Характеристика аппарата вертикального с турбинной мешалкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию РФ

Казанский государственный технологический университет

Кафедра деталей машин (теории машин и механизмов)

Аппарат вертикальный с турбинной мешалкой

Пояснительная записка

по деталям машин

Разработал

Пименова М.К

Проверил

Каратаев О.Р.

2016



Исходные данные

1. Корпус:

а) Внутренний объём: 25

б) Внутренний диаметр: 2800 мм

в) Тип: ВЭП

г) Исполнение: 2

д) Давление в аппарате: 1 МПа

е) Давление в рубашке: 0,3 МПа

2. Параметры среды:

а) Наименование: НNO3 в.р.

б) Температура: 100

в) Концентрация 10%

3. Параметры мешалки:

а) Диаметр: 560 мм

б) Частота вращения: 90 об/мин

в) Мощность на валу: 4,9 кВт

г) Тип: турбинная



1. Выбор элементов корпуса аппарата

Корпус аппарата состоит из цилиндрической обечайки, днища и крышки. Для нагревания или охлаждения обрабатываемых в аппарате продуктов аппарат снабжен приваренной рубашкой. Типы и основные размеры ёмкостных аппаратов стандартизованы. Общим критерием для выбора элементов корпуса является внутренний номинальный объем V и внутренний диаметр D, которые приведены на 3 странице пояснительной записки. Конструктивная схема прибора с рубашкой:

На основании исходных данных выбираем длину цилиндрической части: L=3595 мм. Внутренняя поверхность корпуса: Fb=46,3.

1.1 Расчет элементов корпуса

Корпуса аппаратов чаще всего работают в условиях стратегических нагрузок под внутренним избыточном давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением.



1.2 Цилиндрической обечайки

Расчет на прочность и устойчивость проводится по ГОСТ 14249-89

1.Расчет обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлением

Выбираем материал аппарата по таблице 7 [1]: сталь 08X18H10T. По таблице 8 [1] определяем [у]=130МПа и Е=2·105 МПа

Толщину стенок рассчитываем по следующей формуле:

.

,

Условие выполняется.

2. Расчет обечаек, нагруженных наружным давлением:

Толщину стенок рассчитываем по следующей формуле:

,

Проверка S=16мм.

Ю

,

Где ,

,

Условие выполняется. Принимаем толщину стенки S=16 мм.

1.3 Днища и крышки

Расчёт толщины эллиптического днища нагруженного наружным давлением.

,

Пусть S=14мм.

Проверим полученную толщину:

,

,

,

Условие выполняется. Принимаем толщину стенки S=14 мм.

Расчёт толщины отъемной крышки нагруженной внутренним давлением.

Отъёмные крышки присоединяются к корпусу аппарата с помощью фланцев.

При расчете плоской крышки определяют толщину в средней части крышки s1 и в месте уплотнения s2



Толщинy плоской крышки в средней части рассчитывают по формуле

,

где K=0,5. Расчетный диаметр DR равен среднему диаметру прокладки Dсп,

Толщина крышки в месте установки прокладки s2 = 0.8 * s1 . Наружный диаметр крышки Dкр равен диаметру фланца DФ .

S2=0,8*68=54,4

Dkp=3000 мм

Толщину стенок рассчитываем по следующей формуле:

Толщина отъемной крышки S=68 мм

1.4 Расчёт элементов рубашки

Рассчитаем толщину стенки рубашки:



,

Рассчитаем толщину стенки элептической части рубашки:

,

Толщина рубашки S=6мм.

1.5 Расчет фланцевых соединений и штуцеров

Фланцевые соединения применяют для разъёмного соединения составных частей корпусов, крышек. На фланцах присоединяют к аппаратам трубы, арматуру. Соединение состоит из двух фланцев, болтов (шпилек), гаек, шайб и прокладки, которую размещают между уплотнительными поверхностями.

