3. Выбор и расчёт перемешивающего устройства.

1. Типы и характеристики мешалок.

Типы мешалок регламентированы ОСТ 26=12483. Наибольшее распространение в химико-фармацевтической промышленности получили трёхлопастная мешалка – тип 1, лопастная мешалка – тип 3, Открытая турбинная мешалка – тип 6 и рамная мешалка – тип 9.

В данном проекте используется рамная мешалка – тип 9. Её размеры представлены в таблице [2, табл. П7.4, стр.5649].

Размеры рамных мешалок тип 3.

Dм	d1	hс	вл	Sл	Масса, кг
450	32	50	45	6	1.83

С помощью ступицы мешалка крепится к валу привода. При этом, расстояние h_M мешалки от конического днища корпуса аппарата рекомендуется принимать:

h_M 0,3· d_M = 135,00 (мм). [1, стр.37]

Размеры ступицы мешалки приведены в таблице 3.1.2.

Размеры ступицы мешалки, мм. [2, табл.П7.5, стр.60].

d1	hC	d1 + t1	b1	d3	d4	d5	d6	dT	SK
32,00	50,00	35,80	10,00	60	М24х1,5	-	-	-	-

2. Выбор типоразмера привода к мешалке.

Частота вращения, n_М = 85 ( об/мин );

Мощность перемешивания, N_М = 0,6 (КВт).

Привод мешалки включает в себя мотор-редуктор, стойку, муфту, вал и уплотнение места его ввода в крышку аппарата. Характеризуется мотор-редуктор мощностью электродвигателя и числом оборотов выходного вала редуктора. При выборе конкретного типа мотор-редуктора руководствуются следующими параметрами: N_М – мощность перемешивания и n_М – частота вращения мешалки. При этом, стандартную частоту вращения принимают ближайшую по отношению к заданной, N_д – мощность двигателя, принимают только ближайшую к N_М.

Т.о. конструктивно выбираем фланцевый двухступенчатый мотор-редуктор: МЦ2 СФ-50 [3, с.22-25]. Технические характеристики выбранного мотор-редуктора:

- Межосевое расстояние a = 50 мм;

- Мощность двигателя N = 1,5 кВт;

Мотор-редуктор устанавливается на крышке аппарата при помощи стойки. В настоящее время, промышленностью для стальных аппаратов, в зависимости от рабочего объёма, выпускается два типа стоек, в соответствии с ОСТ 26-01-109-94. Первый тип предназначен для аппаратов, объёмом от 1 до 50 м³, а второй тип – для аппаратов, объёмом от 0,25 до 2м³. Для данного аппарата выбрана стойка типа 1 в исполнении 4 [2, табл.П8.2, стр.64].

Данная стойка комплектуется торцовым уплотнением Т3. Торцовые уплотнения применяются при давлении в аппарате до 3,2 МПа, температуре среды от -30 до +350 °С и частоте вращения вала до 3000 об/мин. Среда в зоне уплотнения может быть любой. В этом уплотнении пара трения обеспечивает герметизацию среды в аппарате, осуществляемую на трущемся торцовом контакте вращающегося и неподвижного колец. Упругий элемент обеспечивает:

- герметизацию пары трения на валу;

- следящий (независимо от положения вала и крышки аппарата) контакт

колец пары трения;

- компенсацию перекоса и износа колец пары трения за счёт осевой

упругой подвижности.

Каждый тип стоек имеет ряд габаритов, определяемых мощностью установленного мотор-редуктора. С возрастанием габарита увеличивается диаметр вала мешалки, который верхней своей частью устанавливается в подшипники стойки и при помощи муфты соединяются с выходным валом мотор-редуктора. Каждый габарит стойки комплектуется своей парой подшипников качения и, следовательно, имеет определённый диаметр вала.

