Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

БЕРЕЗНИКОВСКИЙ ФИЛИАЛ

КАФЕДРА «ТЕХНОЛОГИИ И МЕХАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВ»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по предмету: Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли

ТЕМА: Расчёт на прочность корпуса аппарата с мешалкой

Выполнил: студент группы МАХП - 03(дн)

Кузьмин С.А.

Проверил: доцент каф. ТМП

Тимофеев И.Е.

Березники, 2007 г.

Содержание

• I. Общий вид вертикального типа
• II. Конструктивное исполнение аппарата, условия работы и выбор материала
• III. Исходные данные
• IV. Обоснование расчетных данных
• V. Расчет корпуса аппарата с мешалкой на прочность в рабочих условиях испытания
• V.I Расчет на прочность цилиндрической обечайки корпуса
• V.II Расчет эллиптических днища и крышки
• VI. Расчет на прочность укрепления отверстий
• VII. Расчет опор
• VIII. Расчет вала
• VIII.I Расчет вала на виброустойчивость
• VIII.II Расчет вала на жесткость и прочность
• Заключение
• Список литературы

I. Общий вид вертикального типа

Рис. 1 1 - корпус, 2 - крышка, 3 - стойка, 4 - мотор-редуктор, 5 - муфта, 6 - подшипник, 7 - уплотнение, 8 - вал, 9 - концевая опора

II. Конструктивное исполнение аппарата, условия работы и выбор материала

Аппарат изготовлен вальцовкой, из листовой стали, сварной конструкции. Аппарат пущен в эксплуатацию впервые. Среда - коррозионная жидкость, следовательно, материал аппарата подвержен коррозии. В качестве материала используем углеродистую сталь группы В. Части корпуса между собой сварены. Для выполнения технологических задач имеется 2 штуцера и мешалка. Днище и крышка - эллиптические.

химический производство мешалка вал

III. Исходные данные

3.1 Крышка, днище - эллиптические, стандартные

3.2 Среда - коррозионная жидкость с плотностью - 1150кг/м³

3.3 Высота заполнения средой - 0,7 высоты цилиндрической обечайки

3.4 Высота цилиндрической обечайки - 4,5 м

3.5 Высота расположения опор от нижнего конца цилиндрической обечайки

3.6 Число лап - 4

3.7 Температура среды - 120°С, давление в аппарате - 0,3 МПа

3.8 Диаметр отверстия в крышке - 0,4 м

3.9 Отверстие одиночное

3.10 Ось штуцера на крышке параллельна оси аппарата, расстояние l = 0.3м

IV. Обоснование расчетных данных

4.1 Расчетная температура среды в аппарате, t_расч

Принимаем t_расч = 120°С, т.к. t_среды = 120°С, а аппарат без футеровки.

4.2 Расчетное давление, Р_расч

Сначала рассчитаем гидравлическое давление

Р_гидр = сgh,

где с - плотность среды, с=1150 кг/м²

g - ускорение свободного падения, g=9.81 м/с²

h - высота заполнения средой корпуса аппарата, h=0.7·h_об,

где h_об - высота цилиндрической обечайки, h_об =4,5 м

h = 0.7 Ч 4,5 = 3,15 м

Р_гидр =1150·9,81·3,15=0,036 МПа,

что больше 5% от рабочего давления в аппарате Р_раб= 0,3 МПа, следовательно, принимаем расчетное давление

Р_расч = Р_раб + Р_гидр,

Р_расч = 0,3 + 0,036 = 0,336 МПа

4.3 Допускаемое напряжение

- для рабочих условий

= 148 МПа /1/,

- для гидравлических испытаний

где = 250МПа - предел текучести стали ВСт3 при t=20°C

4.4 Пробное давление в условиях испытания, Р_и

Пробное давление Р_п определяется по формуле:

Р_и=max{

но не менее P=0,2 МПа},

где - допускаемые напряжения при t=20°C и t_расч = 120°С соответственно.

=154 МПа /1/,

=148 МПа /1/

Р_и=max{, P_и=0,524>0,2 МПа}

4.5 Коэффициент прочности сварных швов, ц

Сварные продольные швы цилиндрической обечайки получаются при сварке листов встык вручную с 1-ой стороны, в этом случае ц=0,9.