Фланцевые соединения стандартизованы для труб и трубной арматуры и отдельно для аппаратов. В моём варианте используется фланец плоский приварной с гладкой уплотнительной поверхностью. Размеры фланца по табл. 11 [1]:

Dф=3000мм	S=20мм
Dб=2945 мм	d=30мм
D1=2895мм	dБ=M27
h=120мм	z=108



Для уплотнений во фланцах применяют прокладки различной конструкции. Для плоских приварных фланцев используется плоская неметаллическая прокладка. Так как давление в аппарате-1МПа, исходя из реакционной среды, выбирается прокладка, изготовленная из асбестового картона. При внутреннем диаметре аппарата D=2800 мм, условном давлении Py=1 МПа, прокладка будет иметь диаметр Dn=2893 и dn=2951мм.

Проверочный расчёт болтов в соответствии с ОСТ 26-373-82:

1. Нагрузка, действующая на фланцевое соединение от внутреннего давления :

,

,

2. Реакция прокладки:

,

,

,

3. Болтовая нагрузка при сборке:

,

,

,

4. Прочность болтов при монтаже:



,

5. Прочность болтов в период эксплуатации:

,

Число болтов удовлетворяет условию прочности. Z=108

1.6 Устройство для подсоединения трубопроводов

Присоединение трубопроводов для подвода и отвода различных жидкостей и газов, а так же измерительных приборов и предохранительных устройств к аппарату производят с помощью штуцеров. Стальные фланцевые штуцера стандартизованы и представляют собой патрубки, выполненные из труб с приваренными к ним фланцами. Штуцера с плоскими приваренными фланцами имеют гладкую уплотнительную поверхность (соединительный выступ). Для входа и выхода теплоносителя на рубашке устанавливают два штуцера.

Диаметры условных проходов штуцеров, мм

А=250	Ж=50	М=80
Б=200	И=200	Д2=1800
В=200	К,К1=80	R1=850
Г=200	Л=200	R2=850 L1=450
Е=500



1.7 Опоры аппарата

Химические аппараты устанавливаются на фундаменты или специальные несущие конструкции с помощью опор. В моём варианте я выбрал в качестве опор - 3-ый тип (стоики).

Стоики применяют при установки аппаратов на фундамент .Стоики размещают на днище аппарата.

Рассчитаем нагрузку на одну опору:

1. Зададимся количеством опор: 3 стоики.2 лапы

2. Определим вес металла, из которого изготовлен аппарат:

,

3. Определим вес металлоконструкций, установленных на крышке аппарата:

.

4. Определим вес воды, заполняющей аппарат при гидравлических испытаниях:



,

Определим максимальную нагрузку на одну опору:

,

Из табл. 26 [1] я выбираю такие опоры, у которых . Данному условию соответствуют стоики, с.

,



2. Выбор комплектующих элементов привода

Привод состоит из мотор-редуктора, муфты, соединяющей выходной вал мотор-редуктора с валом мешалки. Мотор-редуктор устанавливается на стойке, которая крепится к опоре (бобышке) привариваемой к крышке аппарата. В бобышке установлено уплотнение, предназначенное для герметизации аппарата в месте прохождения вала мешалки через крышку.

2.1 Выбор типа мотор-редуктора

Мотор-редуктор - это агрегат, в котором конструктивно объединены электродвигатель и редуктор. По исходным данным (мощность на валу и частота вращения мешалки) по таблице 27 [1] определяем типоразмер мотор-редуктора по условию Р> Рдв. n=nM=120 об/мин. По исходным данным подходит мотор-редуктор типа ВОМ-III. Определяем мощность электродвигателя Рдв по условию:

,

где РМ - мощность на валу мешалки, а цифры в знаменателе - это КПД подшипников, в которых установлен вал, КПД редуктора, КПД, учитывающий потери мощности в уплотнении, КПД, учитывающий потери в муфте, соответственно.

Технические данные редуктора ВОМ-III:

Число оборотов n= 120

Мощность Р = 7 кВт

Передаточное число u = 8,25

Типоразмер комплектующих электродвигателя = 4А132В6.

