.7) ED общее число оригинальных составных частей (сборочных единиц и деталей, не входящих в состав последних) Коэффициент применяемости унифицированных составных частей Eор Dор число унифицированных сборочных единиц в изделии; число унифицированных деталей, являющихся со- Eу Eу Eуз Eуп Eст Dу Dу Dуз Dуп Dст ED E E у Eор , ставными частями, но не вошедшие в состав Eу ; сч K пр Определяется по спецификации чертежей E у Dу сч K пр (4.8) ED уз – заимствованные унифицированные; уп – унифицированные покупные; ст – стандартизованные общее число составных частей D Dу Dop Коэффициент применяемости унифицированных сборочных единиц, а также деталей, соответственно E D K пр и K пр E K пр K прD Eу E Dу ; (4.9) (4.10) Коэффициент применяемости стандартизованных составных частей с.ч ст K пр число стандартных единиц в изделии, включая заимствованные, покупные и стандартизованные при разработке данного изделия Eст D E Dст с.ч ст K пр ст (4.11) ED Eст Eстз Eстп Eсти число стандартных деталей, не вошедших в состав сборочных единиц Dст Dст Dстз Dстп Dсти Коэффициент применяемости унифицированных (стандартизованных) конструктивных элементов (резьб, креплений, галтелей, проточек и т. д.): кэ K пр число унифицированных (стандартных) конструктивных элементов общее число конструктивных элементов Qкэу(с) Qкэ Коэффициент применяемости материала: суммарная масса данного материала в изделии, кг м K пр Mi (из документации) K кэ пр Qкэу(с) Qкэ (4.11) По документации По документации м K пр Mi M (4.12) По чертежам Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 147 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Продолжение табл. П2.1 1 2 M общая масса изделия, кг Коэффициенты повторяемости Коэффициент повторяемости составных частей сч K пов число наименований составных частей общее число составных частей Коэффициент повторяемости конструктивных элементов, где: Qc.ч ED кэ K пов 3 По чертежам сч K пов 1 Qc.ч ; (4.13) E D По спецификации кэ K пов 1 Qкэ Qкэ (4.14) число типоразмеров конструктивных элементов в изделии общее число конструктивных элементов Qкэ По документации Qкэ По документации Коэффициент повторяемости материалов: ма K пов число материалов, входящих непосредственно в изделие и перечисленное в разделе “Материалы” его спецификации число наименований (марок, сортаментов) материалов, применяемых в изделии. Коэффициент типизации: Qм D Dм (4.15) Dм Qм K тип число структурных компонентов изделия общее число компонентов типовых представителей группы однотипных исполнений ма 1 K пов Qcк K тип Qск Qсп (4.16) Из документации Qсп Показатели ресурсоемкости (основные) Производственная ТКИ Трудоемкость изделия в технической подготовке производства (нормо/ч, чел.-мес) Трудоемкость изделия в изготовлении (нормо/ч, чел.-мес) Трудоемкость изделия в монтаже вне производства, (чел.-ч; чел.-мес) Т ТПП Расчеты в сравнении с аналогом Ти Расчеты в сравнении с аналогом Тм Расчеты по аналогу Материалоемкость изделия в изготовлении (т или кг) Ми Учет затрат материалов, расчеты Энергоемкость изделия в изготовлении, кВт/ч. Эи Расчеты, учет затрат энергии Продолжительность технической подготовки производства изделия (дни, мес) Продолжительность изготовления изделия (часы, дни, месяцы) пп и Учет, сравнение с аналогом Технологическая себестоимость изделия в технической подготовке производства C тпп Учет, сравнение с аналогом и хронометраж Расчет Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 148 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Окончание табл. П2.1 1 2 Технологическая себестоимость изделия в изготовCи лении Показатели эксплуатационной ТКИ 3 Расчет Трудоемкость изделия в эксплуатации, чел.-ч., маш.-ч. Tэ Сравнительный анализ нового изделия и аналога, расчеты Трудоемкость изделия разовая оперативная в техническом обслуживании, чел.-ч. Tто Сравнительный анализ , расчеты и хронометраж Трудоемкость изделия в монтаже (демонтаже), чел.-ч., маш.-ч. Трудоемкость изделия в утилизации, чел.-ч., маш.