4.6 Прибавка к расчетной толщине, С

Прибавка к расчетной толщине считается по формуле:

,

где С₁ - прибавка, учитывающая коррозию и эрозию

,

где v - скорость коррозии, v = 0,1 мм/год

ф - время эксплуатации, ф = 10 лет

С_Э - прибавка на эрозию (не учитывается, т.к. скорость жидкости в аппарате меньше 20м/с).

, примем С₁=1 мм

С₂ - компенсация минусового допуска, примем С₂=1 мм

С₃ - технологическая прибавка, примем С₃=1 мм

V. Расчет корпуса аппарата с мешалкой на прочность в рабочих условиях испытания

V.I Расчет на прочность цилиндрической обечайки корпуса

5.1 Расчетная схема обечайки

Рис. 2

5.2 Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки, S_р

- в рабочих условиях

- в условиях испытания

5.3 Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки, S

S=2,03+3=5,03 мм

За исполнительную толщину принимаем S=6 мм.

5.4 Допускаемое внутреннее избыточное давление

- в рабочих условиях

- в условиях испытания

Условие прочности:

Условие прочности выполняется

5.5 Соблюдение условия применимости выше приведенных формул

<<0,1

Приведенные формулы справедливы.

V.II Расчет эллиптических днища и крышки

5.6 Расчетная схема

Рис. 3

5.7 Радиус кривизны в вершине днища, R

,

где R=D - т.к. Н=0,25·D=0.25·1600=400 мм

5.8 Толщина стенки, S₁

S₁ следует рассчитывать по формуле:

- в рабочих испытаниях



мм

- в условиях испытания

мм

примем S₁=5мм, тогда

5.9 Соблюдение условий применимости выше приведенных формул

1)

- первое условие не выполняется, примем S₁=7мм, тогда

2)

, приведенные формулы справедливы.

5.10 Длина отбортованной части днища, h₁

5.11 Допускаемое внутреннее избыточное давление, [p]

- в рабочих условиях

- в условиях испытания

,

,

Условие прочности выполняется.

VI. Расчет на прочность укрепления отверстий

6.1 Исходные данные:

- Расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптического днища, х

х = 300 мм;

- Внутренний диаметр цилиндрической обечайки, D

D = 1600 мм;

- Диаметр отверстия в крышке, d_вн

d_вн = 400 мм;

- Внутренний диаметр отверстия в крышке,d

d= 394 мм;

- Сумма прибавок к расчётной толщине стенки штуцера, Cs

C_S = 2мм;

- Исполнительная и расчетная толщина эллиптической крышки соответственно, S, S_р : S = 7 мм; S_p = 1,83 мм;

- Коэффициент прочности сварных соединений корпуса, ц₁= 1;

- Допускаемое напряжение при рабочих условиях и в испытании,

[_t]= 148 МПа; []_и = 227 МПа;

- Расчетное давление в аппарате, Р

Р = 0,336 МПа

- Материал штуцера - ВСт3

6.2 Расчетный диаметр эллиптической крышки в месте укрепления отверстия, D_P

, примем

6.3 Расчетный диаметр отверстия, d

6.4 Расчетная толщина стенки штуцера, S_1P

,

Тогда расчетная толщина стенки штуцера S_1P=1 мм,

Примем толщину стенки штуцера равной толщине стенки крышки S=S₁=7мм

6.4 Расчетная схема

Рис. 4

6.5 Расчетная длина внешней части штуцера, l_1Р

,

где l₁ - исполнительная длина внешней части штуцера

, принимаем l_1Р =56 мм

6.6 Расчетная длина внутренней части штуцера, l_3Р

,

где С_S1 - прибавка на коррозию, С_S1 =1 мм

, принимаем l_3Р = 20 мм

Примем S₃=S₁=7 мм

6.7 Ширина зоны укрепления, L₀

Принимаем L₀=111 мм

Примем расчетную ширину зоны укрепления l_p= L₀=111 мм, т.к отсутствует торообразная вставка и кольцо

