Проектирование аппарата с механическим перемешивающим устройством

Выделяются следующие основные составные элементы аппарата с мешалкой:

1) корпус, включающий ряд элементов и устройств (змеевик, перегородки, крышка корпуса, фланцевое соединение отъёмной крышки и т.д.);

2) привод механического устройства;

3) вал мешалки;

4) мешалка;

5) муфта вала;

6) уплотнение вала мешалки

Каждый из перечисленных типовых элементов имеет несколько конструктивных разновидностей. Многообразие типовых элементов связано как с их функциональным назначением, так и с технологией их изготовления, определяющей стоимость изделия. Для обозначения разновидностей типового элемента используют такие термины, как тип и исполнение. Внутри каждого типа и исполнения типовые элементы отличаются друг от друга размерами и, как следствие, рабочими характеристиками. Тип и принятые размеры изделия в совокупности определяют его габарит или типоразмер.

При выборе опор аппарата следует учитывать, что при рабочей температуре 200⁰С для снижения энергетических потерь, а также по требованиям техники безопасности обязательно применение теплоизоляции корпуса.

Выбор привода аппарата производится поэтапно. Номинальная мощность электродвигателя N_н выбранного привода должна быть больше мощности N_д, затрачиваемой двигателем, как на перемешивание N_м, так и на преодоление трения в элементах механизма. Мощность N_д, потребляемая двигателем при работе рассчитывается.

Таблица 3 - Выбор типовых элементов аппарата

2.6 Эскиз компоновки аппарата

В эскизном проекте необходимо изобразить общий вид аппарата, дающий представление об его устройстве. Общий вид аппарата на эскизе компоновки включает изображение выбранного, в соответствии с его обозначением, корпуса аппарата, включающего теплообменные и внутренние устройства, а также привод аппарата, вал мешалки, мешалку, муфту и уплотнение вала.

На эскизе проставляют не все, а лишь конструктивные, габаритные, присоединительные и установочные размеры.

Рекомендуемое расстояние от лопастей мешалки до днища аппарата определяется по формуле:

h_М = d_М,

где d_М - диаметр мешалки, мм.

Расстояние от лопастей мешалки до днища аппарата составляет

h_М = 560 мм.

Эскиз компоновки представлен в приложении к проекту (см. Приложение 1)

2.7 Оценка надежности выбранного варианта компоновки аппарата

После завершения компоновки аппарата следует оценить надежность выбранного варианта с получением численных значений основных показателей надежности. Недостаточная надежность химической аппаратуры, помимо высокого уровня аварийности, чревата огромными экономическими потерями, обусловленными простоем оборудования, затратами на его ремонт, низким качеством получаемых продуктов. Поэтому уже на этапе проектирования закладывается необходимая степень надежности, которая затем на этапах изготовления и эксплуатации играет роль определяющего норматива.

Надежность химического оборудования - комплексное свойство, сочетающее безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Важнейшим среди составляющих надежности является безотказность.

Под безотказностью понимают свойство элемента оборудования непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение определенного периода времени. Количественно безотказность типовой химико-технологической аппаратуры в справочной литературе характеризуется величиной интенсивности отказов , которую можно рассматривать как среднее число отказов в единицу времени. Интенсивность отказов сложного объекта складывается из интенсивности отказов его составных частей. В частности для аппарата с механическим перемешивающим устройством:

= _к + _пр + _уп

где _к , _пр , _уп - интенсивности отказа корпуса аппарата, его привода и уплотнения соответственно, час^-1;

л_?пр= л_пр+ л_м+ л_у+ л_меш+ л_в - интенсивность отказов привода с перемешивающим устройством;

л_к = 7,5•10^-5 час^-1

л_?пр=(8 +0,3+3,0+0,8+1,0)•10^-5 = 13,1•10^-5 час^-1

л_? =(7,5+13,1)•10^-5 =20,6•10^-5 час^-1

где, согласно рекомендациям, л_к - интенсивность отказа корпуса аппарата, час^-1;

л_к - интенсивность отказа корпуса, час^-1;

л_пр - интенсивность отказа привода, час^-1;

л_м - интенсивность отказа соединительной муфты вала, час^-1;

л_меш - интенсивность отказа разъёмной мешалки, час^-1;

л_уп - интенсивность отказа уплотнения, час^-1;

л_в - интенсивность отказа вала, час^-1.