Предварительный диаметр вала d_В мешалки рассчитывается по пониженным допускаемым напряжениям на кручение [T]:

d_В ≥ , [1, ф.8, стр.46]

где [τ] = 40 (МПа) – допускаемое напряжение;

Т_КР – расчётный крутящий момент, МН · м.

Расчётный крутящий момент учитывает пусковые нагрузки и находится из выражения:

Т_КР = К_д · N_M / ω, [1, стр.46]

где К_д – коэффициент динамической нагрузки, зависящий от конструкции

мешалки; Кд = 2 [1, стр.46]

N_M – мощность перемешивания, Вт; N_M = 0,6 · 10³ (Вт)

ω – угловая скорость вала мешалки, рад/с:

ω = 2π · n_M / 60,

где n_М = 85 ( об/мин ) – частота вращения вала мешалки;

ω = 2 · 3,14 · 85 / 60 = 8,89 (рад/с);

Т_КР = 2 · 0,6 · 10³ / 8,89 = 0,37 · 10³ (Н · м);

d= = = 0,0068 (м) = 6,8 (мм):

Принимаем d_В = 30 (мм).

Выбираем стойку с габаритом 02 [2, табл.П8.3, стр.65]

Таблица 3.2.1.

Размеры стойки

dВ, мм	d1, мм	α	n	D, мм	D1, мм	D2, мм	НС, мм	h, мм	h1, мм	L, мм	l, мм	l1, мм
65	23	72°	8	500	540	430	985	595	425	350	420	280

После выбора всех комплектующих частей привода проверяется выполнение условия:

N_д ≥ N_п, [1, ф.9, стр.47]

где N_n – мощность, потребляемая двигателем мотор-редуктора на

перемешивание.

Потребляемая двигателем мощность Nn больше заданной на величину потерь в уплотнении, подшипниках стойки, планетарном редукторе и может быть рассчитана с условием КПД в этих устройствах.

N_n = N_М / η₁ · η₂ · η₃, [1, стр.47]

где η₁ – КПД планетарного редуктора;

η₂ – КПД подшипников качения, в которых установлен вал мешалки;

η₃ – КПД, учитывающий потери мощности в уплотнении.

Таблица 3.2.2.

Приближённые значения КПД. [1, стр.47]

Наименование частей привода	КПД
Редуктор планетарный двухступенчатый	0,85
Подшипник качения	0,99
Уплотнение торцовое	0,98

N_n = 0.6 · 10³ / (0,85 · 0,99 ²· 0,98) = 453 (Вт) = 0,45 (КВт)

1,5 > 0,45;

N_д ≥ N_п, условие выполняется.

3. Расчёт вала мешалки.

Расчёт вала начинается с разработки его расчётной схемы, отражающей наиболее важные факторы и исключающей несущественные особенности. В аппарате с мешалкой, расчётная схема вала может быть представлена в виде вертикального консольного стержня на двух опорах (подшипники в стойке).

– длина вала между верхним подшипником и ступицей мешалки, м;

– длина консольной части вала, м;

l₂ = H – h_M + l₁ = 1300 – 950 + 280 = 630 (мм)

L₂ = l₂ + l = 630 + 420 = 1050 (мм)

Для раннее выбранного вала определённой длины · и диаметра · при известных размерах ступицы мешалки производится проверочный расчёт по критериям усталостной прочности и виброустойчивости.

1. Проверочный расчёт вала мешалки по критерию усталостной прочности.

Расчёт ведётся по следующей формуле:

n = ≥ [n], [1, ф.10, стр.49]

где n_σ и n_τ – коэффициенты запаса прочности при изгибе и кручении

соответственно;

[n] = 1,3…1,5 – требуемый коэффициент запаса прочности.

Принимаем [n] = 1,5

Поскольку валы мешалок испытывают, в основном, касательные напряжения от кручения, то формулу расчёта по критерию усталостной прочности можно представить в виде:

n_τ ≥ [n].