6.8 Расчетная ширина накладного кольца, l_2Р

,

где S₂ - исполнительная толщина накладного кольца

Принимаем S₂ = S = 7 мм

Принимаем l_2Р=183 мм

6.9 Отношение допускаемых напряжений,

, то

6.10 Расчетный диаметр, d_op

Примем d_op=45 мм

6.11 Расчётный диаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления, при наличии избыточной толщины стенки, d₀ (при условии d_p < d₀)

Условие d_p < d₀, 398 мм < 352,1 мм, не выполняется

6.12 Общее условие укрепления отверстий

Правая часть уравнения равна:

Левая часть уравнения состоит из трех частей:

- для внешней части штуцера - ,

- для накладного кольца -

- для внутренней части штуцера -

Как видно мы можем обойтись укреплением внешней части штуцера условие выполняется

6.13 Допускаемое внутреннее избыточное давление,

,

где К₁=2, для выпуклых днищ /2/, с. 10

,

тогда

6.14 Проверка вычислений условий прочности

Мпа

Условие выполняется.

VII. Расчет опор

7.1 Исходные данные к расчету

- Внутренний диаметр крышки и цилиндрической обечайки, D

D =1600 мм

- Внешний диаметр крышки и цилиндрической обечайки соответственно, D₁, D_2: D₁=1614 мм; D₂=1612 мм

- Длина неотбортованной части днища, Н: Н=400 мм.

- Длина отбортованной части днища, h_1: .

- Высота цилиндрической обечайки, l: L = 4500 мм.

- Исполнительная толщина эллиптической крышки и цилиндрической обечайки соответственно, S₁, S₂: S₁ = 7 мм; S₂ = 6 мм.

- Количество опор, z: z=4.

7.2 Запишем формулу нахождения веса аппарата

Р = 2G_к + G_ц + G_с + G_у ,

где G_к - вес эллиптической крышки корпуса аппарата, Н;

G_ц - вес цилиндрической обечайки аппарата, Н;

G_с - вес среды в аппарате, Н;

G_у - вес внутренних устройств, Н;

7.3 Определяем вес эллиптической крышки, G_к.

Для этого мысленно заключим её в цилиндр, имеющий такую же толщину стенки, и накроем его крышкой, толщиной равной толщине стенки эллиптической крышки (см. рис. 5). Затем находим массу этой конструкции и принимаем её равной весу крышки аппарата.



Рис. 5

G_к = V_кстg,

где _ст - плотность стали, _ст = 7850 кг/м³;

g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²;

V_к - объём конструкции, м³;

V_к = V₁ + V₂,

где V₁ - объём цилиндрического кольца, он равен разности объёмов внутреннего и наружного цилиндров:

V₁ = (D₁² - D²)(H + h₁)10^-9/4

V₁ = 3,14(1614² - 1600²)(400 + 64)10^-9/4=0,016 м³

V₂ - объём крышки, он равен

V₂ = D₁²S10^-9/4

V₂ = 3,141614²710^-9/4 = 0,014 м³;

V_к = 0,016 + 0,014 = 0,03 м³,

тогда

G_к = 0,0378509,81 = 2310,25 Н.

7.4 Вес цилиндрической обечайки, G_ц

Рис. 6

G_ц = V_ц Ч _ст Ч g,

где V_ц - объём цилиндрической обечайки, равен разности объёмов внутреннего и наружного цилиндров:

V_ц = (D₁² - D²)l10^-9/4

V_ц = 3,14(1612² - 1600²)450010^-9/4 = 0,136 м³,

тогда

G_ц = 0,13678509,81 = 10485,2 Н.

7.5 Вес среды в аппарате, G_с

G_с = с_сgV_с

где с_с - плотность среды в аппарате, с_с = 1150 кг/м³

V_c - часть объема аппарата, занимаемого рабочей средой.

V_c = D²(H + h₁)10^-9/4 + 0,7lD² 10^-9 /4

V_c = 3,141600²(400 + 64)10^-9/4 + 0,745003,141600²10^-9/4 = 7,2 м³.