-ч. Т мэ Tут Хронометраж, нормы по аналогу Материалоемкость изделия в эксплуатации, кг или т Мэ Расчеты по нормативам аналога Энергоемкость изделия в эксплуатации, кВт/ч Ээ Расчеты по нормативам аналога Продолжительность технического (разовая, оперативная), ч обслуживания то Хронометраж, расчеты с использованием нормативов по аналогу Технологическая себестоимость в эксплуатации, руб. Cэ Расчет Показатели ремонтной ТКИ те же, но применительно к ремонту Те же обозначения, но с индексом «р» Те же способы, что по показателям эксплуатационной ТКИ Удельные показатели ресурсоемкости и стоимости по всем областям проявления (П, Э и Р) удельная трудоемкость, ч/кВт, ч/м, ч/км и т. д. удельная материалоемкость, кг(т)/кВт, кг(т)/км(м) и т. д. удельная кВт ч энергоемкость, км(м) кВт ч кВт , Tуд М уд Эуд Хронометраж, нормы T P M P Tуд (4.18) М уд (4.19) Эуд и т. д. удельная хроноемкость (продолжительность), ч (дни, месяцы, годы)/м (куб.м и т. д.) удельная технологическая себестоимость, руб/кВт, руб/км(м) уд С уд уд С уд Э Р Р С Р (4.20) (4.21) (4.21) Примечание к таблице: на разных стадиях проектирования показатели трудоемкости и материалоемкости определяются с помощью методов учета конструкторско-технологических особенностей изделий: аналогии, учета масс, удельного нормирования, элементокоэффициентов и т. д. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 149 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Рис. П3.1. Способы усиления литых плит, нагруженных в центре и опертых на четыре боковые стойки: 1 – исходная конструкция; 2 – увеличение жесткости плиты в продольном направлении; 3 и 4 – плита усилена в продольном и поперечном направлениях диагональными лучевыми и вафельными ребрами соответственно; 5, 6 и 7 – увеличение жесткости плиты способами окантовки вертикальными стенками; 8 – то же, но со стягиванием стенок окантовки анкерными болтами; 9 – усиление плиты накладкой из листовой стали, работающей на растяжение; 10, 11 и 12 – применение соответственно арочных ребер, арочного свода, сочетания арки с окантовкой; 13, 14, 15 и 16 – окантовка плит соответственно вафельными, шахматными, ромбическими и сотовыми ребрами [10] Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 150 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Окончание рис. П3.1. Способы усиления литых плит, нагруженных в центре и опертых на четыре боковые стойки (продолжение): 17 – тот же способ для случая наличия в плите крепежных точек; 18, 19,20, 21, 22 и 23 – повышение жесткости и прочности плит (соответственно с прямыми, раскосными, вафельными ребрами и арочной нижней стенкой) формовкой с помощью стержней вводимых через боковые стенки; 24 – литье плиты решетчатой формы с покрытием тонколистовой облицовкой. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 151 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Увеличение жесткости конструкций [10] Таблица П4.1 Исходная конструкция Измененная конструкция 1 Тормозной барабан 2 Сущность изменения 3 Введена реборда жесткости Введены ребра жесткости и охлаждения (литые барабаны) Обод под действием тормозных колодок деформируется Крышке придана жесткая сводчатая форма Литая крышка Крышка усилена ребрами Конструкция нежесткая Фланцевый вал 1 – фланец утолщен; участок а перехода в ступицу усилен; 2 – фланцу придана коническая форма; 1 2 3 – фланцу придана тюльпанообразная форма Конструкция нежесткая 3 Диафрагма 1 – диафрагма оребрена; 2 – диафрагма сделана конической и оребрена; 1 2 3 – диафрагма гофрирована Конструкция нежесткая 3 Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 152 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Продолжение табл. П4.1 1 Литой шкив клиноременной передачи 2 3 1 – обод соединен со ступицей диском с ребрами, ступица удлинена; 1 2 – шкиву придана коробчатая форма (конструкция наиболее жесткая) Ступица связана с ободом спицами. Конструкция нежесткая 2 Дисковое зубчатое колесо 1 – диску придана жесткая коническая форма; 2 1 2 – 3 – диск оребрен (для литых и штампованных колес) Конструкция нежесткая 3 Чашечное зубчатое колесо Введены кольцевые ребра жесткости Обод под действием сил привода деформируется Чашечное зубчатое колесо внутреннего зацепления Введены кольцевые ребра жесткости Конструкция нежесткая Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 