Вероятность безотказной работы является наиболее полной характеристикой надежности химико-технологической аппаратуры. С помощью функции Р_АП(t) можно определить любую другую характеристику безотказности. Например, средняя продолжительность безотказной работы аппарата Т _ср связана с вероятностью Р_АП(t) соотношением:

Т_ср = 1/ л_? = 1/(20,6·10^(-5))=4854 часа

Вероятность безотказной работы Р_АП(t) позволяет также обоснованно выбрать продолжительность Т_э периодов эксплуатации аппарата между обслуживанием и плановыми ремонтами. Этот параметр определяется еще на стадии проектирования. Параметр Т находится из условия, что вероятность безотказной работы аппарата не может быть ниже некоторого предельного значения Р_пред., т е.

Предельная вероятность Р_пред, определяющая степень надежности оборудования, назначается в зависимости от свойств рабочей среды (токсичность, пожаро- и взрывоопасность), а также от рабочих параметров процесса. В качестве предельного значения вероятности безотказной работы принимается значение 0.8, т.к. рабочая среда - пожаро- и взрывоопасна).

Т_э = - (1/ л_?)•ln Р_пред = - 4854,37 • ln 0,8 =1083.22 часа ? 45 дней

3.Технический проект

3.1 Расчёт элементов корпуса аппарата

Определение коэффициентов сварных швов и прибавки для компенсации коррозии

Оболочки аппаратов изготавливаются из стальных листов сваркой. Прочность материала в зоне сварного шва снижается из-за термического воздействия электрической дуги и ряда других факторов. В прочностные расчёты вводится коэффициент прочности сварного шва ц = 0.9

Элементы аппарата, находящиеся в контакте с рабочей средой, из-за коррозии с течением времени уменьшаются по толщине. Прибавка для компенсации коррозии к расчётным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:

c = П · Т_а

где с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

П - скорость коррозии, мм/год;

T_a - срок службы аппарата, лет.

Предварительный расчет толщины стенок оболочек из условия прочности

Необходимые толщины стенок оболочек, нагруженных внутренним избыточным давлением, определяются по уравнениям, полученным из условий прочности тонкостенных оболочек. Несоблюдение условия прочности может привести к разрушению (разрыву) оболочки. Расчету подлежат элементы корпуса: цилиндрическая обечайка, эллиптическая крышка, эллиптическое (в нашем случае) днище в местах сварки.

Для корпуса:

а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия прочности, м:

Где S_цр-толщина стенки цилиндрической обечайки из условия прочности, мм;

р_рв - расчетное внутреннее давление, МПа;

D - внутренний диаметр обечайки, мм;

[] - допускаемое напряжение, МПа;

- коэффициент прочности сварного шва.

б) Расчетная толщина стенки эллиптической крышки из условия прочности, м:

где р_р.в - расчетное внутреннее давление, МПа

Полученные значения расчётных толщин стенок подлежат сравнению с толщинами, рассчитанными из условия устойчивости и дальнейшему уточнению с учётом коррозии, и округлению до стандартной толщины листов.

Предварительный расчет толщины стенок оболочек из условия устойчивости

Оболочки аппарата могут оказаться под воздействием наружного давления, большего, чем внутреннее давление. Такая ситуация имеет место при работе аппарата под остаточным давлением р₀ т. е. в условиях вакуума. Аварийная ситуация с образованием вакуума может возникнуть при сливе среды из аппарата, когда воздушный вентиль на крышке аппарата (воздушник) по недосмотру оказывается закрытым. В таких случаях из-за недостаточной толщины стенки оболочки происходит потеря устойчивости, т, е. правильная форма оболочки внезапно искажается. Оболочки, работающие под наружным давлением, принято делить на длинные и короткие. Длинные цилиндрические оболочки теряют устойчивость с образованием в поперечном сечении двух волн смятия. Более устойчивыми являются короткие оболочки: они теряют устойчивость с образованием трех, четырех или более волн смятия. Согласно условию устойчивости расчетное наружное давление р_рн не должно превышать допускаемой величины.

