Аппарат с мешалкой

Размещено на http://www.allbest.ru

Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт

(Технический Университет)

Общеинженерное отделение

Кафедра теоретических основ химического машиностроения

Учебная дисциплина Прикладная механика

Курсовой проект

Тема Аппарат с мешалкой

Пояснительная записка

205.007.00.00.000.ПЗ

Студент: Олифер О.Ю.

Руководитель: Матюшин Е.Г.

Санкт-Петербург 2012



Введение

Аппарат с мешалкой - один из наиболее распространенных видов химико-технологического оборудования. Он состоит из типовых элементов, встречающихся во многих аппаратах и машинах различного назначения: корпус, привод, теплообменные устройства, фланцевые соединения, уплотнения валов и др. Методики расчетов, используемые при проектировании аппарата с мешалкой, типичны, т.е. являются общими для многих других видов оборудования.

Аппараты с мешалками широко используются в химической и многих других отраслях промышленности. В аппаратах этого типа проводятся многие гидромеханические и массообменные процессы в одно - и многофазных средах (растворах, эмульсиях, суспензиях). В качестве рабочей среды используются вещества с различными свойствами, в том числе агрессивные, взрывоопасные, пожароопасные и токсичные. Процессы обычно проводятся при повышенных температурах, при избыточном давлении или вакууме. Перемешивание обеспечивает интенсификацию тепло - и массообменных процессов и часто является необходимым условием эффективного течения химических реакций [1, 3, 12]. Конструкция аппарата должна обеспечивать его надёжную работу в заданном технологическом режиме в течение заданного срока службы. Химические аппараты подлежат периодическим проверкам и планово - предупредительным ремонтам.

Аппараты могут быть вертикальными и горизонтальными. Основными элементами аппарата является корпус и механическое перемешивающее устройство. В общем случае оболочка корпуса состоит из цилиндрической части, соединенной с крышкой и днищем, которые имеют эллиптическую, коническую, полусферическую или плоскую форму. Корпуса аппаратов стандартизованы (ГОСТ 9931-85). Типы и основные параметры вертикальных аппаратов с мешалками объёмом от 0,01 до 100 м3 регламентируются ГОСТ 20680-2002. Установлен ряд номинальных объёмов и соответствующие значения высоты корпуса Н и его внутреннего диаметра D.

Под корпусом аппарата понимают герметически закрытый сосуд, находящийся под давлением, в котором осуществляется перемешивание. Корпусы вертикальных аппаратов выполняемые по ГОСТ 9931-85 могут быть двух типов: ВЭЭ (вертикальный, эллиптическое днище, эллиптическая крышка). ВКЭ (вертикальный, коническое днище, эллиптическая крышка). Цилиндрическая оболочка корпуса называется обечайкой. Корпусы изготавливают двух исполнений: цельносварные или с отъёмной крышкой. В последнем случае для крепления крышки используется фланцевое соединение, которое обеспечивает герметичность разъёмного соединения крышки с корпусом. Отъёмная крышка позволяет проводить монтажные и ремонтные работы внутри корпуса. В приводимых примерах днища корпусов приварные. Переход от цилиндрической части к коническому или эллиптическому днищу должен быть плавным, что обеспечивается при помощи специального элемента (участка оболочки) - отбортовки. Отбортовка, состоящая из цилиндрического участка и торового сегмента у конуса, уменьшает дополнительные напряжения, возникающие в зоне сопряжения оболочек различной формы, и позволяет вынести из этой зоны сварной шов, прочность которого обычно ниже, чем прочность оболочки в других зонах.

Для подачи или отвода тепла, а, следовательно, и для поддержания заданной температуры рабочей среды корпус аппарата оснащается теплообменными устройствами - наружными в виде теплообменной рубашки или внутренними в виде змеевика. В зависимости от особенностей процесса аппарат может оснащаться сразу несколькими теплообменными устройствами.

Для загрузки исходных компонентов, отвода готовых продуктов, подвода теплоносителя, ввода датчиков контрольно - измерительных приборов используются штуцеры, расположенные на крышке, на обечайке и на днище. Люк используется для осмотра и проникновения человека внутрь корпуса с целью проведения ремонтных работ. Люк в аппаратах с отъёмной крышкой используется для осмотра мешалки и других внутренних устройств. В аппаратах с приварной крышкой люк - лаз диаметром не менее 400 мм предназначен для проникновения человека внутрь корпуса с целью проведения монтажа мешалки и ремонтных работ. В корпусе аппарата, могут устанавливаться различные внутренние устройства, например, четыре отражательных перегородки, которые предотвращают образование центральной воронки в перемешиваемой среде и интенсифицируют процесс перемешивания; труба передавливания используется для вывода продуктов через крышку аппарата за счет избыточного давления в корпусе. Аппараты устанавливаются на фундамент при помощи опор - лап или при помощи опор - стоек. Применение того или иного вида опор диктуется высотой цеха (стандартная высота помещения 6 м), или же особенностями размещения технологической аппаратуры на нескольких уровнях цеха.

Механические перемешивающие устройства (МПУ) всех аппаратов представляют собой конструкции, состоящие из привода, и вала с мешалкой. Большинство элементов механического перемешивающего устройства стандартизовано. Привод перемешивающего устройства аппаратов состоит из электродвигателя, механической передачи в виде редуктора (зубчатой передачи) или ременной передачи, стойки привода и уплотнения вала. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Редуктор или ременная передача передают вращательное движение от вала электродвигателя с понижением скорости вращения и увеличением крутящего момента на выходном валу привода. Стопка привода, объединяя их в единый агрегат, служит для крепления элементов МПУ. Выходной вал редуктора или мотор редуктора при помощи муфты продольно - разъемной или фланцевой соединяется с валом. На конце вала установлена мешалка: трехлопастная, лопастная, рамная, турбинная открытая. Мешалка при вращении передает механическую энергию в перемешиваемую среду. Валы мешалок устанавливаются в стойках привода при помощи подшипников качения. В некоторых случаях для повышения виброустойчивости вала применяется концевой подшипник, на который опирается нижний конец вала. Герметичность вращающегося вала обеспечивается уплотнением (сальниковым или торцовым), которое крепится к крышке аппарата. Тип уплотнения зависит от величины давления в аппарате и от свойств рабочей среды.

