спхфу Метода Расчет и проект аппаратов с мешалкой Иванов, Алферова 2016
.pdf
При вращении вала 1 крутящий момент передается уплотнительному элементу 3, пружине 4, обжимному кольцу 5 и кольцу 6 пары трения. Под действием пружины 4 вращающееся кольцо 6 прижимается к невращающемуся кольцу 7, герметизируя плоскости их контакта.
Анализ научно-технической и патентной литературы показывает, что не существует оптимальной конструкции торцевого уплотнения. Выбор конструкции зависит от условий его работы (давления, температуры, скорости вращения вала и т.д.), а также экономических требований (ресурса работы, использования дешевых стандартных уплотнений и т.д.).
Торцевые уплотнения, специализированные для аппаратов с механическими перемешивающими устройствами показаны в [7].
3.3.Расчет вала мешалки
3.3.1.Предварительный расчет вала
Предварительно диаметр вала dв мешалки рассчитывается по пониженным допускаемым напряжениям на кручение [τ], исходя из условий статической прочности:
d |
|
|
[ |
] |
|
в |
= (T= /=0,/2[ττ]ll)),, |
(8) |
|||
|
|
3 |
|
|
|
где [τ] – допускаемое напряжение, равное 40 МПа; Ткр – расчетный крутящий момент, МН·м.
Расчетный крутящий момент Ткр учитывает пусковые нагрузки и находится из выражения:
Ткр = Кдd Nм /ω,
где Кд – коэффициент динамической нагрузки; ω – угловая скорость вала мешалки, рад/с; Nм – мощность перемешивания, Вт.
Коэффициент Кд зависит от конструкции мешалки (для быстроходных мешалок типа турбинной и трехлопастной Кд = 1,5; для тихоходных мешалок типа рамной и лопастной Кд = 2).
Полученное из расчета по формуле (8) значение диаметра вала округляется до ближайшего большего значения dв.
После выбора всех комплектующих частей привода проверяется выполнение условия:
Nд ≥ Nn, |
(9) |
где Nn – мощность, потребляемая двигателем мотор-редуктора на перемешивание.
Потребляемая двигателем мощность Nn больше заданной на величину потерь в уплотнении, подшипниках стойки, планетарном редукторе и мо-
41
жет быть рассчитана с учетом коэффициента полезного действия (КПД) в этих устройствах:
N |
п |
= N |
м |
/η ηn |
η , |
||
|
|
|
1 2 |
3 |
|
||
где η1 –КПДпланетарногоредуктора;η2 |
–КПДподшипниковкачения, |
||||||
вкоторыхустановленвалмешалки;η3 |
–КПД,учитывающийпотеримощ- |
||||||
ности в уплотнении; n – количество подшипников. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5 |
Приближенные значения КПД |
|||||||
Наименование частей привода |
|
|
|
КПД |
|||
|
|
|
|||||
Редуктор планетарный одноступенчатый |
|
0,93 |
|||||
Редуктор планетарный двухступенчатый |
|
|
0,85 |
||||
Подшипник качения |
|
|
|
|
|
|
0,99 |
Уплотнение сальниковое |
|
|
|
|
|
|
0,96 – 0,98 |
Уплотнение торцовое |
|
|
|
|
|
|
0,98 – 0,99 |
|
|
|
|
|
|
|
|
В случае несоблюдения условия (9) необходимо взять более мощный мотор-редуктор при заданной частоте вращения вала мешалки. Полученныеданныеогабаритахиприсоединительныхразмерахстойки,диаметре вала приводятся в пояснительной записке. Для дальнейших расчетов вала необходимо определить длину L2 между верхним подшипником стойки и ступицей мешалки, а также длину l2 консольной части. С этой целью выполняется эскиз компоновки аппарата, то есть изображается корпус аппарата с установленным на нем приводом, валом и мешалкой (рис. 16).
42
l2 = H – hM + l1; |
L2 = l2 + l |
Рис. 16. Схема компоновки аппарата.
3.3.2. Расчет вала мешалки на усталостную прочность
Расчет вала начинается с разработки его расчетной схемы, отражающей наиболее важные факторы и исключающей несущественные особенности. В аппарате с мешалкой расчетная схема вала может быть представлена в виде вертикального консольного стержня на двух опорах (подшипники в стойке), изображенного на рис. 17, а.
43
а) |
б) |
Рис. 17. Расчетная схема вала перемешивающего устройства (а) и траектория движения (б) при критической скорости вращения.