Рис.3 Схема к определению расчетной длины цилиндрической оболочки l_ц.

При проектировании толщины стенок рассчитывается по зависимостям для коротких оболочек:

а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия устойчивости, м:

Где l_ц - расчетная длина цилиндрической обечайки

D=1800 мм - внутренний диаметр обечайки;

р_рн - расчетное наружное давление, МПа;

n_y = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости;

Е=2,15*10^5- модуль продольной упругости материала оболочки, МПа;

Н₁=1800 мм - общая высота цилиндрической части аппарата;

В = 295 мм - высота элементов для плоских приварных фланцев;

а₁ = 40 мм- ориентировочная высота отбортованной части эллиптической крышки;

а₂ = 150 мм - высота переходной части эллиптической оболочки;

h=80 мм - высота диска фланца;

H=150 мм

С=15 мм

Н_эл =450 мм - высота эллиптической крышки без отбортовки.

б) Расчетная толщина стенки эллиптической оболочки (крышки) из условия устойчивости, мм:

где К = 0,9 - коэффициент приведения радиуса кривизны эллипса;

n_y = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости;

р_р.н - расчетное наружное давление, действующее на днище или крышку МПа.

D=1800 мм- внутренний диаметр обечайки

Е - модуль продольной упругости материала оболочки при расчетной температуре, Па;

Определение исполнительной толщины стенок оболочек

Определение толщины стенок оболочек аппарата из условий прочности и устойчивости (разделы 3.1.2 и 3.1.3) было предварительным. Для каждой оболочки из двух вычисленных значений толщины (s_цр1 и s_цр2; s_эр1 и s_эр2) принимают большее значение: s_цр, s_эр.

Цилиндрическая оболочка: s_цр= max {s_цр1;s_цр2} =

Эллиптическая оболочка (крышка): s_эр = max {s_эр1;s_эр2} =

Эллиптическая оболочка (днище): s_эр = max {s_эр1;s_эр2} =

Окончательно исполнительную толщину стенки подбирают из ряда стандартной толщины листов. Для этого к максимальной расчетной толщине листа (s_цр, s_эр) добавляют прибавку с для компенсации коррозии (см раздел 3.1.1.) и с₁ прибавку для округления толщины листа до стандартного значения.

Выражения для определения исполнительной толщины стенок оболочек корпуса имеют следующий вид:

а) для цилиндрической оболочки:

S_ц = S_цр + с + с₁ = 5.44+1+ 1.56 = 8 мм > u=0.8 мм

б) для эллиптической крышки:

S_эр = S_{эр кр} + с + с₁ = 5.43 + 1+ 1.57 = 8 мм > u=0.8 мм

в) для эллиптического днища:

S_эр = S_{эр дн} +с + с₁ = 5.43 + 1+ 1.57 = 8 мм > u=0.8 мм

Прибавку c₁ в каждом уравнении подбирают так, чтобы толщина стенки оболочки совпала со стандартной толщиной листа, при этом c₁ должна быть не менее минусового допуска u на толщину листа.

Таблица 4 - Параметры толщины стенок оболочки.

Определение допускаемых давлений

Допускаемые внутренние давления рассчитываются для каждого элемента корпуса. Из этих значений давлений, а также условных давлений фланцев аппарата, люка, штуцеров и уплотнения выбирается наименьшее, которое и принимается в качестве допускаемого давления для всего корпуса.

Элемент с наименьшим допускаемым или условным давлением - самый слабый элемент, который определяет работоспособность всего аппарата. Для получения равнопрочного (по давлению) аппарата можно оптимизировать конструкцию, подобрав типовые элементы (фланцы, штуцеры и пр.) с условным давлением близким к минимальному допустимому для оболочек.

В качестве допускаемого наружного давления в корпусе аппарата принимается наименьшее значение допускаемого наружного давления для элементов корпуса. Результаты расчетов и выбора допускаемых давлений занесем в таблицы 5 и 6.

Принятые значения допускаемых давлений включают в техническую характеристику аппарата (чертеж общего вида).