температура эскиз сварочный



1. Цель и задачи проекта

Цель курсового проекта - разработка в соответствии с исходными данными эскизного, технического проектов и фрагментов рабочей конструкционной документации на типовой аппарат с механическим перемешивающим устройством, предназначенный для проведения процесса перемешивания в жидкофазной системе при заданных давлении, температуре и свойствах рабочей среды, с сохранением работоспособности в рабочих условиях в течении заданного срока службы. С учётом характера будущей инженерной деятельности, одной из тем курсового проекта предлагается “Проектирование аппарата с мешалкой”.

При выполнении курсового проекта студенты решают следующие основные задачи: а) освоение основ методики проектирования; б) грамотное использование общероссийских и отраслевых нормативных документов (ГОСТы, ОСТы, правила Ростехнадзора и т.п. ), касающихся устройства, выбора рабочих параметров и правил эксплуатации оборудования предприятий химической промышленности;

в) выбор конструкционных, уплотнительных материалов, выбор типовых элементов аппарата и оценка его надежности;

г) выполнение проектных и проверочных расчетов типовых элементов по главным критериям их работоспособности, позволяющих выявить соответствие аппарата требованиям эксплуатации (при этом особое внимание следует обращать на вскрытие резервов работоспособности стандартизованных элементов и повышение производительности оборудования); д) конструктивное оформление аппарата в соответствии с заданными технологическими параметрами процесса;

е) грамотные доклад и защиту принятых технических решений на заседании комиссии по приёму курсовых проектов.

2. Эскизный проект

2.1 Выбор конструкционных материалов

Экономичность изготовления и надежность в работе аппарата с мешалкой, в значительной мере, зависят от правильного выбора материалов.

Первоначально подбирается основной конструкционный материал, т.е. для корпуса, теплообменной рубашки (типовая теплообменная рубашка изготавливается из стали Ст3сп5), опор корпуса, вала, мешалки. Материалы для изготовления уплотнительных прокладок, болтов, шпилек и других элементов следует выбирать при выполнении соответствующего раздела. По марке материала определяют допускаемые напряжения [у].

Основным конструкционным материалом корпусов аппаратов, работающих под давлением в коррозионной среде и при высокой температуре являются стали, отличающиеся высокой прочностью, коррозионной стойкостью и термостойкостью.

Поскольку одна часть элементов аппарата взаимодействует с рабочей средой, а другая часть не взаимодействует - марки стали для этих групп элементов могут быть подобраны разными. Однако для исключения электрохимической коррозии в сварных швах следует избегать соединения элементов из разнородных материалов. Поэтому, свариваемые друг с другом корпус и рубашку, включая опоры, изготавливают из материала одной марки.

Коррозия не возникает в сварных швах, соединяющих оболочку корпуса из двухслойной стали с рубашкой из углеродистой стали.

В данном случае марка стали подобрана по таблице коррозионной стойкости, с учетом наличия теплообменной рубашки из углеродистой стали, для рабочей среды (водный раствор азотной кислоты) выбрана вполне стойкая (П ? 0,1•10-3 м/год) двуслойная сталь Ст3сп + 12Х18Н10Т. По таблице применимости материалов, а данная сталь применяется для изготовления оболочки корпуса, люка, штуцеров, фланцев корпуса, мешалки. Материал для болтов - 40Х. Материалы для изготовления уплотнительных прокладок, болтов и др. элементов выбираются при выполнении соответствующего раздела.

2.2 Расчетная температура

Механические характеристики материалов существенно изменяются в зависимости от температуры.

Расчетная температура стенки - температура, при которой определяются физико-механические характеристики, допускаемые напряжения и проводится расчет на прочность элементов сосуда. Расчетная температура определяется на основании тепловых расчетов или результатов испытаний.

При положительных температурах за расчетную температуру стенки элемента аппарата следует принимать наибольшее значение температуры стенки, а при отрицательных - необходимо принять tp=+20оС.

На практике часто за расчетную температуру принимают наибольшую температуру среды, но не ниже +20єС.

Таким образом,

tр = tс

tр = 20єС,

где tр - расчетная температура стенок корпуса аппарата, єС;

tс - температура среды, соприкасающейся со стенкой аппарата, єС.

Для элементов аппарата, не имеющих контакта с рабочей средой или теплоносителем tp=20оС



2.3 Выбор допускаемых напряжений

На основании ГОСТ Р 52857.1-2007 допускаемые напряжения материала корпуса для рабочих и нормальных (20єС) условий определяются соответственно по формулам:

[у] = з1•з2•у*

[у]20 = з1•з2•у20*

Так как по ТЗ расчетная температура и температура нормальных условий равны:

Сталь 12Х18Н10T:

[у]20 = з1•з2•у20*= 1•0,9•184 = 165,6 МПа

Сталь ст3Сп:

[у]20 = з1•з2•у20*= 1•0,9•154 = 138,6 МПа

где у* - нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре для выбранного материала, Па;

у20* - нормативное допускаемое напряжение при температуре 20єС для выбранного материала,

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

[у]20 - допускаемое напряжение при температуре 20єС для выбранного материала, Па;

з1 - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки рассчитываемого элемента (з1 = 1 для листового проката);

з2 - поправочный коэффициент, учитывающий степень опасности рабочей среды (з2 = 1 для нетоксичных сред).

Полученные значения напряжений, а также нормативные допускаемые напряжения основных конструкционных материалов занесены в таблицу 1.

Таблица 1 Материалы и допускаемые напряжения элементов аппарата

Элементы аппарата	Марка стали	Допускаемые напряжения, МПа
		у*	[у]	у*20	[у]20
Есть контакт с рабочей средой
1.Корпус: а) Обечайка, крышка, днище б) фланцы корпуса, люка в) прокладка уплотнительная 2.Внутренние устройства 3.Мешалка 4.Вал 5. Крепежные изделия мешалки: болты, гайки, шайбы, шпонки	Ст3сп + 12Х18Н10Т 20 ПЭ 12Х18Н10Т 12Х18Н10Т 12Х18Н10Т	154 - - 184 125 -	138,6 - - 165,6 112,5 -	154 - - 184 125 -	138,6 - - 165,6 112,5 -
Нет контакта с рабочей средой
6.Рубашка 7.Опоры аппарата, цапфы 8.Стойка привода 9.Крепежные изделия: а) для фланцевых соединений; б) для муфты вала (шпонка); в) для уплотнения (шпилька)	Ст3сп Ст3сп СЧ 40Х 20 12Х18Н10Т	154 154 - 230 147 154	138,6 138,6 - 207 132,3 138,6	154 154 - 230 147 154	138,6 138,6 - 207 132,3 138,6

2.4 Определение рабочего, расчётного, пробного и условного давлений

Рабочее, расчетное, пробное и условное давление относятся к параметрам, которые подлежат предварительному определению. Данные параметры устанавливаются в соответствии с ПБ 03-576-03 (Правила устройства и безопасной эксплуатацией сосудов, работающих под давлением) и ГОСТ Р 52857.1- 2007.