Основные размеры редуктора ВОМ-III:



D=320мм	D1=275мм	D2=360мм	d1=50мм
D3=490	D4=165	L1=100мм	L2=235мм
DДВ=350	LДВ=667	d2=M12	L=1200
S=5	h1=36

2.2 Выбор типа муфты

Для соединения вала мешалки с валом мотор-редуктора я использую продольно-разъемную муфту. С её помощью можно соединять валы одинакового диаметра. Тип муфты определяется конструктивной схемой опорного узла вала. Размеры подбирают по диаметру вала мотор - редуктора d и расчётному моменту ТР следующим образом:

1. Определим угловую скорость вращения вала:

,

2. Определим вращающий момент на валу:

,

3. Определим величину расчётного момента:

,

По таблице выбираем размеры соответствующей муфты МУВП-50:

d=50 d1=130мм	H=170 H1=70		d4=110 d5=95
d2=42 d3=48	H2=24 H3=24		dб=M10 T=630Нм



2.3 Выбор стойки и опоры

Стойка имеет вид усечённого конуса, выполняемого из чугуна, с тремя опорными поверхностями:

На верхней опорной поверхности монтируют мотор-редуктор, для чего в этой поверхности предусмотрены сквозные отверстия. Средняя поверхность служит для установки подшипникового узла, нижняя опорная поверхность предназначена для соединения стойки с опорой (бобышкой). Опора представляет собой бобышку с центральным отверстием размером d для вала и двумя рядами периферийных отверстий с резьбой для крепления стойки и уплотнений.

Для установки опоры на эллиптической крышке путём сварки предусмотрено кольцо. Высота стойки H принимается конструктивно, поэтому в таблице указана минимальная высота. Размеры стойки:

Do=670мм	D1=500мм	Dд1=610мм	D2=275мм
D3=440мм	D=320мм	S=12мм	H=650мм
h=24мм	h1=28мм	В=360

Размеры опоры под стойку:



d=50мм	D=670мм	D1=500мм	В=360
D2=148мм	Dд1=610мм	Dд2=170мм	h1=40мм
h=22мм	d1=70мм

2.4 Выбор типа уплотнения

В моём варианте давление в аппарате 1 МПа, следовательно, используем торцевое уплотнение.

Параметры и размеры торцевого уплотнения:

Тип уплотнения: УТ 5016

d=50мм D1=170мм Н=240мм h=46мм

D=205мм D2=148мм Масса 10,4кг

Размеры турбинной мешалки, мм

dм=560	d3=100	S=8	MM=21кг.
d1=60	h=130	b=112



3. Проектирование и расчёт перемешивающего устройства

Перемешивающее устройство состоит из вала, размещённого в подшипниках, торцевого уплотнения и мешалки. В моём аппарате применяется консольный вал. Опорой консольного вала служат два подшипника качения. Они расположены в подшипниковом узле, установленном в стойке. штуцер трубопровод редуктор подшипниковый

3.1 Проектный расчёт вала

Расчёт выполняется по напряжениям кручения. Целью расчёта является определение наименьшего диаметра вала. Исходными данными являются мощность на валу кВт и частота вращения мешалки мин-1.

Определим угловую скорость вращения вала:

,

Определим вращающий момент на валу:

.

Определим наименьший диаметр вала:

,

Конструирование вала и подшипникового узла

Конструкция вала определяется деталями, которые на нём крепятся, конструктивным оформлением подшипниковых узлов и способом соединения вала перемешивающего устройства с валом мотор-редуктора.

Подшипниковый узел состоит из корпуса, внутри которого установлены два радиальных подшипника качения. Для фиксации вала в осевом направлении предусмотрена круглая шлицевая гайка, которая предохраняется от развинчивания стопорной многолапчатой шайбой. Корпус закрыт крышками, в сквозных отверстиях которых установлены манжетные уплотнения.

Конструкция вала:

1. Верхний конец вала соединен с валом мотор-редуктора стандартной муфтой. Его диаметр d1 будет равным . Длина этого участка длина вала равна 75 мм и уточняется по размерам муфты.