Расчет допускаемых (предельных) внутренних давлений

а) Для цилиндрической обечайки

б) Для эллиптической крышки

в) Для эллиптического днища

г) Для уплотнения вала мешалки:

Расчет допускаемых (предельных) наружных давлений

Обечайки, днища, крышки проверяются на устойчивость по условию

где р_дн - допускаемое значение наружного давления для рассчитываемого элемента корпуса либо для рубашки.

а) Для цилиндрической обечайки

б) Для эллиптической оболочки (крышка)

в) Для эллиптической оболочки (днище)

г) Для уплотнения вала мешалки:

Таблица 5 - Допускаемые и условные внутренние давления, МПа

Таблица 6 - Допускаемые наружные давления, МПа

Фланцевые соединения

Герметичность фланцевого соединения обеспечивается правильным подбором материала прокладки и учетом действующих усилий. Элементы фланцевого соединения (болты и прокладки) проверяются на прочность.

Рис.4 Расчетная схема фланцевого соединения: а) на стадии монтажа и герметизации (затяжки болтов); б) на стадии эксплуатации

Таблица 7 - Характеристики материалов прокладок.

Податливость болтов соединения:

Где - приведенная длина для болтов.

- общая высота дисков фланцевого соединения.

h=80мм - высота диска фланца;

d_б=24 мм - наружный диаметр резьбы болта;

Е_б20=2.15 МПа - модуль упругости материала болтта при температуре 20єС;

z_б=84 - число болтов;

А_б=324 мм² - минимальная площадь поперечного сечения болта.

Податливость прокладки:

где К₀=1 - коэффициент обжатия;

D_п=1880 мм - наружный диаметр прокладки;

D_пср=D_п -b=1880-15.5=1864.5 мм - средний диаметр прокладки;

Е_б20=2000 МПа - модуль упругости материала прокладки при температуре 20єС

Коэффициент внешней нагрузки:

Усилие от давления рабочей среды:

Усилие в болтах от температурных деформаций элементов фланцевого соединения (в условиях эксплуатации):

t_ф = 0.96·t_р- температура фланцев;

t_б =0.85·t_р- температура болтов;

t₀=20°C - начальная температура;

Е_б20, Е_б - модуль упругости материалов болтов при 20єС и расчетной температуре, МПа;

б_ф, б_б - коэффициенты линейного расширения материалов фланцев и болтов;

h_ф- общая высота дисков фланцевого соединения, мм.

Усилие (расчетное), которое должно быть приложено к прокладке, чтобы обеспечивалась герметичность в рабочих условиях:

b₀ - эффективная ширина прокладки:

т.к. b = 15.5 мм ? 15 мм > b₀ = 0.1225*vb, м

Рис.5 График зависимости усилий на болтах F_б и прокладке F_п от давления р_рв рабочей среды (усилия в болтах от температурных деформаций элементов не учитываются).

Усилие затяжки F_б1, действующее как на болты, так и на прокладку при монтаже, принимается из двух значений наибольшее:

где q_min- минимальная удельная нагрузка на контактной поверхности прокладки.

При действии рабочего давления усилие на болты возрастает:

Запас герметичности:

Условие не выполняется

где [n_г] =1,2- нормативный запас герметичности.

Запас герметичности получился меньше допустимого, поэтому увеличим нагрузку на прокладку до 33.5 МПа и повторим соответствующие расчёты:

Условие выполняется

Проверка прочности болтов в условиях монтажа:

Условие выполняется

где z_б - число болтов;

А_б - минимальная площадь поперечного сечения болта мм²;

[б_б]₂₀ = 117МПа - допускаемое напряжение в материале болтов при 20єС МПа.

Проверка прочности болтов в рабочих условиях:

Условие выполняется

[_б] = 115.2МПа - допускаемое напряжение в материале болтов при рабочей температуре.

Проверка прочности материала прокладки:

Условие выполняется

- допускаемая удельная нагрузка на прокладку

Расчет опор и монтажных цапф аппарата

Опоры - лапы или опоры - стойки аппарата испытывают нагрузку от общего веса аппарата в рабочих условиях, а цапфы только от веса корпуса аппарата при монтаже. Максимальный вес аппарата G_max рассчитывается с учётом веса всех составных частей аппарата и максимального веса среды:

G_max = G_к+G_пр+G_c

где G_к - вес корпуса вместе с теплоизоляцией, внутренними устройствами и уплотнением, Н;

G_пр - вес механического перемешивающего устройства, Н;

G_c - максимальный вес среды в аппарате, Н.