G_c = 11509,817,2 = 81906,4 Н

7.6 Вес внутренних устройств, G_у

G_у = m Ч g,

где m - масса внутренних устройств, m = 48.34 кг

G_у = 48,349,81=474,2 Н

7.7 Вес аппарата, P

P = 2G_к + G_ц + G_с + G_у

P = 2·2310,25 + 10485,2 + 81906,4 + 474,2 = 97486 Н.

7.8 Определим реакцию опор, Q

,

где M - изгибающий момент, М=0

Р - осевая нагрузка (max вес аппарата)

е - расстояние от середины опорной площадки до нагруженной поверхности аппарата

- коэффициент для Р и М соответственно /4/, с. 291

, т.к. М=0

следовательно, выбираем опору тип 1, с допускаемой нагрузкой Q=63 кН



Рис. 6

Табл. 1

Q, кН	Тип опоры	а	а1	b	c	c1	h	h1	s1	K	K1	d	dБ	fmax
63,0	1	185	230	230	60	130	360	24	12	35	70	35	М30	60

7.9 Проверка прочности аппарата под опорой-лапой без накладного листа.

Осевое напряжение от внутреннего давления р и изгибающего момента определяется по формуле:

,

где р - внутреннее давление, р=0,336 Мпа

,

где S - исполнительная толщина, S = 7мм

С - прибавка для компенсации коррозии, С=2 мм

С₁ - дополнительная прибавка, С₁ = 1 мм

т.к. М=0, то

Окружное напряжение от внутреннего давления

Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок определяется из соотношения

Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок и реакции опор определяется по формуле

,

где К₁ принимаем в зависимости от параметров и h/D

h/D=360/1600=0,225

Принимаем /4/, рис.14,6 с. 292

,

где

Максимальное напряжение изгиба от реакции опор определяется по формуле:

К₂ принимаем в зависимости от параметров и h/D

Принимаем /4/, рис.14,6 с. 29

Условие прочности имеет вид:

,

где- предел текучести стали, =250 МПа, /1/,

А =1 для эксплуатационных условий /4/, с. 292

Условие прочности выполняется, следовательно, можно использовать лапы без накладного листа

VIII. Расчет вала

VIII.I Расчет вала на виброустойчивость

8.1 Исходные данные

- Мешалка открытая турбинная

- Марка стали -45

- - длина консоли и координата центра тяжести ротора,

- - длина вала,

- - длина пролета,

- - длина, =4,3 м

- - координаты опасного сечения,

- n - скорость вращения ротора, n =100 об/мин

- d - диаметр вала, d = 0,057 м

- d_м - диаметр мешалки, d_м = 0.8 м

- m - масса вала, m = 48.34 кг

- N - мощность, N = 2000 Вт

8.2 Расчетная схема

Рис. 7

8.3 Относительная длина консоли,

8.4 Относительная длина пролета,

8.5 Коэффициент учитывающий условия закрепления вала, з

8.9 Относительная координата центра тяжести ротора,

8.10 Безразмерный динамический прошиб вала в центре тяжести ротора,

/5/,

8.11 Угловая скорость вала, щ

8.12 Безразмерный коэффициент, учитывающий приведенную массу вала, f

где с - плотность стали, с = 7850 кг/м³

Е - модуль продольной упругости материала, Е = 2·10¹¹ Па

8.13 Приведенная масса ротора, m_11пр

8.14 Суммарная приведенная масса ротора, m_пр:

8.15 Комплекс А_1, А₂



8.16 Расчетный диаметр вала, d_p

8.17 Принятый диаметр вала, d

Заданный диаметр d=0,057 м, принимаем d =0,056 м

8.18 Линейная масса вала, m_в

8.19 Относительная масса ротора,

8.20 Корень частотного уравнения, б₁

/5/,

8.21 Момент инерции сечения вала, I

8.22 Первая критическая скорость вала, щ₁

8.23 Условие на виброустойчивость

- условие выполняется

VIII.II Расчет вала на жесткость и прочность

8.24 Эксцентриситет массы мешалки,



8.25 Относительная координата опасных по жесткости сечений,

8.26 Безразмерный динамический прогиб вала в опасных сечениях по жесткости,

/5/,

8.27 Приведенный эксцентриситет массы мешалки,

8.28 Приведенная масса вала,



8.29 Смещение оси вала от оси вращения за счет зазоров в опорах,

,

где - радиальные зазоры в опорах,

/3/, табл. 3,5

8.30 Смещение оси вала от оси вращения за счет начальной изогнутости вала,

,

где - начальная изогнутость вала в точке приведения В, /3/, табл. 3,7

8.31 Смещение оси вала от оси вращения в точке приведения В за счет зазоров в подшипниках,