2. Диаметр вала под уплотнение крышки подшипникового узла возьмем равным . Длина этого участка вала с учётом размеров верхней крышки мм, где b - это ширина манжеты (b=10мм), s - толщина крышки в месте установки манжеты(s=5мм). мм. Dупл=80мм.

3. Диаметр участка с резьбой под шлицевую гайку . Длина данного участка мм, где S - толщина шайбы (S=1,6мм, Н=12мм), .

4. Следующий участок вала предназначен для посадки подшипника. Его диаметр нужно согласовать с диаметром отверстия внутреннего кольца подшипника. Для подшипника 36215 мм. Длина этого участка вала мм, B - ширина подшипника,

5. На следующий участок вала надевается распорная втулка. Ее диаметр принимают примерно равным . .

6. Для упора нижнего подшипника диаметр вала увеличивают, принимая его значение . Длина этого участка вала определяется с учётом размеров нижней крышки подшипникового узла мм, где b - ширина манжеты, а s - толщина крышки (b=18мм, s=10мм). . Dупл=90мм.

7. Диаметр следующего участок вала принимают равным . Его необходимо согласовать с отверстием в торцевом уплотнении: .

8. Посадочный участок вала с диаметром принимают равным диаметру ступицы мешалки. .

3.2 Конструирование корпуса и крышек подшипникового узла

После определения геометрических размеров ступеней вала определим размеры деталей, входящих в подшипниковый узел.

Толщину стенки корпуса примем равной 10мм. Диаметр , .

Наружный диаметр крышки . Диаметр центров отверстий под винты: . Толщина крышки в месте установки винтов мм. Толщина крышки в месте установки манжеты мм. К корпусу приварен фланец толщиной мм с отверстиями мм.

3.3 Проверочный расчёт вала

Основными критериями работоспособности валов перемешивающих устройств является виброустойчивость и прочность. Прежде, чем приступить к расчёту вала, необходимо выбрать расчётную схему и определить длину расчётных участков вала. Подвижное соединение валов продольно-разъемной муфтой. Опорой являются два радиальных подшипника качения. Такому решению соответствует расчётная схема №3. l1 - расстояние от середины подшипника качения до середины ступицы мешалки. l1?2860мм. l2 - расстояние между серединами подшипников качения. l2?285мм. L= l1+l2=3145мм.

3.4 Расчёт на виброустойчивость

1. Определяем массу единицы длины вала:

, где =7,85·103 кг/м3

- плотность материала вала в месте уплотнительного устройства (d=65мм).

,

2. Вычисляем момент инерции поперечного сечения вала:

,

3. Определяем значения коэффициентов: , где Мм - масса мешалки (21кг);

,

,

4. В соответствии с выбранной расчётной схемой определяем коэффициент б =1,7.

5. Определяем критическую скорость вала:



, с-1,

где Е - модуль продольной упругости вала (Е=2*1011)

,

Проверяем выполненные условия: . Условие выполняется.

3.5 Расчет на прочность

Вычисляем приведённую центробежную силу Fц, создающую изгибающий момент: , где Mnp - приведённая масса мешалки(кг), r - радиус вращения центра тяжести приведённой массы(м).

1. Определяем эксцентриситет центра массы перемешивающего устройства: dM - диаметр мешалки, м. dM=0,56м

,

2. Определяем значение приведённой массы мешалки и вала: , где q - коэффициент приведения распределённой массы вала к сосредоточенной массе мешалки.

,

,

3. Определяем радиус вращения центров тяжести:



,

4. Определяем центробежную силу:

,

5. Определяем радиальные реакции в опорах:

,

,

6. Построим эпюры изгибающих и крутящих моментов в опасном сечении вала:

I участок 0 ? z1 ? 0,285 м

Qy(z1)=-RA=-2067,22Н;

Мx(z1)=- RA z1; М(0)= 0; М(0,285)=-1146 H•м

II участок 0 м ? z2 ? 2,86 м

Qy(z2)=Fц=206 Н

Мx(z2)=-Fц z2;

M(0)=0

M(2,86)= -1146 H•м

7. Определяем напряжение изгиба уи и кручение ф в опасном сечении:

,

,

Ми=1146 Н*м

,

,

8. Рассчитываем эквивалентное напряжение и проверяем выполнение условия:

,

,

где у-1 = 0,5 * ув = 0,5 * 500 МПа = 250 МПа

Ку=1,2- коэффициент концентрации напряжения

Smin=2 - минимальный запас прочности вала

,

,

. Условие выполняется.