Выражение для расчёта коэффициента запаса · имеет вид:

n_τ = τ_-1 / (K_τ · τ_a / K_d + ψ_τ · τ_m), [1, стр.50]

где τ_-1 – предел выносливости при кручении при симметричном цикле

напряжений, МПа;

τ_a и τ_m – соответственно амплитуда и среднее значение напряжений

циклов, МПа;

K_τ – эффективный коэффициент концентраций напряжений;

K_d – коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения

вала;

ψ_τ – коэффициент чувствительности к асимметрии цикла.

Величину предела выносливости определяют по формуле:

τ_-1 = 0,25 σ_в [1, стр.50]

где σ_в – предел прочности материала вала при температуре среды , МПа;

Наиболее часто в химико-фармацевтической промышленности используются легированные стали. Вал изготавливается из стали – 12ХН3А.

[σ] = [σ]₁ +

[σ]₂ = 525 (МПа); [σ]₁ = 530 (МПа);

t₂ = 200 °C; t₁ = 100 °C; t=124 °C;

[σ] = = 528.8 МПа; [2, табл.П2.7]

τ_-1 = 0,25 · 528.8 = 132.2 (МПа)

При постоянной скорости вращения вала или редком реверсировании принимают:

τ_а = τ_m = 0,5τ_К = Т_КР / 2W_{Р НЕТТО}, [1, стр.50]

где Т_КР – расчётный крутящий момент, МН · м;

Т_КР = 1.6· 10³ (Н · м);

W_{Р НЕТТО} – полярный момент сопротивления сечения вала по шпоночной

канавке в месте крепления ступицы мешалки, м³;

τ_К – касательные напряжения при кручении, МПа;

Величина W_{Р НЕТТО} учитывает уменьшение сечения вала за счёт шпоночной канавки и рассчитывается по формуле:

W_{Р НЕТТО} = , [1, стр.50]

где d₁ – диаметр вала в месте крепления ступицы мешалки, м;

d₁ = 0,045 (м)

b_Ш и t_Ш – ширина и глубина шпоночного паза на валу, м;

b_Ш = 0,014 (м); t_Ш = 0,0055 (м); [4, стр.426]

W_{Р НЕТТО} = =

= 1,79 · 10^-5 – 0,13 · 10^-5= 1,66 · 10^-5 (м);

τ_а = τ_m = 1.6 · 10³ / 2·1,66 · 10^-5 = 48.2 (МПа);

Т.к. σ_в < 700 МПа, то эффективный коэффициент концентраций напряжений К_τ = 1,4 [1, стр.51].

K_d = K_d1 +

K_d2 = 0,7; K_d1 = 0,73;

d₂ = 50 (мм); d₁ = 40 (мм); d = 45 (мм);

K_d = = 0.715; [1, табл.6, стр.51]

Т.к. σ_в < 750 (МПа), то ψ_τ = 0. [1, табл.7, стр.52]

n_τ = 132.2 / (1,4 · 48.2 / 0,715) = 2.74

2.74 >1,5;

n_τ >[n], условие прочности выполняется, следовательно, вал удовлетворяет критериям усталостной прочности.

2. Проверочный расчёт вала мешалки на виброустойчивость.

В процессе изготовления вала мешалки, а также при их сборке невозможно добиться полного совпадения их центра масс с осью вращения. Это приводить к тому, что при вращении вала возникают центробежные силы, вызывающие его прогиб. Величина прогиба вала в зависимости от угловой скорости вращения описывается частотным уравнением. На некоторых частотах вращения прогиб резко возрастает, работа аппарата сопровождается большими вибрациям, которые в итоге могут привести к аварии. Такие частоты вращения называются критическими. Поэтому для быстроходных валов обязательна проверка на виброустойчивость по условию:

ω ≤ 0,7ω₁ ; [1, ф.11, стр.52]

где ω₁ – первая критическая угловая скорость вала, рад/с;