153 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Окончание табл. П4.1 1 Коническое зубчатое колесо 2 3 1 – диску придана коническая форма; 2 – диску придана сферическая форма; 3 – 5 – диск оребрен (для литых и штампованных колес); 6 – коробчатая сварная преднапряженная конструкция Конструкция нежесткая Между конусом а и бортиком б оставляют зазор, который перед сваркой выбирают затяжкой. Зубья и шлицы обрабатывают после сварки Колонна развальцована на конус. Конструкция применима при малых размерах колонны Узел соединения усилен приварными ребрами 2. Конструкция жесткая и прочная Конструкция нежесткая Узел усилен конусом 3. То же. Для улучшения внешнего вида усиливающий элемент выполнен в виде тора с плавными очертаниями Колонна соединена с плитой приварным тюльпанным раструбом Колонна заделана в литой стальной кронштейн. Конструкция жесткая и прочная, но трудоемкая. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 154 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основная литература 1. Амиров, Ю. Д. Основы конструирования. Творчество – стандартизация – экономика: справ. / Ю. Д. Амиров. – М. : Изд-во стандартов, 1991. – 392 с. 2. Амиров, Ю. Д. Технологичность конструкции изделия : справ. / Ю. Д. Амиров, Т. К. Алферова, П. Н. Волков. – М. : Машиностроение, 1990. – 768 с. 3. Бабаев, С. Г. Надежность нефтепромыслового оборудования / С. Г. Бабаев. – М. : Недра, 1986. – 264 с. 4. Бабук, П. М. Экономика машиностроительного производства : учеб. для машиностроительных вузов / П. М. Бабук, И. Э. Горнаков. – М. : Высш. шк., 1990. – 352 с. 5. Баграмов, Р. А. Буровые машины и комплексы : учеб. для вузов / Р. А. Баграмов. – М. : Недра, 1988. – 501 с. 6. Ильский, А. А. Расчет и конструирование бурового оборудования. / А. А. Ильский, Ю. В. Миронов, А. Г. Чернобыльский. – М. : Недра, 1985. – 452 с. 7. Макаров, Е. Г. Инженерные расчеты в Mathcad : учеб. курс. – М.- СПб. : ПИТЕР, 2005. – 448 с. 8. Макушкин, Д. О. Расчет и конструирование машин и оборудования для нефтяных и газовых промыслов : учеб. пособие / Д. О. Макушкин. – Красноярск : КГТУ, 2005. – 120 с. 9. Решетов, Д. Н. Надежность машин : учеб. пособие. / Д. Н. Решетов, А. С. Иванов, В. Э. Фадеев. – М. : Высш. шк., 1988. – 238 с. 10. Орлов, П. И. Основы конструирования : справ.-метод. пособие / П. И. Орлов. – М. : Машиностроение, 1988. – 560 с. – Т. 1. 11. Протасов, В. Н. Эксплуатация оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи : учеб. для вузов – М. : ООО «Недра – Бизнесцентр», 2004. – 691 с. 12. Фролов, К. В. Конструирование машин : справ. метод. пособие / К. В. Фролов, А. Ф. Крайнев / – М. : Машиностроение, 1994. – 530 с. – Т. 1. 13. Чичеров, Л. Г. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования : учеб. пособие для вузов / Л. Г. Чичеров, Г. В. Молчанов. – М. : Недра, 1988. – 422 с. 14. Швандар, В. А. Стандартизация и управление качеством продукции. / В. А. Швандар, В. П. Панов, Е. М. Купряков. – М. : ЮНИТИ-ДИНА, 1999. – 487 с. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 155 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Дополнительная литература 15. Абубакиров, В. Ф. Буровое оборудование : справ. в 2 т. / В. Ф. Абубакиров. – М. : Недра, 2003. – 1000 с. 16. Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование. – Екатеринбург, 2002. – 592 с. 17. Дунаев, П. Ф. Конструирование узлов и деталей машин / П. Ф. Дунаев, О. П. Леликов. – М. : Высш. шк., 2004. – 447 с. 18. Ивановский, В. Н Скважинные насосные установки : справ. / В. Н. Ивановский, В. И. Дарищев и др. – М. : Изд-во «Нефть и газ», 2002. – 842 с. 19. Михельсон-Ткач, В. Л. Повышение технологичности конструкций / В. Л. Михельсон-Ткач. – М. : Машиностроение, 1988. – 320 с. 20. Молчанов, А. Г. Нефтепромысловые машины и механизмы : учеб. для техникумов / А. Г. Молчанов, В. Л. Чичеров. – М. : Недра, 1983. – 308с. 21. Сызранцев, В. Н. Расчет прочностной надежности изделий на основе методов непараметрической статистики / В. Н. Сызранцев, Я. П. Невелев, С. Л. Голофаст. – Новосибирск : Изд-во «Наука», 2008. – 218 с. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Учеб. пособие 156