Вес корпуса аппарата:

где

D - внутренний диаметр обечайки, м;

с_ст - плотность стали, кг/м³;

S_max - исполнительная толщина стенки, м.;

m_Л = 83 кг - масса люка;

m_Ф=1749.7 кг - масса фланца;

Вес привода определяется по формуле:

где М_пр = 309 кг - масса привода.

1,3 - коэффициент, учитывающий наличие муфты, вала, мешалки, уплотнения

Вес рабочей среды, предполагают, что аппарат объёмом V полностью заполнен средой:

где с - плотность наиболее тяжелой среды (с_среды ? с_воды), кг/м³

Рабочий объём аппарата:

V_p = V_ц + V_д

где V_ц ; V_д - соответственно объемы заполнения цилиндрической части и днища, м³.

- объем, заполняемый эллипт. части днища аппарата,

- объем, заполняемый цилиндр. частью аппарата,

- минимальная высота уровня жидкости в цилиндрической части аппарата;

- объем, заполняемый эллипт. части крышки аппарата,

где h=450 мм = 0,45 м; D=1.8;

если , то жидкость будет заполнять эллиптическую часть крышки; если , то уровень жидкости будет ниже, чем эллиптическая часть и тогда ,

где H=2.78 м;

- высота до цилиндрической части, занимаемой жидкостью; ,

.

Тогда

Максимальный и рабочий вес аппарата:

Проверочный расчёт опор и цапф:

а) Выбранный типоразмер опоры и цапфы проверяется на грузоподъемность:

Условие выполняется

Условие выполняется

где z_оп, z_ц - число опор-стоек и число цапф соответственно;

G_р.оп, G_р.ц - расчетные нагрузки на одну опору и цапфу, Н;

[G]=63кН,[G]_ц=40кН - допускаемая нагрузка на опору и грузоподъемность цапфы

б) Проверка прочности бетона фундамента на сжатие:

Условие выполняется

где у_ф - напряжение в фундаменте под опорой, МПа;

[у]_ф=11МПа - допускаемое напряжение для бетона марки 200 при сжатии;

А_п - площадь основания опоры;

в) Прочность угловых сварных швов, соединяющих ребра опор-лап с корпусом аппарата, проверяют по условию:

- катет сварных швов;

- общая длина сварных швов;

- допускаемое напряжение для материала швов;

Условие выполняется

Где S и h - толщина и высота ребра;

Z_р=2 - число ребер в опоре;

- напряжение среза в швах, МПа;

- допускаемое напряжение материала опоры, МПа;

- коэффициент прочности швов таврового сварного соединения двухсторонним угловым швом и при 50% контроля длины швов.

3.2 Расчет элементов механического перемешивающего устройства

Валы мешалок

Выполняется лишь проверочный расчет вала из условия прочности кручения. При кручении опасным сечением вала является участок вала диаметром d₁ в месте крепления ступицы мешалки.

При работе вал мешалки в месте ее закрепления испытывает кручение.

Расчетный максимальный крутящий момент с учетом пусковых нагрузок:

где К_Д - коэффициент динамичности нагрузки;

N_м - мощность потребляемая мешалкой на перемешивание, Вт;

- угловая скорость вала мешалки, рад/с;

n - частота вращения вала мешалки, об/мин.

Коэффициент К_Д определяется в зависимости от конструктивных особенностей мешалок и внутренних устройств аппарата. Для трехлопастной мешалки К_Д =1,3.

Полярный момент сопротивления сечения вала W_р (мм³) в опасном сечении:

Где d₁ - диаметр участка вала под ступицу определяется исходя из типа и диаметра мешалки d_м, мм.

Проверочный расчет вала заключается в проверке условия прочности на кручение:

Условие выполняется

где [ф]_кр = 0,5·[у] = 0,5•96,3=48,15 МПа - допускаемые напряжения на кручение.

, вал мешалки обладает достаточной прочностью на кручение.

Рис.7 Крепление ступицы к валу.