8.32 Комплекс Б₂

8.33 Приведенный эксцентриситет массы вала с мешалкой,

8.34 Комплекс М₁

,

где - коэффициент сопротивления мешалки, =0,56

с - плотность перемешиваемой среды, с=1150 кг/м³

8.35 Присоединенная масса жидкости,

,

где - параметр по распределению скорости, =0,9

8.36 Приведенная присоединенная масса жидкости,

8.37 Суммарная приведенная присоединенная масса жидкости,

8.38 Относительная присоединенная окружная масса,

8.39 Максимальный динамический прогиб вала в точке приведения В, при переходе через резонанс,



8.40 Динамический прогиб вала в точке приведения В, при установившемся режиме,

8.41 Относительная координата ограничителя,

8.42 Максимально допустимый зазор в ограничителе,

,

где

- предел текучести материала вала,

8.43 Принятый зазор в ограничителе,

Принимаем д=0,06 м

8.44 Безразмерный динамический прогиб вала в точке с координатой L₀,

/5/,

8.45 Смещение оси вала от оси вращения за счет динамического прогиба,

8.46 Динамический прогиб вала в точке приведения В через резонанс,

8.47 Динамическое смещение центра тяжести мешалки,

8.48 Динамическое смещение вала в опасном по жесткости сечении,

8.49 Динамическое смещение вала в месте установки уплотнительного устройства,

8.50 Динамическое смещение вала в точке приведения В,

8.51 Условие жесткости

,

где - допускаемое смещение вала в уплотнительном устройстве .

Условие выполняется.

8.52 Сосредоточенная центробежная сила, действующая на мешалку,

8.53 Приведенная центробежная сила, действующая на вал в точке приведения В,

8.54 Комплекс В₂

8.55 Реакция опоры А,

8.56 Комплекс В₄



8.57 Реакция опоры В,

8.57 Изгибающий момент в опасных по прочности сечениях,

8.58 Крутящий момент в опасных по прочности сечениях,

8.59 момент сопротивления вала в опасном по прочности сечении,

8.60 Эквивалентное напряжение в опасных по прочности сечениях,

8.61 Допускаемое напряжение,

,

где - масштабный фактор, =0,74

- предел выносливости или материал вала,

- коэффициент концентраций напряжений, =3,5

- запас прочности, =2

8.62 Условие прочности

Условие прочности выполняется.

Заключение

В результате проделанной курсовой работы я овладел навыками расчета и конструирования машин и аппаратов химических производств. В данной работе были определены толщины стенок элементов корпуса аппарата с мешалкой, а именно:

- толщина стенки эллиптических крышки и днища аппарата - 7 мм;

- толщина стенки корпуса аппарата - 6 мм;

Также был проведен расчет вала на виброустойчивость, прочность и жесткость, расчет на прочность укрепления отверстия в крышке аппарата. Произведен расчет опор на прочность.

Так как все прочностные расчёты были выполнены в соответствии с ГОСТом, то можно сделать вывод, что аппарат должен нормально работать в соответствующем для него технологическом процессе при заданных в курсовой работе параметрах.

Список литературы

1. ГОСТ 14249 - 89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность».

2. ГОСТ 24755-89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность укрепления отверстий».

3. Расчёт и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи: Учеб. Пособие для студентов ВТУЗов / М.Ф. Михалев, Н.П. Третьяков, А.И. Мильченко, В.В. Зобнин. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1984. - 301 с., ил.

4. Лащинский А.А. Констуирование сварных химических аппаратов: справочник. - Л.; Маш-ие. литер. отде-ние, 1981. - 3821с.

5. РТМ 26-01-72-75 «Валы вертикальные аппаратов с перемешивающими устройствами. Методы расчетов».

Размещено на Allbest.ru

...