9. Проверочный расчет подшипников на долговечность

Предварительно необходимо выбрать подшипники. В рамках курсового проектирования рекомендуется в конструкции насоса использовать подшипники качения. Причем тип подшипников (радиальный или радиально-упорный) должен соответствовать характеру воспринимаемой нагрузки. Характерной особенностью центробежных насосов является преобладание осевых нагрузок над радиальными. На первом этапе рекомендуется выбрать шариковые подшипники средней серии. Номер подшипников соответствует диаметру вала под них, известному по результатам эскизной компоновки конструкции насоса.

Далее необходимо определить реакции в опорах вала, используя результаты компоновки насоса и значения действующих в нем сил.

Расчет долговечности выбранных подшипников L_h при действии заданной нагрузки производится с помощью любой инженерной методики, известной из курса «Детали машин» (см. например [5] и др.). Условие работоспособности имеет вид

L_h  [L_h] ,

где [L_h] – минимально допускаемая долговечность.

В качестве допускаемого значения принимается средняя долговечность изделий машиностроения средней ответственности, работающих с полной нагрузкой, равная [L_h] = 20000 часов.

В случае если условие работоспособности не выполняется, необходимо выбрать подшипники с большей грузоподъемностью. Этого можно достичь путем выбора подшипников более тяжелой серии, использованием роликовых подшипников вместо шариковых, либо путем увеличения диаметра подшипников.

При выполнении этого раздела необходимо учитывать следующее. Во-первых, радиальная нагрузка, воспринимаемая подшипниками, хотя и определяется радиальными силами, действующими на ротор, но не равна им. Во-вторых, осевое усилие, возникающее при работе насоса, полностью воспринимается лишь одним из двух подшипников (в зависимости от схемы их установки в насосе).

10. Проверочные расчеты элементов насоса на прочность

После завершения разработки конструкции насоса (в виде сборочного чертежа) необходимо выполнить проверку работоспособности его основных деталей и соединений. Оценка работоспособности сводится к проверке ряда условий и формулировке выводов на основании этого.

10.1 Расчет вала на статическую и усталостную прочность

Расчет выполняется в соответствии с любой инженерной методикой, известной из курса «Детали машин» (см. например [5, 2] и др.).

10.2 Расчет вала на жесткость. Расчет критической частоты вращения вала.

Специфической особенностью центробежных насосов является требование достаточной жесткости вала, т.е. способности вала сопротивляться деформациям при действии нагрузки. Это требование связано с необходимостью обеспечения малого зазора между вращающимся рабочим колесом и корпусом в гидравлическом уплотнении на входе в колесо.

Условие жесткости, подлежащее проверке, имеет вид

f  [f] ,

где f – прогиб вала в месте гидравлического уплотнения колеса; [f] – допускаемый прогиб.

Прогиб вала определяется по формуле

f = R / K ,

где К – коэффициент жесткости вала, который при консольной конструкции ротора равен K=3EJ / (a²(L+a)), а при расположении колеса между опорами – K=3EJL / (b² c²); Е – модуль упругости материала вала; L – расстояние между опорами вала; a – длина консольного участка вала; b, c – расстояния от колеса до опор вала (b+c=L); J – момент инерции сечения вала на консольном участке или на участке между опорами.

В качестве допускаемого прогиба рекомендуется принять:

[f] = (0,0002...0,0003)·а – при консольном размещении колеса;

[f] = (0,0002...0,0003)·L – при размещении колеса между опорами [2, 5].

Далее необходимо проверить условие отстройки частоты вращения вала от критической частоты:

n_кр / n  1,4 .

Необходимость такой проверки связана с тем, что при близости частоты вращения вала к критической частоте наступает резонанс механической системы и амплитуда прогиба вала существенно возрастает, что приводит к поломке насоса. Ориентировочно критическую частоту вращения вала n_кр (об/мин) можно вычислить по формуле

n_кр = (K/M_p)^0,5 30/ .

На основе проверки двух указанных условий делается вывод о жесткости вала.

10.3 Расчет шпоночных соединений

Расчет выполняется в соответствии с любой инженерной методикой, известной из курса «Детали машин» (см. например [5, 2] и др.).

10.4 Расчет рабочего колеса на прочность

Проверка прочности выполняется для всех основных элементов рабочего колеса: ступицы, лопасти и дисков. Расчет производится по методике, изложенной в [2, с.336-338]. При этом в качестве расчетного перепада давлений следует принять p=gH.

10.5 Расчет корпуса насоса на прочность

Проверка прочности выполняется для внешней части корпуса спирального отвода, наиболее удаленной от оси вала, как для цилиндрической оболочки вращения. Расчет производится по методике, изложенной в [2, с.338-340].