Для ранее выбранного вала определенной длины L2 и диаметра d1 при известныхразмерахступицымешалкипроизводитсяпроверочныйрасчет по критериям усталостной прочности [4] и виброустойчивости. В первом случае расчет ведется по формуле:
n = (1/nσ |
2 +1/nτ |
2 )−0,5 ≥[n], |
(10) |
где nσ и nτ – коэффициенты запаса прочности при изгибе и кручении соответственно; [n]= 1,3...1,5–требуемый коэффициент запаса прочности.
Поскольку валы мешалок испытывают, в основном, касательные напряженияоткручения,тоформулу(10)можнопредставитьввиде:nτ ≥ [n] Выражение для расчета коэффициента запаса nτ имеет вид [4]:
nτ =τ−1 /(Kττa /Kd +ψττm ) ,
где τ-1 – предел выносливости при кручении при симметричном цикле напряжений, МПа; τа, τm – соответственно амплитуда и среднее значение напряжений циклов, МПа; Кτ – эффективный коэффициент концентрации напряжений; Кd – коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения вала; ψτ – коэффициент чувствительности к асимметрии цикла.
Величину предела выносливости определяют по формуле: τ-1 = 0,25σв,
44
где σв – предел прочности материала вала при температуре среды, МПа (табл. 13 «Методических указаний и заданий»).
При постоянной скорости вращения вала или редком реверсировании (изменении направления вращения) принимают:
τa = τm = 0,5τк =Ткр /Wр нетто ,
где Ткр – расчетный крутящий момент, МН·м; Wр нетто – полярный момент сопротивления сечения вала по шпоночной канавке в месте кре-
пления ступицы мешалки, (рис. 18), м3; τк – касательные напряжения при кручении, МПа.
Рис. 18. Шпоночное соединение ступицы мешалки с валом.
Величина Wр нетто учитывает уменьшение сечения вала за счет шпоночной канавки и рассчитывается по формуле:
Wр нетто = (πd13 /16) [вшtш (d1 – tш )2 /2d1 ],
где d1 – диаметр вала в месте крепления ступицы мешалки, м; вш, tш– ширина и глубина шпоночного паза на валу, м.
В случае наличия шпоночного паза на валу эффективный коэффициент концентрации напряжений Kτ = 1,4 при σв ≤ 700 МПа и Kτ = 1,7 при σв >700 МПа. Численные значения коэффициентов Кd и ψτ приведены в таблицах 6 и 7 [4].
45
|
|
|
|
Значения коэффициента влияния |
|
Таблица 6 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
абсолютных размеров сечения вала, Кd |
|
|
|
||||||||||||
d1, мм |
|
15 |
|
20 |
|
30 |
|
40 |
|
50 |
|
70 |
|
100 |
|
200 |
||
Kd |
|
0,87 |
|
0,83 |
|
0,77 |
|
0,73 |
|
0,7 |
|
0,65 |
|
0,59 |
|
0,52 |
||
|
|
Значение коэффициента чувствительности |
Таблица 7 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
к асимметрии цикла, ψτ |
|
|
|
||||||||||
σв, МПа |
< 750 |
|
|
750 – 1000 |
|
|
1000 – 1200 |
|
> 1200 |
|||||||||
ψτ |
|
0 |
|
|
|
0,05 |
|
|
|
0,1 |
|
|
0,15 |
|||||
Из таблицы 7 следует, что численные значения коэффициента ψτ малы, и во многих случаях ими можно пренебречь.
3.3.3. Виброустойчивость вала
В процессе изготовления вала и мешалки, а также при их сборке невозможно добиться полного совпадения их центра масс с осью вращения. Это приводит к тому, что при вращении вала возникают центробежные силы, вызывающие его прогиб (рис. 17, б). Величина прогиба вала в зависимости от угловой скорости вращения описывается частотным уравнением. На некоторых частотах вращения прогиб резко возрастает, работа аппарата сопровождается большими вибрациями, которые в итоге могут привести к аварии. Такие частоты вращения называют критическими. Поэтому для быстроходных валов обязательна проверка на виброустойчивость по условию:
ω ≤ 0,7 ω1, |
(11) |
где ω1 – первая критическая угловая скорость вала, рад /с.
Расчёт первой критической скорости вала, соответствующей резонансу при изгибных колебаниях, выполняется следующим образом. На основании расчетной схемы (рис. 17) определяется относительная координата центра тяжести вала и относительная масса мешалки из выражений:
l =l2 / L2 ,
m = m /(mвL2 ),
где m – масса мешалки (см. табл. 33–36 «Методических указаний и заданий»), кг; mв = 0,785 ∙ dв2 ρc – линейная масса вала, кг/м; ρc = 7,85 ∙ 103 – плотность материала вала (стали), кг/м3.
46
Из графика, приведенного на рис. 19, определяется корень α1 = f ( m,l ) частотного уравнения и рассчитывается первая критическая скорость:
ω1 = (α1 / L2 )2 (EI /mв )0.5 ,
где Е – модуль упругости материала вала, Па; I = πdв4/64 – момент инерции сечения вала, м4.