Расчёт первой критической скорости вала, соответствующей резонансу при изгибных колебаниях, выполняется следующим образом. На основании расчётной схемы определяется относительная координата центра тяжести вала ( ) и относительная масса мешалки ( ) из выражений:

; ; [1, ф.11, стр.52]

где L₂ – длина вала между верхним подшипником и ступицей мешалки, м;

L₂ = 1050 (мм) = 1.05 (м)

l₂ – длина консольной части вала, м;

l₂ = 630 (мм) = 0.63 (м);

m – масса мешалки, кг;

m = 22,00 (кг)

m_В – линейная масса вала, кг/м, находится по формуле:

m_В = 0,785d_В² · ρ_С ;

ρ_С – плотность материала вала, кг/м³; ρ_С = 7,85 · 10³ (кг/м³);

m_В = 0,785 · 0,065² · 7,85 · 10³ = 26.04 (кг/м);

= 0,6;

= 0,8;

Из графика [1, рис.17, стр.53] определяется корень α₁ = f ( ) частотного уравнения и рассчитывается первая критическая скорость.

α₁ = 1,75;

ω₁ = , [1, стр. 53]

где Е – модуль упругости материала вала, МПа;

Е·10^-5 = Е₁ + ;

Е₁· 10^-5 = 2,15 (МПа); Е₂· 10^-5 = 2.05 (МПа); [2, табл.П2.3, стр.24]

t₁ = 100 °C; t₂ = 150 °C; t = 124 °C

Е·10^-5 = 2,15 + = 2,1(МПа) ;

Е = 2,01 · 10⁵ (МПа)= 2,1 · 10¹¹(Па);

I – момент инерции сечения вала, м⁴;

I = [1, стр.53]

I = 3,14 · 0,065⁴ / 64 = 8.76 · 10^-7 (м⁴);

ω₁ = = 233,47 (рад/с);

0,7ω₁ =0,7 · 233,47 = 163,43 (рад/с);

5.76 < 163,43 (рад/с)

ω ≤ 0,7ω₁ , условие выполняется.

Таким образом, подобранный вал с d = 65 мм является виброустойчивым.

3. Список литературы

1. Алфёрова Л.И., Беспалов О.И., Иванов Г.А., Шебатин В.Г., Шишкин А.В. Аппараты с механическим перемешивающим устройством. Методические указания к выполнению курсового проектирования по курсу «Прикладная механика» // Ленинград, 1987г.

2. Алфёрова Л.И., Беспалов О.И., Иванов Г.А., Шебатин В.Г., Шишкин А.В. Приложения к методическим указаниям к выполнению курсового проекта по курсы «Прикладная механика» // Ленинград, 1987г.

3. РТМ 26-01-72-82. Валы вертикальные аппаратов с перемешивающими устройствами. Методы расчета.

4. Г.Н. Попова, С.Ю. Алексеев «Машиностроительное черчение» // С-Пб Политехника, 1999г.

5. Воробьева Г.Я. Коррозийная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. М. Химия,1975г.

6. Гузенков П.Г. Детали машин. М. Высшая школа.1982г.

7. Чернин И.М., Кузьмин А.В., Ицкович Г.М.. Расчеты деталей машин. Минск, Высшая школа, 1978.

8. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Под редакцией М.Ф. Михалева, Л. Машиностроение,1984г.

9. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. М. Металлургия.1974г.

10. Правила технической эксплуатации теплоиспользующих установок и тепловых сетей и правила техники безопасности при эксплуатации теплоиспользующих установок и тепловых сетей. М.1973г.

11. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Детали машин. Курсовое проектирование. М. Высшая школа.1984г.

12. ОСТ 26101-109-…Стойки вертикальные приводов аппаратов с перемешивающими устройствами.

13. ОСТ 26-01-1245-83. Мешалки. Типы, параметры, основные размеры, конструкции.

14. РТМ 26-01-91-76. Уплотнения валов контактные для аппаратов с перемешивающими устройствами.

15. ГОСТ 14249-80. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

33