Расчёт вала на виброустойчивость

Под виброустойчивостью вала понимают его способность работать с динамическими прогибами, не превышающими допускаемых значений. Динамические прогибы вала появляются в результате действия на вал неуравновешенных центробежных сил, которые возникают от неизбежных при монтаже смещений центров тяжести вращающихся масс (мешалки, сечений вала) с оси вращения.

Рис.8 Зависимость динамических прогибов вала у_Д от угловой скорости ( -критическая скорость вала, соответствующая прогибу у_Д.max).

Сущность проверочного расчёта вала на виброустойчивость заключается в определении его критической угловой скорости щ_KP в воздухе, а затем в проверке условий виброустойчивости.

Рис.9 Схема к расчету вала на виброустойчивость

Длина консоли вала, т.е. расстояние от нижнего подшипника до середины ступицы:

где Н=2780 мм - высота корпуса аппарата;

h₀ =50 мм - высота опоры для стойки привода;

h₁=645 мм - расстояние от нижнего подшипника до опоры под привод на крышке корпуса аппарата;

h_м- расстояние от днища корпуса до середины ступицы рамной мешалки;

Полная длина вала:

где l₂=0,4 м - длина пролета, т.е. расстояние между подшипниками.

Относительные длины консоли ₁ и пролета ₂:

Масса вала:

где с_ст - плотность стали, кг/м³;

d - диаметр вала, м.

Коэффициенты приведения массы вала:

Правильность выполнения расчета контролируется по графику

Рисунок 10. Коэффициент приведения массы вала

Осевой момент инерции поперечного сечения вала:

Приведенная жесткость вала:

Приведенная суммарная масса мешалки и вала:

где m_в - масса мешалки, кг.

Критическая угловая скорость вала в воздухе:

Виброустойчивость вала проверяем по условиям:

а) щ/щ_кр ? 0.7 - жесткий вал;

б) 1.3?щ/щ_кр? 1.6 - гибкий вал:

1.3?1.57? 1.6

Условие выполняется

щ -угловая скорость вращения вала, рад/с.

Предельная угловая скорость для гибкого вала:

=139.65 об/мин

_.min = 1.3= 1.3 20.89 = 27.157 =259.35 об/мин

_.max = 1.6 = 1.620.89 = 33.424 = 319.19 об/мин

Мешалки

Мешалки предварительно проверяют по допустимому крутящему моменту [T]_кр:

Условие выполняется

где Т_кр = 200 Н*м - расчетный максимальный крутящий момент.

Рисунок 11 - Схема к расчету стыковых швов трехлопастных мешалок.

Расчетная толщина перекладины S_ЛР:

Сила, вызывающая изгиб лопасти:

Где - расчетный максимальный крутящий момент, Н·м;

z_л = 3 - число лопастей у мешалки,

d_М = 0,56 м - диаметр мешалки.

Осевая гидродинамическая сила, действующая на наклонную лопасть

Где - расчетный максимальный крутящий момент, Н·м;

z_л = 3 - число лопастей у мешалки,

d_М = 0.56 м - диаметр мешалки.

Рекомендуемая высота сечения лопасти (перекладины):

Площади поперечных сечений лопасти (перекладины):

где b=112 мм - ширина лопасти

Расстояние между центрами тяжести сечений лопасти, мм

Суммарная изгибная нагрузка на лопасть мешалки, которая приложена на расстоянии l_ф от сварного шва, H:

F_Y = F_л · sin? + F_лa · cos? = 111.48·0.5 + 62.43·0.866 = 109.804 H

Где ?=30?

F_лa - осевая гидродинамическая сила, действующая на наклонную лопасть, Н

F_л - сила, вызывающая изгиб лопасти, Н

Максимальный изгибающий момент, возникающий в сечении сварного шва, Н·м:

M_max = F_Y·l_F = F_Y ·(0.4 · d_M - 0.5 · d_C) = 109.806·(0.4·0.56 - 0.5 · 0.08) = 20.204 Н·м

Где d_М = 0.56 м - диаметр мешалки.

d_C = 0.08 м - диаметр ступицы

F_Y = 109.806 Н - суммарная изгибная нагрузка на лопасть мешалки

Осевой момент сопротивления сечения стыкового шва:

Проверка прочности мешалки в месте приварки лопастей (перекладин) к ступице выполняется по условию прочности на изгиб:

Условие выполняется.

