Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

(ФГБОУ ВО КНИТУ)

Кафедра «Оборудование химических заводов»

Контрольная работа

«Расчет элементов оборудования»

Выполнила работу

Ольхова В.Н.

Проверил

Хусаинов Р.М.

Казань 2019



Задание 1

Рассчитать на прочность элементы конструкции вертикального цельносварного аппарата с коническим днищем.

Исходные данные. Внутренний диаметр аппарата ; высота цилиндрической части ; объем аппарата ; рабочее давление ; температура ; материал - сталь 10Х17Н13М2Т; скорость коррозии ; срок эксплуатации .

1) Расчет толщины цилиндрической обечайки

Расчетная толщина стенки:

.

где - давление в аппарате, МПа; - внутренний диаметр обечайки, мм; - допускаемое напряжение [7], МПа; - коэффициент прочности сварного шва, = 1.

Прибавка на коррозию:

.

Исполнительная толщина стенки:

.

Принимаем толщину стенки равную s = 10 мм.

Допускаемое внутреннее давление в рабочих условиях:



,

Условие прочности для рабочего состояния выполняется:

,

2) Расчет толщины конического днища

Толщину стенки конического отбортованного днища с углом при вершине 2б = 90є , нагруженного внутренним давлением, рассчитываем следующим образом,

Определяем толщину стенки цилиндрической части днища:

,

где - давление в аппарате, МПа; - внутренний диаметр обечайки, мм; y - коэффициент формы днища, который выбирают по [табл.10, 1] в зависимости от угла б и отношении (отношение внутреннего радиуса отбортовки к диамептру днища D). При D = 1600ч3000 мм, - допускаемое напряжение, МПа; - коэффициент прочности сварного шва, = 1.

Определяем толщину стенки конической части днища:

,

Где



,

,

Примем 12 мм.

Таким образом, толщина конической части стенки днища принять равным 12 мм.

Допускаемое давление из условия прочности:

,

Условие прочности для рабочего состояния выполняется:

.

1) Расчет толщины крышки

При определении толщины стенки эллиптической крышки используют формулу:

,

,

Примем =10 мм.

Допускаемое давление из условия прочности:

,

Условие прочности для рабочего состояния выполняется:
.

Рисунок 1 - Расчетная схема аппарата с коническим днищем, нагруженная наружным давлением

Задание 2

Проверить для рабочего состояния условия устойчивости корпуса колонного аппарата с «рубашкой».

Исходные данные. Внутренний диаметр аппарата , материал аппарата - листовой прокат из стали 12ХМ, температура среды , прибавка к расчетной толщине стенки , давление в аппарате МПа, давление в рубашке (расчетное) МПа, высота корпуса под рубашкой мм

Решение

Расчетное наружное давление

,

Расчетная и исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки определяется по формулам

,

,

где [7].

Принимаем исполнительную толщину стенки равную s = 16 мм.

Допускаемое давление из условия прочности:

,

Допускаемое давление из условия устойчивость в пределах упругости:

- для коротких обечаек ( :

,

,

где - модуль упругости для стали 12ХМ при , - коэффициент запаса устойчивости в рабочем состоянии, - расчетная длина обечайки.

Для эллиптического днища

,



где - длина обечайки, находящейся под действием наружного давления, - высота отбортовки и - высота днища [табл.5, 1].

Длина, разделяющая цилиндрические оболочки на длинные и короткие, определяется по формуле

,

Допускаемое наружное давление в рабочем состоянии с учетом обоих условий:

,

Условие устойчивости обечайки корпуса выполняется:

,

Толщина стенки эллиптического днища определяется по формуле:

,

Принимаем

Где

,

Допускаемое давление из условия прочности:

,

Допускаемое давление в условиях устойчивости в пределах упругости рассчитывается по формуле:

,

,

Коэффициент , зависящий от отношения , Следует определять по формуле

,

где ,

Допускаемое наружное давление в рабочем состоянии с учетом обоих условий: цельносварный эллиптический крышка колонный

Условие устойчивости эллиптического днища выполняется:

,



Рисунок 2 - Расчетная схема корпуса аппарата с эллиптическим днищем и рубашкой

Задание 3

Для вертикального аппарата, работающего под внутренним избыточным давлением, рассчитать на прочность соединение цилиндрической обечайки и сферического неотбортованного днища. Прибавка к расчетным толщинам стенок мм

Исходные данные. Внутренний диаметр аппарата , давление , расчетная температура стенок , материал - листовой прокат из стали 10Х17Н13М2Т. Коэффициент прочности сварных швов . Прибавка к расчетным толщинам стенок .