Рабочее давление рраб - максимальное внутреннее избыточное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время срабатывания предохранительного клапана или других предохранительных устройств. Таким образом, рабочее давление - это избыточное давление газа над слоем жидкости, которое указывается в ТЗ, т.е.:

рраб = ри

Гидростатическое давление рг - максимальное давление столба жидкости в аппарате, Па:

рг = сс•g•Hс = 1050•10•2,7= 27783 Па = 0,028 МПа

где сс - плотность рабочей среды, кг/м3

g 10 - ускорение свободного падения, м/с2 ;

Hс - уровень жидкости в аппарате, м.

Гидростатическое давление обычно существенно меньше рабочего. Относительную, в процентах, величину гидростатического давления Др рассчитывают по формуле:

Др = (рг/ рраб)•100% = (0,028/0,95)•100% = 2,9%

Расчетное внутреннее давление рр.в - давление, на которое производится расчет элементов аппарата на прочность (рис. 1), Па. Если на элемент корпуса действует гидростатическое давление больше или равное 5%, то его учитывают в расчетном давлении, в противном случае гидростатическое давление не учитывают: т.к. Др меньше 5%, то гидростатическое давление не учитывается

Для крышки аппарата:

рр.в = рраб =0,95 МПа

Для обечайки и эллиптического днища :

рр.в = рраб =0,95 МПа

Наружное давление является основной нагрузкой для тех элементов аппаратов, которые находятся под рубашкой или работают при остаточном давлении, т.е. под вакуумом (рис. 2).

Расчетное наружное давление рр.н для крышки, обечайки и днища определяется по формулам:

Для крышки:

рр.н = ра - ро = 0,1 - 0,02= 0,08 МПа

Для обечайки и днища:



рр.н = ра - ро + рруб = 0,1 - 0,02 +0,45= 0,53 МПа

где ра = 105 - атмосферное давление, Па;

рруб =0,45 МПа - давление в рубашке

ро = 0,05МПа - остаточное давление в корпусе, Па;

Пробное давление рпр - максимальное избыточное давление, создаваемое при гидравлических испытаниях сосудов и аппаратов с целью проверки их на прочность и герметичность

Для корпуса:

рпр = 1,25• рр.в•[у]20/[у] = 1,25•0,95•138,6/138,6 = 1,188 МПа

Для рубашки:

рпр.руб = 1,25• рр.в•[у]20/[у] = 1,25•0.45•138,6/138,6 = 0.563 МПа

Условное давление ру - расчетное давление при температуре 20єС,используемое при выборе и расчете на прочность стандартных элементов аппарата (узлов, элементов, арматуры):

Для корпуса:

ру ? рр.в•[у]20/[у] =0,95•138,6/138,6 = 0,95 МПа

т.к условное давление выбирается из стандартного ряда, то ру = 1,0 МПа

Для рубашки:

ру ? рр.в•[у]20/[у] =0,45•138,6/138,6 = 0,45 МПа

выбирая из стандартного ряда ру = 0,6 МПа.

Полученные значения давлений сведены в таблицу 2.

Таблица 2 Расчетное, пробное, условное давление в аппарате

Элементы аппарата	Расчетное внутреннее давление рр.в, МПа	Расчетное наружное давление рр.н, МПа	Пробное давление рпр, МПа	Условное давление ру, МПа
Корпус	Крышка	0,95	0,08	1,188	-
	Обечайка		0,53
	Днище
	Фланцы		-		1,0
	Люк
	Штуцеры
Руашка	Обечайка	0,45	-	0,563	0,6
	Днище
	Штуцеры

2.5 Выбор комплектующих элементов. Эскиз компоновки

Корпус аппарата выбираем по обозначению корпуса 21, внутреннему диаметру D=1800мм, объёму V= 6,3м3

Корпус имеет отъёмную крышку.

Фланцы, штуцеры корпуса подбираем по внутреннему диаметру D=1800мм, условному проходу Dу и условному давлению pу.

Люк со сферической крышкой имеет диаметр DЛ =500мм

Предварительный выбор монтажных цапф, которые необходимы при проведении монтажных работ, производим в зависимости от номинального объема корпуса в соответствии с таблицей.

Опоры аппарата предлагается использовать для подвесной установки между перекрытиями в помещении или при размещении на стальных специальных конструкциях, используя опорные лапы. Предварительный их выбор производится по внутреннему диаметру корпуса аппарата в соответствии с таблицей.

Выбор элементов механического перемешивающего устройства:

Мешалку подбираем по обозначению типа 03, т.е. турбинная открытая, и по диаметру dм = 500 мм, ступица мешалки разъёмная.

Выбор привода:

Производим по потребляемой мощности Nм = 7,9 кВт, причём номинальная мощность электродвигателя выбранного привода должна быть больше мощности, затрачиваемой двигателем, как на перемешивание, так и на преодоление трения в элементах механизма:

где: з1 - КПД подшипников, в которых крепится вал мешалки;

з2 - КПД, учитывающий потери в уплотнении;

з3 - КПД компенсирующей упругой втулочно-пальцевой муфты;

з4 - КПД механической передачи привода.

ND - расчетная мощность электродвигателя

и по частоте вращения nм = 200 об/мин. с учётом давления. По таблице тип подходящего привода - 1, исполнение 4. Для данного типа и исполнения, с учётом выбора диаметра вала, по таблицам подбирается габарит привода - 1.

В качестве уплотнения для привода применяем двойное торцовое.

По частоте вращения и номинальной мощности устанавливаем, что необходимо применять привод типа 1, габарита 4, диаметр вала dв=50 мм.



2.6 Оценка надежности выбранного варианта компоновки аппарата

После завершения компоновки аппарата следует оценить надежность выбранного варианта с получением численных значений основных показателей надежности.

Надежность химического оборудования - комплексное свойство, сочетающее безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Важнейшим среди перечисленных 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 л - среднее число отказов в единицу времени.