Где у-максимальное напряжение в материале шва;

[у]ґ-допускаемое напряжение для материала сварного шва;

[у]-допускаемое напряжение для материала мешалки при расчетной температуре;

ц=0.8-коэффициент прочности стыкового сварного шва для таврового соединения двусторонним швом при сварке вручную.

Шпоночное соединение ступицы мешалки с валом

Крутящий момент с вала на ступицу мешалки передаётся при помощи призматической шпонки, размещённой в шпоночных пазах вала и ступицы. Боковые грани на половине своей высоты шпонки испытывают напряжения смятия у_см, а продольное сечение - напряжения среза ф_ср. Шпонку рекомендуется изготавливать из того же материала, что и вал. Допускаемые напряжения [у] принимают равными нормативным допускаемым напряжениям у*.

Рис.12 Схема к расчёту шпоночного соединения

Длины призматических шпонок назначают конструктивно с учетом высоты ступицы h_с:

Сила, вызывающая смятие:

где d₁ = 0,045 м - диаметр участка вала под ступицу мешалки.

Минимальная поверхность смятия определяется по формуле:

b,h,t - (см. табл. 22[1] ), м.

Условие прочности шпонки на смятие:

Условие выполняется

где _см - напряжение смятия на боковой поверхности шпонки, Па;

[]см =1,5·[] - допускаемые напряжения на смятие материала шпонки, МПа.

Муфты

Муфта соединяет вал привода с валом мешалки и передает крутящий момент. В нашем случае применяется продольно разъемная муфта. Муфты, выбранные по диаметру вала при эскизной компоновке аппарата, проверяются на нагрузочную способность по условию:

Условие выполняется

где - расчетный крутящий момент на участке вала под муфту, Н•м;

- соответственно КПД подшипников, уплотнения и муфты, вводимые в расчет с учетом схемы привода (для типа привода 2 =1)

Т_ном - номинальный (допустимый) крутящий момент для выбранного типоразмера муфты, Н•м.

Выбор типа привода для аппарата

Привод выбирается в соответствии с частотой вращения мешалки n_м, потребляемой мощностью N_м и рабочим давлением в корпусе аппарата, которое через вал мешалки нагружает подшипники привода осевой силой.

1) По потребляемой мощности на перемешивание N_м и частоте вращения вала мешалки n_м предварительно подбираем тип привода.

Тип привода 2.

2) По опасности рабочей среды и величине рабочего давления р_раб устанавливается тип уплотнения, которым комплектуется привод. Уплотнения предназначены для обеспечения герметичности аппаратов в местах прохождения вращающегося вала сквозь крышку корпуса.

Торцовыми уплотнениями комплектуются аппараты, предназначенные для нейтральных, токсичных, ядовитых, взрывоопасных сред с температурой до 250⁰С и работающие при избыточном давлении до 2.5 МПа, а также при остаточном давлении не менее 0.003 МПа. При более высокой температуре в зоне уплотнения устанавливают охлаждающее устройство. Двойное торцовое уплотнение типа ТЗ выпускается на избыточное давление: 0.7 МПа.

3) По номинальной мощности электродвигателя N_Н и частоте n_м для привода типа 2 устанавливается габарит. При этом мощность электродвигателя выбирается ближайшая по сравнению с мощностью, затрачиваемой на перемешивание N_М. Номинальная мощность электродвигателя N_Н должна быть проверена с учетом потерь на трение в элементах механизма.

N_Н = 3 кВт

N_м=1,9 кВт

з₁ = 0,99 - КПД подшипников, в которых крепится вал мешалки;

з₂ = 0,99 - КПД, учитывающий потери в уплотнении;

з₃ = 0,98 - КПД компенсирующей УВП;

з₄ = 0,98 - КПД механической передачи привода.

N_д=2,018 кВт

Заключение

Выполнив проверочные расчеты для исполнительных толщин стенок цилиндрической обечайки s_ц = 8 мм и эллиптических крышки s_э = 8 мм и днища s_э = 8 мм корпуса, мы получили:

Предельные внутренние давления для корпуса:

Для цилиндрической обечайки:

P_доп.в = 0.797 МПа при рабочем давлении Р_рв = 0.7 МПа.