Рисунок 3 - Расчетная схема соединения цилиндрической обечайки и сферического неотбортованного днища

[7]

Допускаемое напряжение на краю обечайки.



,

где [7];

Толщина стенки аппарата

,

где - давление в аппарате, МПа; - внутренний диаметр обечайки, мм; - допускаемое напряжение, МПа; - коэффициент прочности сварного шва, = 1.

,

Принимаем толщину стенки равную SR = 4 мм.

Расчетная толщина стенки днища

,

Исполнительная толщина днища

,

Принимаем толщину стенки днища равную SR = 4 мм.

Расчетное значение модуля продольной упругости при заданной температуре для стали 10Х17Н13М2Т .

Уравнения совместности деформаций для места стыка обечайки с сферическим днищем:



,

где - соответственно радиальные и угловые деформации края цилиндрической обечайки под действием нагрузок , и ;

- соответственно радиальные и угловые деформации сферической оболочки под действием нагрузок ;

Подставляя соответствующие значения деформаций в полученную систему получим:

,

где ; ; ,

; ; .

Таким образом, подставляя в систему уравнений значения геометрических размеров аппарата и физических свойств материала, получим:



,

Откуда .

Суммарные напряжения на краю сферического днища [табл.1.26, 2]:

меридиональное

,

,

,

Кольцевое

,



,

,

,

Суммарные напряжения на краю цилиндрической обечайки

Меридиональное

,

,

,

кольцевое

,

,

,

,

Максимальное напряжение на краю:

сферического днища

,

,

цилиндрической обечайки



,

,

т.е. условие прочности в месте сопряжения элементов выполняется

Задание 4

Рассчитать для эллиптического днища, работающего под внутренним давлением, укрепление нормального одиночного отверстия.

Исходные данные. Внутренний диаметр оболочки ; диаметр отверстия ; длина внешней части штуцера ; внутренний радиус отбортовки ; расчетное давление ; расчетная температура ; исполнительная толщина стенки оболочки ; исполнительная толщина стенки штуцера равна 0,7-1,0 от исполнительной толщины стенки обечайки (днища); коэффициент прочности сварных швов для меди ; материал эллиптической оболочки и штуцера - М2. Тип укрепления - отбортовка.

Решение.

Расчетная и исполнительная толщина стенки эллиптического днища:

,

,

Расчетная толщина стенки штуцера

,



Исполнительная толщина стенки штуцера:

,

Расчетный диаметр круглого отверстия штуцера

,

Наибольший диаметр отверстия штуцера, не требующего дополнительного укрепления

,

,

где

Так как , укрепление отверстия диаметром необходимо.

Расчетный диаметр отверстия, не требующего укрепления, при отсутствии избыточной толщины стенки обечайки

,

Расчетная длина штуцера



,

Условие укрепления отверстия отбортовкой выполняется:

,

где , так как материал штуцера и корпуса одинаков.

,

,

Рисунок 4 - Расчетная схема эллиптического днища, работающего под внутренним давлением



Задание 5

Выполнить расчет на прочность и герметичность фланцевого соединения аппарата, работающего под внутренним давлением.

Исходные данные. Внутренний диаметр, толщина обечайки , внутреннее давление , температура . Материал фланца - сталь 20К, материал болтов - сталь 35Х. Фланцы неизолированные, приварные встык, имеют уплотнительную поверхность типа «выступ-впадина». Внешние изгибающий момент отсутствует. Осевая сила . Коэффициенты прочности сварных швов .

Решение.

1. Конструктивные размеры фланца. Толщина втулки принята , что удовлетворяет условию:

и

,

Толщина втулки

где при [рис. 1.39, Э]

Высота втулки

,

где

Принимаем

Эквивалентная толщина втулки фланца



,

,

Диаметр болтовой окружности

,

где .

Принимаем

Наружный диаметр фланца

,

где .

Принимаем

Наружный диаметр прокладки

,

где .

Средний диаметр прокладки

,

где - ширина плоской неметаллической прокладки для диаметра аппарата [табл. 1.42, 2].