Интенсивность отказов сложного объекта складывается из интенсивностей отказов его составных частей:

л? = л?к + л?пр = (11,8 + 12,0)•10-5 =23,8•10-5 час-1

где л?к ,л?пр - суммарные интенсивности отказов корпуса аппарата и его привода с перемешивающим устройством, соответственно, час-1;

л?к = лк + лл =(9,5 + 2,5)•10-5 = 12•10-5 час-1

где лк - интенсивность отказа корпуса аппарата, час-1;

лл -интенсивность отказа люка-лаза с шарнирным устройством, час-1;

л?пр = лпр + лм + лу + лмеш + лв = (5,0 + 3,0+2,0 + 0,8+1,0)•10-5 = 11,8•10-5 час-1

лпр - интенсивность отказа привода, час-1;

лу - интенсивность отказа уплотнения, час-1;

лм - интенсивность соединительной муфты, час-1

лмеш - интенсивность отказа мешалки, час-1

лв - интенсивность отказа вала, час-1

л? - интенсивность отказов аппарата в целом, час-1.

Средняя продолжительность безотказной работы Тср аппарата связана с вероятностью РАП(t) соотношением:

Тср = 1/ л? = 1/(23,8·10-5) = 4200 часа

Вероятность безотказной работы РАП(t) позволяет также обоснованно выбрать продолжительность Тэ периодов эксплуатации аппарата между обслуживанием и плановыми ремонтами. Параметр Тэ находится из условия, что вероятность безотказной работы аппарата не может быть ниже некоторого предельного значения Рпред., т.е:

Тэ = - Тср •ln Рпред = - 4200• ln 0,6 = 2145,5 часов

где Рпред - предельное значение вероятности безотказной работы, определяющее степень надежности оборудования (Рпред = 0,6, т.к. рабочая среда - не токсична).



3. Технический проект

3.1 Расчет элементов корпуса аппарата

3.1.1 Определение коэффициентов прочности сварных швов и прибавки для компенсации коррозии

Исходя из того, что средой в аппарате является разбавленная (10 %) азотная кислота, давление меньше 2,5 МПа при температуре 20 оС, то при изготовлении контролируется 50% длины швов.

Свариваемые оболочки аппаратов с отъемными крышками (корпус 21) соединяют двусторонним стыковым сварным швом автоматической или полуавтоматической сваркой, т.к. 50% контроль швов, то 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 расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:

с = П•Та = 0,1• 15 = 1,5 мм

где с - прибавка для компенсации коррозии, м;

П - скорость коррозии, м/год;

Та = 15 лет - срок службы аппарата.

3.1.2 Определение расчетной 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.

Толщина стенок стандартной теплообменной рубашки, изготовленной из углеродистой стали Ст3сп5, задана и не рассчитывается.

На основании ГОСТ Р 52857.2-2007 расчету подлежат элементы корпуса: цилиндрическая обечайка, эллиптическая крышка, коническое днище в местах сварки.

Корпус:

а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия прочности:

Где: рр.в - расчетное внутреннее давление (см. табл. 2), Мпа;

D - внутренний диаметр обечайки, мм;

[у] - допускаемое напряжение (см. табл. 1), Мпа;

ц - коэффициент прочности сварного шва.

б) Расчетная толщина стенки эллиптической крышки из условия прочности:

в) Расчетная толщина стенки конического днища с отбортовкой (тороидальным переходом) из условия прочности:



где =45о - половина угла при вершине конуса;

Dк - диаметр основания конической оболочки без тороидального перехода;

r - радиус тороидального перехода.

3.1.3 Определение расчетной 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 po , 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 оказался закрытым. В таком случае при недостаточной толщине стенки оболочки может произойти потеря устойчивости (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, способными удерживать большие наружные давления, являются короткие оболочки: они теряют устойчивость с образованием трех, четырех и более волн смятия.

В аппаратах с теплообменной рубашкой рубашка не рассчитывается на устойчивость, т.к. образование вакуума в ней не предполагается.

Важнейшим геометрическим параметром, влияющим на устойчивость цилиндрической оболочки, является её расчетная длина. При определении расчетной длины цилиндрической обечайки lц следует учитывать, что в аппаратах с отъемной крышкой и теплообменной рубашкой волны смятия распространяются от фланца, захватывая часть цилиндрической части, закрытой рубашкой и часть днища (рис. 3).

Рисунок 3 Схема к определению расчетной длины цилиндрической оболочки lц в аппарате с отъемной крышкой и теплообменной рубашкой

а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия устойчивости :

где D - внутренний диаметр обечайки, мм;

Е - модуль продольной упругости материала оболочки при расчетной температуре 1,99 105 МПа;

рр.н - расчетное наружное давление (см. табл. 2), Па;

ny = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости;

где Н1=1700 мм - общая высота цилиндрической части аппарата, (см. табл. В2);

h=60 мм - высота диска фланца, (см. табл. Г);

В2 = 2•(h+150) = 2•(60+150) = 420 мм - высота элементов для плоских приварных фланцев;

В3 = 50 мм - расстояние от фланца до рубашки;

b1 = 60 мм- ориентировочная высота отбортованной части конического днища;

b2 = r*sinб = = 141 мм - высота переходной части конического оболочки;

рр.н - расчетное наружное давление (см. табл. 3), МПа;

ny = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости;

Е=205000 - модуль продольной упругости материала оболочки, МПа;

D=1800 мм - внутренний диаметр обечайки.

б) Расчетная толщина стенки конического днища :



где - расчетный диаметр конической оболочки, мм;

- расчётная длина конической оболочки, мм;

- диаметр отверстия в днище под штуцер для слива, мм.

3.1.4 Определение исполнительной толщины стенок оболочек

Поскольку в последующих расчетах неоднократно будут использоваться значения расчетной и исполнительной толщины стенок оболочек аппарата , их целесообразно свести в таблицу 3.

Для каждой оболочки из двух вычисленных значений (разделы 3.1.2 и 3.1.3) толщины выбирают большее расчетное значение:

Sцр =max {Sцр1; Sцр2} = Sцр2 = 12,9 мм

Sкр =max {Sэр1; Sэр2} = Sэр2 = 8,02 мм

Sдн =max {Sдн1; Sдн2} = Sдн1 =10,24 мм

Окончательно исполнительную толщину стенки подбирают из ряда значений стандартной толщины листов.