Для эллиптической крышки:

P_доп.в = 0.799 МПа при рабочем давлении Р_рв = 0.7 МПа

Для эллиптического днища:

P_доп.в = 0.799 МПа при рабочем давлении Р_рв = 0.7 МПа

Таким образом:

- условие прочности корпуса при рабочем давлении выполнено;

- предельно допустимое внутреннее давление для корпуса будет: P_доп.в =0.797 МПа.

Предельные наружные давления для корпуса:

Для цилиндрической обечайки:

P_доп.н = 0.138 МПа при рабочем давлении Р_рн = 0.08 МПа.

Для эллиптической крышки:

P_доп.н = 0.341 МПа при рабочем давлении Р_рв = 0.08 МПа

Для эллиптического днища:

P_доп.н = 0.341 МПа при рабочем давлении Р_рв = 0.08 МПа

Таким образом:

- условие устойчивости корпуса при рабочем давлении выполнено;

- предельно допустимое наружное давление для корпуса будет: P_доп.н = 0.097 МПа.

3) Фланцевые соединения:

Элементы фланцевого соединения проверяются на прочность:

Податливость болта л_б = 2.9*10^-11 м/Н

Податливость прокладки л_п = 1.653*10^-11 м/Н

Проверка запаса герметичности:

n_г = 1.209, а нормативный запас герметичности [n_г] = 1,2

Условие выполняется.

Проверка прочности болтов в условиях монтажа:

у_б = 70.261 МПа, напряжение для 40 при 20 ⁰С [у_б] = 117 МПа

Условие прочности выполняется.

Проверка прочности болтов в рабочих условиях:

у_б = 79.526 МПа, напряжение для 40 при 60 ⁰С [у_б] = 115.2 МПа

Условие прочности выполняется.

Проверка прочности материала прокладки:

q = 16.27 МПа, допускаемая нагрузка на прокладку [q] = 40 МПа

Условие прочности выполняется.

4) Опоры:

Проверка на грузоподъёмность:

Нагрузка на одну опору - стойку G = 33.24 кН меньше допустимой нагрузки

G = 63 кН - можно выполнить стойки-опоры выбранного габарита.

Нагрузка на одну цапфу G = 32.67 кН меньше допустимой нагрузки G = 40 кН - можно выполнить цапфы выбранного габарита.

Проверка прочности угловых сварных швов:

Напряжение в срезах шва с = 2.49 МПа меньше допустимого напряжения для данного материала ш = 98.5 МПа - швы прочные.

Прочность бетона фундамента:

Напряжение в фундаменте под опорой _ф= 0.722 МПа меньше допустимого напряжения для бетона марки 200 [_ф] = 11МПа - можно использовать бетон марки 200.

5) Вал мешалки:

Проверка на прочность при кручении:

Напряжение возникающие при кручении в вале кр = 4.189 МПа меньше допустимого напряжения при кручении кр = 48.15 МПа - прочность вала обеспечена.

Расчет вала на виброустойчивость:

Т. к. рабочая скорость вращения вала равна = 32.97 рад/с, а критическая скорость вращения равна кр = 20.89 рад/с, то /кр = 1.3 ? 1.5 ? 1.6. Вал гибкий.

6) Шпоночное соединение ступицы с валом:

Напряжения смятия боковой поверхности шпонки _см = 20.55 МПа меньше допустимых напряжений на смятие для данного материала [_см] = 148.5 МПа - шпонка будет жесткой при данной конструкции ступицы.

7) Муфты:

Расчетный крутящий момент на участке вала под муфту Т_р.м = 76.44 Н*м меньше номинального крутящего момента для данного типоразмера муфты Т_ном = 630 Н*м - можно выполнить муфту выбранного типоразмера.

Вывод

Собранный по данным расчетам аппарат будет способен пройти испытания Госгортехнадзора нормально функционировать в течение 10 лет при нормальной эксплуатации и регулярном техническом осмотре.

Список использованных источников

1. Луцко, А.Н. Прикладная механика: учебное пособие / А.Н. ...