3.1.5 Расчет монтажных цапф корпуса и опор аппарата

Максимальный вес аппарата G_max рассчитывается с учетом веса всех составных частей аппарата и максимального веса среды.

, (23)

где 1,1 - коэффициент, приблизительно учитывающий вес теплоизоляции (устанавливается при рабочих температурах выше 60 С), т.к. рабочая температура 20 С, коэффициент не учитывается.

m_к - масса (приблизительная) корпуса аппарата, кг;

_ст = 7850 кг/м³ - плотность стали; g 10 мс²;

m_л - масса люка-лаза (таблица В.11), кг;

Gк=mк?g?[сст·s_max·(р·D·H+2р·D²/4)+mл]g = [7850•0,005•(3,14•2,6•4,080+2•3,14•2,6² /4)+ 116]•9,8=18031 Н = 18 кН (24)

G_пр ? 1,3m_прg = 1,3 • 900 • 9,8 = 11,5 • 10³ Н = 11,5 кН. (25)

При расчете максимального веса рабочей среды предполагается, что аппарат с номинальным объемом V заполнен полностью наиболее тяжелой жидкостью (рабочей средой или водой при проведении гидравлических испытаний):

= 1050 • 9,8 • 20 = 205800 Н = 205,8 кН, (26)

где _ж = max{_с; _в}, _с - плотность рабочей среды и _в - плотность воды, кг/м³.

Максимальный вес полностью заполненного жидкостью аппарата, Н:

G_max = G_к+ G_руб + G_пр+G_с, (27)

G_max =18+11,5+205,8 = 235,3 кН,

Проверочный расчет опор-лап и цапф:

а) Выбранный типоразмер опоры и цапфы проверяется на грузоподъемность по условиям:

(28)

(29)

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

z_оп - количество опор-лап (z_оп = 4); z_ц - количество цапф (z_ц = 2);

[G] и [G]_ц - допускаемая нагрузка на опору и грузоподъемность цапфы, Н.

б) Прочность угловых сварных швов, соединяющих ребра опор-лап с корпусом аппарата, проверяют на срез (рисунок 6).

Предварительно определяют катет сварных швов k (значение округляется до целого числа в миллиметрах), минимальную ширину шва e, общую длину сварных швов ?_ш с учетом непровара в каждом шве (4k), м, и допускаемое напряжение []_ш для материала швов, Па:

Размещено на http://www.allbest.ru/

k = 0,85s ? 3 мм, e = 0,7k, (30)

k = 0,85 • 10 = 8,5 мм ? 3 мм,

e = 0,7 • 8,5= 5,95 мм,

?_ш = 2z_p(h - 4k) = 2 • 2 • (460 - 4 • 8,5) = 1704 мм, (31)

[]_ш = [] = 0,65 • 154 = 100,1 МПа, (32)

, (33)

где s и h - соответственно толщина и высота ребра, м;

z_р = 2 - число ребер в опоре;

_с - напряжения среза в швах, Па;

[] - допускаемое напряжение для материала опоры, определяемое по формуле (2в), (при температуре t = 0,85t_c, но не менее 20 С), Па;

= 0,65 - коэффициент прочности швов таврового сварного соединения двусторонним угловым швом и при 50 % контроля длины швов.

Условие прочности выполняется.

В) Проверяется прочность бетона фундамента на сжатие:

, (34)

где _ф - напряжение в фундаменте под опорой, Па;

А_оп = аb - площадь основания опоры, м²;

[]_ф - допускаемое напряжение для бетона по ГОСТ 25192-82 при сжатии (для марки 200 []_ф = 11 Мпа; марки 300 []_ф = 18,5 МПа), Па.

Условие прочности выполняется.

3.2 Элементы механического перемешивающего устройства

3.2.1 Расчет вала мешалки на прочность

Допускаемые напряжения [] для материала вала принимают равным нормативным допускаемым напряжениям _н.

Предварительный расчет вала на прочность

Поскольку диаметры всех участков вала предварительно определяется на этапе эскизного проектирования по типоразмеру привода, мешалки и муфты, то выполняется лишь проверочный расчет вала из условия прочности на кручение. При кручении опасным сечением вала является участок вала диаметром d₁ в месте крепления ступицы мешалки (рисунок 7). Диаметр вала на этом участке определяется по типоразмеру мешалки, обычно он меньше чем диаметр всего вала d. Это сделано для удобства закрепления ступицы и предотвращения смещения мешалки вдоль оси вала.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При работе вал мешалки в месте ее закрепления испытывает, главным образом, кручение. Расчетный максимальный крутящий момент (Н•м) с учетом пусковых нагрузок определяется по формуле:

Т_{кр max} = К_д N_м /щ; (35)

= (n)/30 = ( 200) / 30 = 20,9 рад/с, (36)

где K_д - коэффициент динамичности нагрузки, учитывающий перегрузки при пуске привода;

N_м - мощность, потребляемая мешалкой на перемешивание в соответствии с техническим заданием, Вт;

- угловая скорость вала мешалки, рад/c;

n - частота вращения вала мешалки (по техническому заданию), об/мин.