Выражения для определения исполнительной толщины стенок оболочек корпуса имеют следующий вид (при нормальной толщине защитного слоя):

Корпус

а) для цилиндрической оболочки

Sц = Sцр + с + с1 = 12,9 + 3 + 2,1= 18 мм

б) для эллиптической крышки

Sэ = Sэр + с + с1 = 8,02 + 1,5 + 2,48 = 12 мм

в) для конического днища

Sк = Sкр + с + с1 = 10,24 + 3 + 2,76 = 16 мм

где с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

с1 - прибавка для округления толщины листа до стандартного значения, должна быть не менее минусового допуска, т.е. с1 ? u

Таблица 3 Параметры толщины стенок оболочек

Оболочка аппарата	Расчетная толщина стенки, мм	Прибавка на коррозию, мм	Минусовой допуск, мм	Исполнительная толщина стенки, мм
	Из условия прочности	Из условия устойчивости
Корпус
Цилиндрическая оболочка	3,66	12,93	3	1,3	18
Крышка	7,72	8,02	1,5	0,8	12
Днище	10,24	8,02	3	0,8	16
Рубашка
Цилиндрическая часть	-	-	1	-	8
Днище	-	-	1	-	10



3.1.5 Определение допускаемых давлений

Важными техническими характеристиками аппарата являются максимально допускаемые внутреннее и наружное давления, которые определяют возможные технологические резервы. Под резервом понимают превышение допускаемого значения параметра над расчетным.

За счет прибавок с1 при округлении расчетных значений толщины стенок оболочек до стандартной толщины листа увеличивается несущая способность оболочек, а следовательно и допускаемые давления. Если допускаемые давления больше или равны расчетным, то условия прочности и устойчивости выполнены.

Допускаемые внутренние давления рассчитываются для каждого элемента корпуса, в том числе и для фланцев корпуса, люка штуцеров, а для уплотнения определяется максимально избыточное давление. Из полученных значений выделяется наименьшее, которое принимается в качестве максимально допускаемого внутреннего давления для всего аппарата, т.е. наиболее слабый элемент определяет работоспособность (несущую способность) всего аппарата.

Аналогично определяют допускаемое внутреннее давление для рубашки.

В качестве допускаемого наружного давления в корпусе аппарата принимается наименьшее значение допускаемого наружного давления для элементов корпуса под рубашкой и без нее, а также максимального давления разрежения для уплотнения вала мешалки.

Результаты расчетов допускаемых давлений предварительно заносятся в таблицы 4 и 5.

Расчет допускаемых (предельных) внутренних давлений.

1.Корпус

а) Для цилиндрической обечайки:

где рр.в - расчетное внутреннее давление (см. табл. 2), МПа;

D - внутренний диаметр обечайки, мм;

[у] - допускаемое напряжение (см. табл. 1), МПа;

ц - коэффициент прочности сварного шва;

с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

u - минусовой допуск на стандартную толщину листа, мм;

Sц - исполнительная толщина, мм.

б) Для эллиптической крышки :

где рр.в - расчетное внутреннее давление, МПа;

D - внутренний диаметр обечайки, мм;

[у] - допускаемое напряжение, МПа;

ц - коэффициент прочности сварного шва;

с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

u - минусовой допуск на стандартную толщину листа, мм;

Sэ - исполнительная толщина, мм.

в) Для конического днища:

где рр.в - расчетное внутреннее давление днища (см. табл. 2),МПа;

Dк - диаметр основания конической оболочки рубашки без

тороидального перехода, мм;

[у] - допускаемое напряжение (см. табл. 1), МПа;

ц - коэффициент прочности сварного шва;

с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

u - минусовой допуск на стандартную толщину листа, мм;

Sк - исполнительная толщина, мм.

2.Рубашка

а) Для цилиндрической части рубашки:

б) Для конического днища:

Расчет допускаемых (предельных) наружных давлений.

а) Для цилиндрической обечайки:

где D - внутренний диаметр обечайки, мм;

Е - модуль продольной упругости материала оболочки при

расчетной температуре, МПа;

рр.н - расчетное наружное давление, МПа;

ny = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости;

lц - расчетная длина цилиндрической обечайки, мм;

с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

u - минусовой допуск на стандартную толщину листа, мм;

Sц - исполнительная толщина, мм.

б) Для эллиптической крышки:

где D - внутренний диаметр обечайки, мм;

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

рр.н - расчетное наружное давление, МПа;

ny = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости;

с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

u - минусовой допуск на стандартную толщину листа, мм

Sэ - исполнительная толщина, мм;

К = 0,9 - коэффициент приведения радиуса кривизны эллипса.

б) Для конического днища :



где D - внутренний диаметр обечайки, мм;

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

рр.н - расчетное наружное давление, МПа;

ny = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости;

с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

u - минусовой допуск на стандартную толщину листа, мм;

Sк - исполнительная толщина, мм;

- расчетный диаметр конической оболочки, мм.

Таблица 4 Условные и допускаемые внутренние давления в аппарате, МПа

Элементы аппарата	Фланцы, штуцеры, люк	Уплотнение рmax	Крышка	Обечайка	Днище	Общее для аппарата
Корпус	1,0	1,0	1,19	1,67	1,59	0,998
Рубашка	0,6	-	-	0,7	0,94	0,7

Таблица 5 Допускаемые наружные давления, МПа

Элементы корпуса	Крышка	Обечайка	Днище	Уплотнение рmax	Общее для аппарата
не находящиеся под рубашкой	0,77	-	-	0,6	0,7
находящиеся под рубашкой	-	1,09	1,51	-	1,09



3.1.6 Укрепление отверстий

Отверстия в оболочках аппарата, предназначенные для размещения штуцеров различного назначения и люка, снижают несущую способность корпуса и вызывают концентрацию напряжений вблизи края отверстия. Концентрация напряжений носит локальный характер: напряжения быстро уменьшаются при удалении от края отверстия.

На основании ГОСТ Р 58257.3- 2007 расчет укрепления отверстий в оболочках корпуса проводится по геометрическому критерию. Для обеспечения прочности оболочки вблизи отверстия площадь продольного сечения выреза в виде прямоугольника А (рис. 4) должна быть компенсирована суммой площадей А0, А1, А3, образованных дополнительными толщинами основной оболочки и стенкой штуцера (рис. 4, а). Дополнительная толщина появляется из-за того, что исполнительная толщина стенки оболочки или штуцера обычно больше расчетной за счет прибавки с1. Если дополнительной толщины оболочки 3 (рис. 4,б) и штуцера 1 недостаточно, приваривают накладное кольцо 2 вокруг отверстия, добавляя дополнительную площадь А2.