Количество болтов



,

где - шаг расположения болтов при , выбранный по таблице [1.43, 2]. Принимаем , кратное четырем.

Высота (толщина) фланца

,

где - для и приварных встык фланцев [рис. 1.40, 2]

Принимаем .

Расстояние между опорными поверхностями гаек для фланцевого соединения с уплотнительной поверхностью типа «выступ-впадина» (ориентировочно)

,

где - высота (толщина) стандартной прокладки.

2. Нагрузки, действующие на фланец. Равнодействующая внутреннего давления

,

Реакция прокладки

,



где - для паронита [табл. 1.44, 2], - эффективная ширина прокладки .

Усилие, возникающее от температурных деформаций

,

где , - соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланцев(20К) и болтов (35Х); - расчетная температура неизолированноых фланцев (табл. 1.37, 2), - расчетная температура болтов (табл. 1.37, 2), - для болтов из стали 35Х; - для болтов диаметром = 30 мм; - количество болтов (); , , - податливости, соответственно болтов, прокладки, фланцев.

Податливость болтов

,

где - расчетная длина болта.

Податливость прокладки

,

где для прокладки из паронита [табл. 1.44, 2]

Угловая податливость фланца



,

где ;,

,

,

При

Тогда

,

Коэффициент жесткости фланцевого соединения

,

,

Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления

= 4,6 МН,

где для паронитовой прокладки [табл. 1.44, 2].

Болтовая нагрузка в рабочих условиях

,

Приведенный изгибающий момент

,

где ; - соответственно для материала фланца при 20 и расчетной температуре [табл. 1.3, 2]

3. Проверка прочности и герметичности соединения.

,

,

Условие прочности болтов выполняется.

где - для материала болтов при +20 и расчетной температуре [табл.1.38, 2].

Условие прочности неметаллической прокладки из паронита.

,

где - для прокладки из паронита [табл. 1.44, 2];



,

Условие прочности прокладки выполняется.

Максимальное напряжение в сечение фланца ограниченном размером :

,

где при ,

,

,

Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером

,

где при и [рис. 1.42, 2],

Окружное напряжение в кольце фланца

,

Напряжение во втулке от внутреннего давления

Тангенциальное

,



Меридианное

,

Условие прочности для сечения фланца, ограниченного размером выполняется

,

,

где - допускаемое напряжение, равное пределу текучести стали 20К при [приложение табл. II, 2].

Условие прочности сечения, ограниченного размером , выполняется

,

,

где - для фланца из стали 20К в сечение при .

Условие герметичности, определяемое углом поворота фланца, выполняется

,

,

где - допускаемый угол поворота приварного встык фланца при .

Рисунок 5 - Схема действия нагрузок на фланец в рабочих условиях

Задание 6

Определить оптимальные размеры и массу корпуса аппарата с эллиптическими крышкой и днищем.

Исходные данные. Объем аппарат , внутреннее давление в аппарате , материал корпуса - листовой прокат из стали 16ГС, рабочая температура , коэффициент прочности сварных швов , прибавка к расчетной толщине стенки .

Решение. Допускаемое напряжение:

где , так как материал - листовой прокат; - для стали 16ГС при [7].

Приведенное давление:



,

Оптимальный диаметр аппарата определяется по номограмме [рис. 1.43, 2]. Соединив на номограмме точку с точкой прямой, найдем, что . Округляем полученный диаметр до ближайшего стандартного значения .

Длина цилиндрической части [табл. 1.47, 2].

,

Внутренняя высота эллиптической части днища (крышки)

,

,

Комплекс [табл. 1.47, 2]

,

,

где - для стали 16ГС.

Выполнить расчет жесткого однопролетного вала постоянного поперечного сечения на жесткость, прочность и виброустойчивость.

Исходные данные. Длина вала ; координаты центра тяжести мешалок: , ; координаты опасных сечений: по жесткости ; угловая скорость вращения вала ; материал вала - легированная сталь 12ХН3А (; диаметр аппарата ; мешалки - пропеллерные; массы мешалок: ; диаметры мешалок ; мошность потребляемая одной мешалкой ; рабочая температура в аппарате .

Задание 7

Рисунок 6 - Однопролетный вал постоянного поперечного сечения

Решение.