Коэффициент K_д зависит от типа мешалки и наличия внутренних устройств аппарата. Для трехлопастных мешалок в аппарате с перегородками K_д = 1,2.

Т_{кр max} = 1,2 • 4,1 • 10³ / 20,9 = 235 Н·м;

Полярный момент сопротивления сечения вала в опасном сечении рассчитывается по формуле, м³:

Wр=р·d₁³/16 = 3,14·(0,065)³/16= 5,38 ·10^-5 м³, (37)

где d₁ - диаметр участка вала под ступицу определяется исходя из типа и диаметра мешалки d_м, м. Исходя из таблицы 11 d₁=65 мм.

Проверочный расчет вала заключается в проверке условия прочности на кручение:

, (38)

где _кр - максимальные напряжения в сечении вала, Па;

[]_кр = 0,5[] - допускаемые напряжения на кручение для материала вала при температуре t_р, Па.

[]_кр = 0,5 • 125 =62,5 МПа

Условие прочности выполняется.

Определение усилий, действующих на вал

Помимо кручения вал мешалки изгибается от действия поперечной гидродинамической силы F_м (рисунок 8).

Поперечная гидродинамическая сила F_м, действующая на ротор (вал и мешалку) возникает в результате сложного взаимодействия лопастей мешалки с потоками жидкости. Среднее значение поперечной гидродинамической силы (с учетом гидродинамического сопротивления вала), Н [28]:

, (39)

где k_м - коэффициент сопротивления мешалки: для трехлопастной в аппарате с перегородками k_м = 0,008;

k_в 1,1 - коэффициент, учитывающий гидродинамическое сопротивление вала;

k = 1 - днище эллиптическое,

с_с - плотность среды, кг/м³;

щ - угловая скорость вала мешалки, рад/с;

D, d_м - внутренний диаметр корпуса и диаметр мешалки, м;

Н_с - высота жидкости в аппарате, м.

Размещено на http://www.allbest.ru/

.

Расчет вала на статическую прочность

Максимальные значения нормальных _max и касательных _max напряжений определяются в опасном сечении, т.е. в месте расположения нижнего подшипника, где изгибающий момент максимален (рисунок 8):

; (40)

; (41)

W_но = р d³/32; (42)

W_р = р d³/16, (43)

где Т_{кр max} - максимальный крутящий момент, Нм.

W_но, W_р - соответственно, осевой и полярный моменты сопротивления сечения вала, м³;

d - диаметр вала (см. принятый типоразмера привода), м;

?₁ - длина консольной части вала, т.е. расстояние от нижнего подшипника вала мешалки до середины ступицы мешалки (рисунок 3), м;

?₁ = H + h_о + h₁ - h_м, (44)

где H - высота корпуса аппарата (рисунки В.1 - В.4, таблицы В.1 - В.4), м;

h_о - высота опоры для стойки привода (рисунок В.10 и таблица В.12), м;

h₁ - расстояние от нижнего подшипника вала мешалки до опоры под привод на крышке корпуса аппарата в зависимости от выбранного типа и габарита привода (рисунки Е.1, Е.2 и таблицы Е.3, Е.4, Е.6, Е.7, Е.8), м;

h_м - расстояние от днища корпуса до середины ступицы мешалки (таблица 4, стр. 35), м; для рамных мешалок h_м = h_м1 + H_м, где h_м1 определяется по таблице 4, H_м - расстояние от лопасти до ступицы мешалки (рисунок Д.4 и таблица Д.4).

Правильность расчетной длины ?₁ контролируется её соответствием длине консольной части вала на эскизе компоновки аппарата.

W_но = р d³/32 = р (80 • 10^-3)³/32 = 4,8 • 10^-5 м³;

W_р = р d³/16 = р (80 • 10^-3)³/16 = 9,6 • 10^-5 м³,

?₁ = 4,08 + 0,06 + 0,4 - 0,8 = 3,740 м,

Эквивалентные напряжения, рассчитанные по третьей теории прочности, сравниваются с допускаемыми напряжениями:

, (45)

где [] - допускаемое напряжение материала вала, Па;

Условие прочности выполняется.