а) расчетная схема; б) укрепление отверстия накладным кольцом

Рисунок 4 Схема к расчету укрепления отверстий

Наибольшим отверстием в оболочке корпуса является люк, расположенный на крышке аппарата - он подлежит первоочередной проверке.

При использовании для оболочек корпуса и привариваемых к нему штуцеров одного материала расчёт укреплений отверстий выполняется следующим образом:

Определение наибольшего диаметра отверстия d0 (мм) в оболочке, который не требует дополнительного укрепления:

где s, sp - исполнительная и расчётная (из условия прочности) толщина стенки оболочки, мм; с - прибавка на коррозию, мм;

u - минусовой допуск на толщину s листа, мм;

lp - расчётная ширина зоны укрепления, мм.

Dр - расчетный внутренний диаметр оболочки,мм;

Для люка:

dшр= dш+2с = 500+3=503мм > d0=71,724мм

dшр - расчетный диаметр укрепляемого отверстия, мм;

dш - внутренний диаметр люка, мм.

а) Проверка укрепления отверстий за счёт стенки люка и стенки оболочки по условию:

A ? A0 + A1 + A3,

где A - площадь продольного сечения выреза, подлежащая компенсации, мм2; A0 - площадь продольного сечения оболочки, участвующая в укреплении, мм2; A1 и А3 - площади продольного сечения соответственно наружной и внутренней части люка, участвующие в укреплении, мм

где dш - внутренний диаметр люка, мм;

sp - расчётная (из условия прочности) толщина стенки оболочки, мм.

где s - исполнительная толщина стенки оболочки, мм;

lp - расчётная ширина зоны укрепления.

где l1p - расчётная длина внешней части люка, мм;

sш - исполнительная толщина стенки люка, мм;

sшp - расчётная толщина стенки люка.

;

A = 1023,47>=747,38мм2

Условие не выполняется, необходимо укрепление отверстия накладным кольцом (рис. 4, б):

Требуемая площадь сечения кольца, мм2:

А2=А-А0-А1-А3=1023,47-747,38=276,1

Толщина кольца с округлением до целого числа при ширине l2=lp=142,337:

s2=A2/l2=3 мм.

3.1.7 Фланцевые соединения

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

Фланцевые соединения отъемной крышки корпуса, люка, штуцеров комплектуются прокладками, материал которых выбирается по таблице в зависимости от коррозионной стойкости и термостойкости, в данном случае выбран материал - паронит электролизерный (с учетом среды - 10% HNO3 и максимального действующего давления.).

Так как фланцевые соединения (рис.5) относятся к статически неопределенным системам [11], для расчета усилий, действующих на болты (шпильки) и на прокладку, предварительно необходимо определить податливость болтов и прокладки (податливость - величина обратная жесткости, равна отношению деформации к вызывающей ее силе). Поскольку жесткость фланцев, как правило, значительно больше жесткости эластичных и асбометаллических прокладок, податливостью фланцев можно пренебречь.

Тип фланцев плоские приварные, с уплотнительной поверхностью типа выступ-впадина.



а) на стадии монтажа и герметизации (затяжки болтов);

б) на стадии эксплуатации

Рисунок 5 Расчетная схема фланцевого соединения

Податливость болтов соединения:

где lб = hф + 0,28dб = 163 + 0,28•24 = 170 мм - приведенная длина болтов;

hф ? 2h + sп = 2•80+3 = 163мм - общая высота дисков фланцевого соединения:

h - высота диска фланца=80, мм;

sп - толщина прокладки=3, мм;

dб - наружный диаметр резьбы болта=24, мм.

Еб20 - модуль продольной упругости материала болта при температуре 20єС, 2,18 105 МПа;

zб - число болтов=84;

Аб - минимальная площадь поперечного сечения болта=324, мм2.

Податливость прокладки:

где К0 - коэффициент обжатия=0,9

b - ширина прокладки =15,5, мм;

Еб20 - модуль упругости материала прокладки при температуре 20єС, МПа;

Dпср = Dп - b = 1880 - 15,5 = 1864,5 мм - средний диаметр прокладки;

Dп - наружный диаметр прокладки 1880, мм.

Коэффициент внешней нагрузки:

При расчете фланцевых соединений рассматриваются два режима:

1 - монтаж- аппарат без давления с начальной температурой to=20 oC$

2 - эксплуатация под давлением рабочей среды с температурой tp.

В условиях монтажа усилия затяжки болтов Fб1 и усилия сжатия прокладки Fп1 равны.

Усилие затяга контролируется при помощи специального динамометрического ключа. Эти предварительные усилия должны быть такими, чтобы сохранялась герметичность и условиях эксплуатации, поскольку внутреннее давление, действуя на крышку и растягивая болты. снижает усилия на прокладку (см. «Приложение Б»), которое может стать меньше усилия, обеспечивающего герметизацию.

Усилие от давления рабочей среды:

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

где Dпср - средний диаметр прокладки, мм;

Кп - коэффициент материала прокладки;

b0 - эффективная ширина прокладки:

т.к. b = 15,5 > 15 мм, то

b0 =

Усилие затяжки Fб1, Действующее как на болты, так и на прокладку при монтаже, принимается из двух значений наибольшее:

где qmin- минимальная удельная нагрузка на контактной поверхности прокладки, необходимая для заполнения неровностей уплотнительных поверхностей фланцев.



При действии рабочего давления усилие на болты возрастает:

Запас герметичности проверяется по формуле:

где [nг] - нормативный запас герметичности.

Условие не выполнено, следовательно необходимо увеличить , решив неравенство при nг=1,2:

Проверка прочности болтов в условиях монтажа:

где zб - число болтов;

Аб - минимальная площадь поперечного сечения болта, мм2;

[б]20 - допускаемое напряжение в материале болтов при 20є, МПа.

Проверка прочности болтов в рабочих условиях:

Проверка прочности материала прокладки:

3.1.8 Расчет опор и монтажных цапф аппарата

Опоры-лапы аппарата испытывают нагрузку от общего веса аппарата в рабочих условиях, а цапфы только от веса корпуса аппарата при монтаже (без привода и жидкости). Максимальный вес аппарата Gmax рассчитывается с учетом веса всех составных частей аппарата и максимального веса среды. Вес каждой из составных частей может быть определен точно путем вычисления или по таблицам приложения, содержащим информацию о массе типовых элементов, либо вычислены приближенно.