–
Рис. 19. Номограмма для определения корня α1 частотного уравнения.
В случае несоблюдения условия виброустойчивости (11) следует выбрать больший диаметр вала (следующий габарит стойки) или установить концевую опору на днище аппарата.
47
4.ЛИТЕРАТУРА
1.Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок. М.: Высш. школа. 1982.
2.Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред (справочное пособие). Л.: Машиностроение. 1979.
3.Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. М.: Химия. 1975.
4.Гузенков П.Г. Детали машин. М.: Высш. школа. 1982.
5.Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Детали машин. Курсовое проектирование. М.: Высш. школа. 1984.
6.Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. (Под редакцией М.Ф. Михалева). Л.: Машиностроение. 1984.
7.Чернин И.М., Кузьмин А.В., Ицкович Г.М. Расчеты деталей машин. Минск: Высш. школа. 1978.
8.Попова Г.Н., Алексеев С.Ю. Машиностроительное черчение. Справочник. СПб, Политехника. 1999.
9.Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. М.: Металлургия. 1974.
10.Правила технической эксплуатации теплоиспользующих установок и тепловых сетей и правила техники безопасности при эксплуатации теплоиспользующих установок и тепловых сетей. М.: 1973.
11.Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 2х кн. М.: Машиностроение. 1988.
12.Редукторы и мотор-редукторы в 3-х частях. Каталог. СПб.: Науч- но-технологический центр «Редуктор». 1998.
13.Редукторы и мотор-редукторы планетарные модернизированные. Каталог. СПб., Киев: Н-Тцентр «Редуктор». 2003. 27с.
14.ГОСТ 2.104-68. Основные надписи.
15.ГОСТ 2.105-95. Общие требования к текстовым документам.
16.ГОСТ 2.109-73. Правила выполнения чертежей деталей, сборочных, общих видов, габаритных и монтажных.
17.ГОСТ 2.119-73. Чертеж общего вида.
18.ГОСТ2.201-80.Обозначениеизделийиконструкторскихдокументов.
19.ГОСТ 2.301-68. Форматы.
20.ГОСТ 2.303-68. Линии
21.ГОСТ 2.305-68. Изображения – виды, разрезы, сечения.
22.ГОСТ 3.312-72. Условные изображения и обозначения швов сварных соединений.
23.ГОСТ 2.315-68. Изображения упрощенные и условные крепежных деталей.
48
24.ГОСТ 356-68 (СТ СЭВ 253-76). Давления условные, пробные, ра-
бочие.
25.ГОСТ 6533-78. Днища эллиптические отбортованные стальные для сосудов, аппаратов и котлов. Основные размеры.
26.ГОСТ 8752-79. Резиновые армированные манжеты для валов.
27.ГОСТ 9931-85. Корпуса цилиндрические стальных сварных сосудов и аппаратов.
28.ГОСТ 12619-78 – ГОСТ 12623-78. Днища конические и плоские. Основные размеры.
29.ГОСТ 12815-80 – ГОСТ 12822-78. Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов.
30.ГОСТ 13372-78. Сосуды и аппараты. Ряд номинальных объемов.
31.ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.
32.ГОСТ 20680-86. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами вертикальные. Типы и основные параметры.
33.ГОСТ 22577–77. Устройства перемешивающие для жидких неоднородных сред. Термины и определения.
34.34. ТУ 2-056-184-80. Редукторы и мотор-редукторы планетарные, зубчатые типов ПО2, МПО2, МПО1. Технические условия.
35.ГОСТ 28751.1-90. Фланцы сосудов и аппаратов.
36.ОСТ 2601-1243-82. Уплотнения валов торцевые для аппаратов с перемешивающими устройствами. Типы, параметры, конструкции и основные размеры.
37.ОСТ 2601-1245-83. Мешалки. Типы, параметры, основные размеры, конструкции.
38.ГОСТ 28759.1-90. Фланцы сосудов и аппаратов. Типы параметры.
39.ГОСТ 28759.2-90. Фланцы сосудов и аппаратов стальные плоские приварные. Конструкция и размеры.
40.ГОСТ 28759.3-90. Фланцы сосудов и аппаратов стальные приварные встык. Конструкция и размеры.
41.ГОСТ 28759.6-90. Прокладки из неметаллических материалов. Конструкция и размеры. Технические требования.
42.ГОСТ 28759.7-90. Прокладки асбометаллические. Конструкция и размеры. Технические требования.
43.ГОСТ 26296-84. Лапы опорные подвесных вертикальных сосудов
иаппаратов. Основные размеры.
49
Для заметок