3.2.2 Расчет мешалок

Мешалки, выбранные по АТК 24.201.17-90 в зависимости от типа и диаметра, предварительно проверяют по допустимому крутящему моменту [T]_кр (рисунки и таблицы Д.1 - Д.4):

Т_{кр max} [T]_кр, (46)

где Т_{кр max} - расчетный максимальный крутящий момент, Нм.

235 Нм 600 Нм,

Условие выполняется.

3.2.3 Расчет шпоночного соединения ступицы мешалки с валом

Крутящий момент с вала на ступицу мешалки передается при помощи призматической шпонки (рисунок 12), размещенной в шпоночных пазах вала и ступицы.

Боковые грани на половине своей высоты шпонки испытывают напряжения смятия _см, а продольное сечение - напряжения среза _ср. Шпонку рекомендуется изготавливать из того же материала, что и вал. Допускаемые напряжения [] принимаются равные нормативным допускаемым напряжениям _н при температуре рабочей среды.

Для ступиц мешалок рекомендуется применять высокие шпонки, размеры поперечного сечения которых зависят только от диаметра вала d₁ на участке под ступицей.

Длину призматической шпонки ?_ш (м) назначают конструктивно с учетом высоты ступицы h_c:

?_ш = h_c - (0,01 ч 0,02). (47)

?_ш = 0,11 - (0,01 ч 0,02) = (0,1 ч 0,09) м = (100 ч 90) мм

Полученное значение округляют до стандартного ?_ш из ряда (по ГОСТ 10748-79), мм: 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400.

Принимаем,

?_ш = 100 мм

Сила, вызывающая смятие, Н:

, (48)

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

Минимальная поверхность смятия (м²) определяется по формуле:

А_см = (?_ш - b)(h - t) = (100 - 18)(16 - 10) = 492 мм² = 4,92 • 10^-4 м². (49)

Условие прочности шпонки на смятие:

, (50)

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

[]_см= 1,5 - допускаемые напряжения на смятие материала шпонки, Па. Для стали 12Х18Н10Т при температуре 20 С.

[]_см= 1,5 • 125 = 187,5 МПа

Условие прочности шпонки на смятие выполняется.

3.2.4 Расчет муфт

Муфта соединяет вал привода с валом мешалки и передает крутящий момент. Типоразмер муфты зависит от типа привода и диаметра вала. В приводе типа 2 - фланцевая муфта.

Муфты, выбранные по диаметру вала при эскизной компоновке аппарата, проверяются на нагрузочную способность по условию:

, (50)

где Т_р.м - расчетный крутящий момент на участке вала под муфту, Нм;

₁, ₂, ₃ - соответственно КПД подшипников, уплотнения и муфты, вводимые в расчет с учетом схемы привода (для приводов типа 2 ₃ = 1);

Т_ном - номинальный (допустимый) крутящий момент для выбранного типоразмера муфты, Нм.

Условие нагрузки выполняется.

Заключение

В данной курсовой работе был спроектирован аппарат с мешалкой, который состоит из элементов:

1) корпус, состоящий из ряда элементов и устройств: обечайка, крышка, днище, фланцевое соединение люка и др;

2) привод механического перемешивающего устройства;

3) трехлопастная мешалка;

4) вал мешалки;

5) уплотнение вала мешалки (двойное торцевое);

6) муфта вала (упругая втулочно-пальцевая);

7) опоры-лапы и монтажные цапфы.

Были выбраны материалы, для элементов и устройств аппарата:

1) для корпуса - 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72;

2) для вала мешалки, муфты - 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72;

3) опор-лап и монтажных цапф - Ст3сп;

4) для болтов - 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72;

5) для прокладки - Фторопласт.

Были выполнены проектные и проверочные расчеты, позволяющие выявить соответствие аппарата требованиям эксплуатации.

Полученные значения расчетов:

- рабочее давление в аппарате, МПа - 0,262

- предельное внутреннее давление, МПа - 0,328

- максимальный вес аппарата, кН - 235,3

- прочность вала при кручении, МПа - 18

- напряжение смятия на боковой поверхности шпонки, МПа - 17,2

- расчетный крутящий момент на участке вала под муфту, Н-м - 286

Список использованных источников

1. Луцко, А.Н. Проектирование аппарата с мешалкой: учебное пособие / А. Н. Луцко, М. Д. Телепнев, Н.А. Марцулевич, Э.А. Павлова. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2019. 208 с.

Размещено на Allbest.ru