При приближенном вычислении веса корпуса, реальная оболочка заменяется цилиндром того же диаметра, но с плоскими крышкой и днищем, в который можно «вписать» корпус аппарата с данной высотой; толщина стенки принимается равной максимальной исполнительной толщине.

Вес корпуса:

где mk - масса (приблизительная) корпуса аппарата;

D - внутренний диаметр обечайки, м;

1,1 - коэффициент, учитывающий вес теплоизоляции;

сст - плотность стали=7850, кг/м3

Smax - исполнительная толщина стенки, м.

Вес рубашки:

Вес привода:

где mi -масса мотор редуктора (или двигателя с редуктором) со стойкой для опор вала мешалки, масса мешалки, масса муфты, масса уплотнения, масса вала мешалки, кг;

mв - масса вала мешалки,кг;

Максимальный вес среды : VНОМ=6,3 м3



где сж - плотность среды, кг/м3

Maксимальный вес аппарата:

Нахождение рабочего объёма аппарата

Vр - рабочий объем аппарата:

Vр = Vц+ Vд + Vк =4,5+0,9= 5,4 м3

Объём заполнения цилиндрической части корпуса (включая отбортовку крышки и днища):

Vц = 0,25•р•D2•(Hц - 0,5•D - 0,4r) = 0,25•3,14•1,82•(2,7 - 0,5•1,8 - 0,4•0,05) = 4,5м3

Hц = min { Hc ; H - 0,25D }

Объем заполнения днища (без отбортовки):

Vд = р•D3/(1+2,472r/D)/24 = 3,14•1,83/(1+2,472•0,05/1,8)/24 = 0,9 м3

Объем заполнения крышки (без отбортовки): Vк=0

т.к. hc=Hc - (H - 0,25D)=2,7 - (3,222 - 0,25•1,8)= -0,07<0 - высота заполнения жидкостью эллиптической части крышки (в данном случае крышка не заполняется жидкостью).

Рабочий вес среды:



Максимальный рабочий вес аппарата:

Проверочный расчет опор-стоек:

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

Условие грузоподъёмности выполняется.

где zоп, zц - число опор-лап и число цапф соответственно;

Gоп, Gц - расчетные нагрузки на одну опору и цапфу, Н;

Gдоп,Gдоп.ц - допускаемая нагрузка на опору и грузоподъемность цапфы, Н.

б) Проверка прочности бетона фундамента на сжатие :

где уф - напряжение в фундаменте под опорой, МПа;

[у]ф - допускаемое напряжение для бетона марки 200 при сжатии по ГОСТ 25192-82, Па;

Ап - площадь основания опоры (размеры a=160, мм,b=200, мм).

в)Проверка на срез прочности угловых сварных швов, соединяющих ребра опор-лап с корпусом аппарата :

где k=0,85s=0,85•873мм - катет сварных швов, мм;

lш=2zp(h - 4k)=2•2(430 - 4•7)=1328 - общая длина сварных швов, мм;

= = 0,65•138,6=90,1 МПа - допускаемое напряжение для материала швов;

s и h - высота и толщина ребра соответственно, мм;

- допускаемое напряжение для материала опоры (при температуре t=0,85tс, но не менее 20оС), МПа;

= 0,65 - коэффициент прочности швов таврового сварного соединения двусторонним угловым швом.

3.2 Расчет элементов механического перемешивающего устройства

3.2.1 Валы мешалок

Поскольку диаметры всех участков вала предварительно определяются 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 в месте крепления ступицы мешалки (рис. 6).

Вал 7 под разъемную ступицу (рис. 6) заканчивается буртом (выступом). полуступицы 8 соединяются при помощи болтов 9. Под головки болтов 9 и гаек 10 подложены специальные стопорные шайбы 11, имеющие выступающие лапки. После затяжки болтов лапки пригибаются к ступице, к головкам болтов и к гайкам, предотвращая самоотвинчивание болтовых соединений.

Рисунок 6 Крепление разъемных ступиц мешалок на валу

а) Расчет на прочность:

При работе вал мешалки испытывает, главным образом, кручение. Расчётный крутящий момент с учётом пусковых нагрузок определяется по формуле:

где Кд - коэффициент динамичности нагрузки для турбинных мешалок в аппарате с перегородками;

Nм - мощность, потребляемая мешалкой на перемешивание, Вт;

щ = р·n/30 = 3,14•200/30 = 20,933 рад/с - угловая скорость вала мешалки;

n - частота вращения вала мешалки, об/мин.

Полярный момент сопротивления сечения вала в опасном сечении:

где d1 - диаметр участка вала под ступицу определяется исходя из типа и диаметра мешалки dм=500, мм.

Прочность вала обеспечивается при выполнении условия прочности на кручение:

где [ф]кр = 0,5·[у] = 0.5•125 = 62,5, МПа - допускаемые напряжения на кручение;

фкр - максимальные напряжения в сечении вала, Па.

б) Расчет 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.

С ростом угловой скорости вала , его динамические прогибы у0 сначала растут, достигая максимального значения уmax при некотором значении, которое называется критическим. Угловая скорость вала при называется резонансной, в связи с чем графическую зависимость на рисунке 7 называют резонансной кривой.

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

Рисунок 7 Зависимость динамических прогибов вала от угловой скорости

Вертикальная линия проходящая через координату делит график на две области. Валы, работающие в области < (слева от пунктирной вертикальной линии) называются жесткими. Валы, работающие в области > (справа от пунктирной линии) называются гибкими. Жесткие валы работают надежно, то есть виброустойчиво, в заштрихованной зоне I, где их динамические прогибы не превышают допускаемых значений. Гибкие валы виброустойчивы в зоне II , где их динамические прогибы также не превышают допускаемых значений. Длительная работа вала в зоне III - зоне повышенных динамических прогибов, не допустима, так как может привести к нарушению условий жесткости в местах, где эти условия выполнять необходимо. Это в частности касается мест установки подвижного уплотнения вала, где может быть нарушено условие жесткости по прогибам ()и места установки подшипников, где могут быть нарушены условия жесткости по угловым перемещениям вала ()

Кроме того, центробежные силы при значительных динамических прогибах могут вызвать, если вал работает в зоне III, опасные изгибающие моменты в некоторых сечениях вала и привести его к поломке из-за нарушения условия прочности. Наиболее надежной следует считать работу вала в зоне I, так как после пуска вал не проходит через резонанс, однако гибкие валы работающие в зоне II, являются более экономичными по затратам материала, поскольку при прочих равных условиях имеют заметно меньший диаметр по сравнению с диаметром жесткого вала. Гибкие валы с мешалками, работающие в зарезонансной зоне (зона II) допускается пускать только в жидкости, так как она демпфирует колебания вала. Зона IV - зона неустойчивой работы вала с мешалкой в жидкости.