1. Расчет на виброустойчивость. Относительные координаты центра тяжести перемешивающих устройств:

;

Безразмерные динамические прогибы вала в центре тяжести перемешивающих устройств согласно [рис. 3.17, 2]:

;

Безразмерный коэффициент , учитывающий приведенную массу вала будет равен

,

Приведенные к точке B (середина пролета вала) массы мешалок:

,

,

Суммарная приведенная масса мешалок составляет

,

Расчетный диаметр вала

,

,

Тогда

,

Принимаем ближайший больший диаметр вала .

Масса единицы длины вала

,



Относительная масса мешалок

,

Корень частотного уравнения согласно [рис. 3.12, 2]

, откуда .

Момент инерции сечения вала составляет

,

Первая критическая угловая скорость вала

,

Условие виброустойчивости выполняется:

2. Расчет на жесткость и прочность. Эксцентриситет массы мешалок составляет

,

Относительная координата опасного по жесткости сечения в месте установки уплотнения вала .

Безразмерный динамический прогиб вала в опасном по жесткости сечении согласно [рис.3.17, 2], в

Приведенные эксцентриситеты массы перемешивающих устройств

,

,

Приведенная масса однопролетного вала поперечного сечения ()

,

Смещение оси вала от оси вращения за счет зазоров в опорах составит

в месте установки верхней мешалки

,

где - для радиального однорядного шарикового подшипника [табл.3.5, 2]; - для подшипника скольжения нижней опоры [табл.3.6, 2], т.е. , тогда

,

в месте установки нижней мешалки

,



в месте установки уплотнения вала

,

Смещение оси вала от оси вращения за счет начальной изогнутости вала (радиальное бнение вала)

в месте установки верхней мешалки , где - начальная изогнутость вала в точке приведения B, принимаемая по табл. 3.7 [табл.3.7, 2], При , , тогда ;

в месте установки нижней мешалки

,

в месте установки уплотнения вала

,

Смещение оси вала от оси вращения в точке приведения B за счет зазоров в опорах

,

Приведенный эксцентриситет массы вала с мешалками

,



Динамический прогиб оси вала в точке приведения B

,

Динамическое смещение центров тяжести мешалок

верхней мешалки

,

нижней мешалки

,

Динамическое смещение сои вала в опасном по жесткости сечении в месте установки уплотнения вала

,

Динамическое смещение оси вала в точке приведение B

,

Условие жесткости , где - допускаемое смещение вала в зоне уплотнительного устройства [табл.3.8, 2]. Для сальникового уплотнение , для торцевого уплотнения . Таким образом, условие жесткости выполняется лишь при использовании торцевого уплотнения .

Сосредоточенная центробежная сила, действующая на мешалки на верхнюю

,,

на нижнюю

,

Приведенная центробежная сила, действующая в точке приведения B, от собственной массы вала

,

реакция опоры A (верхней)

,

где ,

,

реакция опоры Б (нижней)

,

где ,

,



Изгибающий момент в опасных по прочности сечениях.

между А и В

,

между В и Б

,

Крутящий момент в опасных по прочности сечениях:

в середине пролета вала

,

в месте установки верхней мешалки

,

Момент сопротивления вала в опасных по прочности сечениях

,

Эквивалентные напряжения в этих сечениях:

,



,

Допускаемые напряжения в сечениях определяются по формуле

,

Для вала диаметром , изготовленного из легированной стали 12ХН3А [рис.3.19, 2] коэффициент , а при предел выносливости [табл.3.9, 2]. Так как на валу в местах установки мешалок имеются шпоночные канавки, выполненные торцовой фрезой, то [табл.3.9, 2]. В неослабленном сечении , получим:

,

,

Условия прочности выполняются:

;,

,

Таким образом, однопролетный вал диаметром и длиной при заданной нагрузке является виброустойчивым, прочным и достаточно жестким в опасных сечениях.



Рисунок 7 - Аппарат с мешалками и расчетная схема его однопролетного вала



Список использованных источников

1. Расчет и конструирование химических аппаратов с мешалками: учебное пособие/Э.Н. Островская, Т.В. Полякова; Казан.гос.тех-нол.ун-т. Казань, 2006.

2. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи. / Под ред. М.Ф. Михалева. - Л.: Машиностроение, 1984.

3. ГОСТ Р 52857.1-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования

4. ГОСТ Р 52857.4-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений

5. ГОСТ 28759.2-90 Фланцы сосудов и аппаратов стальные плоские приварные. Конструкция и размеры

Размещено на Allbest.ru

...