3.6 Проверочный расчет шпонок

Проверяем шпонки в месте посадки полумуфты и в месте посадки мешалки. Условия прочности:

,

где d - диаметр вала в месте установки шпонки; lp=(l - b) - рабочая длина шпонки со скруглёнными торцами; [уcм]=150н/мм2

Проверка шпонки на прочность в месте посадки полумуфты:

,

,

Проверка шпонки на прочность в месте посадки мешалки:

,

Все шпонки удовлетворяют проверочному расчёту.

3.7 Проверка пригодности подшипников

Рассчитываем динамическую грузоподъемность:

,

где срок службы узла Lh=10*103ч20*103 часов, n - число оборотов вала, PE - эквивалентная динамическая нагрузка, m=3 (для шарикоподшипников).

3.8 Определяем осевые нагрузки

Внешняя осевая сила:

,

где P - давление в аппарате, G - вес вала и мешалки, dрас=d6+5 мм - расчётный диаметр вала в месте уплотнения, установленного на крышке аппарата. Р=1 МПа, dрас=70мм.

Н

,

3.9 Подбор подшипников по динамической грузоподъемности

1. Динамическая грузоподъёмность подшипника 36215 С=80,2кН, статическая грузоподъёмность С0=54,8кH (табл. 49 [1])

2. По отношению FА/C0=178,3/54800=0,003. Округляем до ближайшего значения 0,014 и выписываем значение коэффициента осевого нагружения е=0,3 по табл. 50 [1]

3. Сравниваем отношения FА/(VFr) c коэффициентом е, где V=1 - коэффициент вращения.

Так как (Fа/VFr)=178,3/1·4420,7=0,04 e=0,30, поэтому х1=1 и у1=0;

Вычисляем эквивалентные динамические нагрузки:

,

где кд=1,1 ч 1,5; кт=1 (при 40оС)

4. Рассчитаем динамическую грузоподъёмность:

,

условие выполняется, подшипник пригоден.

,

,

1. Построим эпюры изгибающих и крутящих моментов в опасном сечении вала:

I участок 0 ? z1 ? 0,285 м

Qy(z1)=-RA=-2067,22Н;

Мx(z1)=- RA z1; М(0)= 0; М(0,285)=-1146 H•м

II участок 0 м ? z2 ? 2,86 м

Qy(z2)=Fц=206 Н

Мx(z2)=-Fц z2;

M(0)=0

M(2,86)= -1146 H•м

1. Определяем напряжение изгиба уи и кручение ф в опасном сечении:

,

,

Ми=1146 Н*м

,



Список использованной литературы

1) Островская Э.Н. Расчет и конструирование химических аппаратов с мешалками: учебное пособие/Э.Н.Островская, Т.В. Полякова. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2006. - 120с

2) Задания и требования, предъявляемые к курсовому проекту по прикладной механике: метод. Указ./Казан. гос. технол. ун-т; Сост.: Ю.Л.Шкляр, Э.Н.Островская. Казань, 1999. - 20с.

3) Проектирование химических аппаратов с мешалками: учеб. пособие/А.А.Александровский, Ю.Л.Шкляр, В.С.Чураков и др. КХТИ. Казань, 1989. - 60с.

4) Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств/М.Ф.Михалев и др. Л.: Машиностроение, 1984. - 301с.

5) Детали аппаратов химических производств: учеб. пособие/А.Александровский, Ю.Л.Шкляр. КХТИ. Казань, 1990. - 60с.

Размещено на Allbest.ru