Сущность проверочного расчета вала на виброустойчивость заключается в определении его критической угловой скорости в воздухе, а затем в проверке условий виброустойчивости. Зависимость для определения критической скорости вида (К - жесткость, m - масса) была получена путем замены колебательной системы «вал с мешалкой на двух опорах» на простейшую колебательную систему «пружина с подвешенным на нее грузом », с приведенными жесткостью Кпр и массой mпр (рис. 8).



а) расположение вала с мешалкой в аппарате: 1 - рамная мешалка; 2 - быстроходная мешалка;

б) прогибы сечении вала под воздействием центробежных сил (Fц -центробежная сила, действующая на мешалку, Н; уД - динамический прогиб центра тяжести мешалки, м);

в) расчетная схема консольного вала;

г) приведенная расчетная схема вала.

Рисунок 8 К расчету вала на виброустойчивость

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

l1 = Н+h0+h1-hм = 3222+50+500-750 = 3022 мм

где Н - высота корпуса аппарата 1300, мм;

h0 - высота опоры для стойки привода, мм;

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

hм - расстояние от днища корпуса до середины ступицы мешалки, мм.

Полная длина вала:

l = l1 + l2 = 3022+450 = 3472 мм

где l2 - длина пролета, т.е. расстояние между подшипниками, мм.

Относительные длины консоли О1 и пролета О2:

О1 = l1/ l = 3022/3472 = 0,87

О2 = 1- О1 = 1 - 0,87 =0,13

Масса вала:

где сст - плотность стали, кг/м3;

d - диаметр вала, мм.

Коэффициент приведения массы вала q вычисляется по формуле:

По графику (рис. 9) расчет выполнен верно.



Рисунок 8 Коэффициент приведения массы вала

Осевой момент инерции поперечного сечения вала:

Приведенная жесткость вала:

Приведенная суммарная масса мешалки и вала:

mпр = m + q•mв = 14,3 + 0,215·90,39=33,73кг

где m - масса мешалки, кг.

Критическая угловая скорость вала в воздухе:



Виброустойчивость вала проверяем по условиям:

а) щ/щкр ? 0,7 - жесткий вал ;

б) 1,3?щ/щкр? 1,6 - гибкий вал.

В соответствии с получившимся результатом, вал работает в резонансной зоне, следовательно, необходимо выбрать следующее значение диаметра вала d=80мм, в связи с этим нужно изменить и габарит привода - 2, и повторить расчет на виброустойчивость:

Длина консоли вала:

l1 = Н+h0+h1-hм = 3222+60+520-750 = 3052 мм

Полная длина вала:

l = l1 + l2 = 3052+600 = 3652 мм

Относительные длины консоли О1 и пролета О2:

О1 = l1/ l = 3052/3652 = 0,8357

О2 = 1- О1 = 1 - 0,8357 =0,1643



Масса вала:

Коэффициент приведения массы вала:

По графику расчет выполнен верно.

Осевой момент инерции поперечного сечения вала:

Приведенная жесткость вала:

Приведенная суммарная масса мешалки и вала:

mпр = m + q•mв = 14,3 + 0,2075·144,03=44,186кг

Критическая угловая скорость вала в воздухе:



Виброустойчивость вала :

В соответствии с получившимся результатом выполняется условие жёсткого вала, вал будет виброустойчив.

Предельная угловая скорость для жесткого вала:

б) Определение сил, действующих на вал

Помимо кручения вал мешалки изгибается от действия неуравновешенной центробежной силы (рис. 10). Центробежная сила, вызванная несбалансированностью мешалки и вала, постоянна по величине, направлена от оси вала в сторону смещенного центра масс и условно приложена к середине ступицы мешалки.



Рисунок 10 Схема внешних и внутренних сил, действующих на вал

Суммарный эксцентриситет, т.е. смещение центра масс мешалки относительно оси вращения из-за неточности изготовления и сборки вала и мешалки:

е = ем + 0,5·д = 2,17·10-4 +0,5•13,28·10-4 = 8,81•10-4 м

где - собственный эксцентриситет мешалки;

- допустимая величина биения вала, м.

Центробежная сила:

Поперечная гидродинамическая сила, 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):

где kм - коэффициент сопротивления турбинной открытой в аппарате с перегородками мешалки;

kв = 1,1 - коэффициент, учитывающий гидродинамическое сопротивление вала;

- для конического днища;

сс - плотность рабочей среды, кг/м3;

Нс - высота жидкости в аппарате, м.

в) Расчет вала на статическую прочность:

Максимальное значение нормального напряжения в опасном сечении, т.е. в месте расположения нижнего подшипника, где изгибающий момент максимален:

Максимальное значение касательного напряжения:

- осевой момент сопротивления сечения вала;

- полярный момент сопротивления сечения вала;

d - диаметр вала, мм.

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

где - допускаемое значение материала вала при температуре не более 70оС.

г) Проверочный расчет вала на усталость:

Усталость материала - изменение состояния материала в результате длительного действия переменной нагрузки, приводящее первоначально к появлению в детали микротрещин, далее к их прогрессирующему нарастанию, а затем к внезапному разрушению после определенного срока эксплуатации.

Принимают, что в одних и тех же точках поперечного сечения вала переменные напряжения у и ф изменяются циклически во времени от максимальных значений до минимальных и обратно по закону синусоиды. Характеристиками изменения цикла напряжений (рис 11, а) являются коэффициент асимметрии цикла R, средние и амплитудные напряжения цикла. Частными случаями циклов являются симметричный цикл (рис. 11, б) и отнулевой или пульсирующий цикл (рис. 11, в).

Способность детали сопротивляться переменным нагрузкам называется сопротивлением усталости. Его оценивают по пределу выносливости при симметричном цикле нагружения на основе экспериментально полученной кривой усталости (рис. 11, г).

Рисунок 11 Циклы переменных напряжений. Кривая усталости

Цель проверочного расчета вала на усталость заключается в определении коэффициента запаса прочности S по переменным напряжениям и сравнении его с допускаемым значением [S].