Курсовая работа: Аппараты с перемешивающими устройствами

для стали Ст3, [у] = 134,15 (МПа) [2, табл.П2.1, стр.23]

[у] = [у]1 +

[у]1 = 140 (МПа); [у]2 = 134(МПа);

t1= 20 °C; t2= 100 °C; t=98 °C;

[у] = = 134,15 МПа [2, табл.П2.1, стр.24]

у =2,24 · 25996,5 / (2 · 0,01 · 0,315) = 9,24 (МПа);

KC · [у] = 0,4 · 134,15 = 53,66 (МПа)

у ? KC · [у], условие устойчивости выполняется.

Проверка прочности угловых сварных швов, соединяющих рёбра опор с корпусом аппарата проводится по условию:

фС = G / (0.7 · K · lШ) ? [фC], [1, стр.36]

где фС - напряжение среза в швах, Па;

К = (0,85…1,2) · S - катет среза в швах, м;

К = S =0,01 (м)

lШ - общая длина швов, м;

lШ = 3 ·2 · = 3·2·=0,865 (м)

[фС] - допускаемое напряжение среза для материалов швов, принимаемое

[фС] = 0,6[у] (Па). [фС] = 0,6 · 134,15 = 80,49 (МПа).

фС = 25996,5 / (0,7 · 0,01 · 0,865) = 0,61 (МПа);

фС ? [фC], условие прочности угловых сварных швов выполняется.

Присоединительный диаметр опор, Dб = 2760 (мм). [2, табл.П5.4, стр.52]

Масса опоры-лапы вместе с подкладным листом, m = 19,03(кг).

[2,табл.П5.5,стр.53]

3.Выбор и расчёт перемешивающего устройства

3.1 Типы и характеристики мешалок

Типы мешалок регламентированы ОСТ 26-01-125-83. 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. П6.4, стр.124].

Таблица 3.1.1.

Размеры рамных мешалок тип 9.

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

hM = 0,3· dM = 0,3·1900 = 570 (мм). [1, стр.35]

Размеры ступицы мешалки приведены в таблице 3.1.2. [1, табл.П6.5, стр.125].

Таблица 3.1.2.

Размеры ступицы мешалки, мм.

Выбор привода к мешалке.

Частота вращения, nМ = 29 ( об/мин );

Мощность перемешивания, NМ = 8,30 (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: NМ - мощность перемешивания и nМ - частота вращения мешалки. При этом, стандартную частоту вращения принимают ближайшую по отношению к заданной, Nд - мощность двигателя, принимают только ближайшую к NМ.

Конструктивно выбираем фланцевый двухступенчатый мотор-редуктор: МЦ2СФ-200-40-15-320-Ц-У2 [2, с.138]. Технические характеристики выбранного мотор-редуктора :

- Межосевое расстояние А = 200 мм;

- Мощность двигателя N = 15,0 кВт;

- Частота вращения, nМ = 28 об/мин;

- Крутящий момент T = 4040 Н · м;

Мотор-редуктор устанавливается на крышке аппарата при помощи стойки. Промышленностью для стальных аппаратов, в зависимости от рабочего объёма и типа уплотнения, выпускалось пять типа стоек, в соответствии с ОСТ 26-01-109-85, который регламентировал типы и конструкции вертикальных стоек приводов для аппарата с перемешивающим давлением не более 1,6 МПа с диаметром вала в зоне уплотнительного устройства от 40 до 130 мм .В настоящее время срок действия ОСТа на стойки истек, стандартные стойки не выпускаются. В курсовом проекте размеры верхнего фланца стойки необходимо согласовать с присоединительными размерами выбранного мотора редуктора. Для ориентации в конкретных размерах стойки можно использовать рекомендации ОСТ 26-01-109-85.

Данная стойка комплектуется торцовым уплотнением исполненным по ОСТ 26-01-1243-81. 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.

Расчёт вала мешалки.

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

dВ ? , [1, стр.50]

где [ф] = 40 (МПа) - допускаемое напряжение;

ТКР - расчётный крутящий момент, МН · м.

Расчётный крутящий момент учитывает пусковые нагрузки и находится из выражения:

ТКР = Кд · NM· / щ, [1, стр.50]

где Кд - коэффициент динамической нагрузки, зависящий от конструкции мешалки; Кд = 2 [1, стр.50]

NM - мощность перемешивания, Вт; NM = 8,30 · 103 (Вт)

щ - угловая скорость вала мешалки, рад/с:

щ = 2р · nM / 60,

где nМ = 29 ( об/мин ) - частота вращения вала мешалки;

щ = 2 · 3,14 · 29 / 60 = 3,04 (рад/с);

ТКР = 2 · 8,30 · 103 /3,04 = 5,461 · 103 (Н · м);

= = 0,026 (м) = 26 (мм):

Принимаем dВ = 50 (мм).

Выбираем стойку с габаритом 01 [ОСТ 26-01-109-85]

Таблица 3.2.1.

Размеры стойки [ОСТ 26-01-109-85 ]

После выбора всех комплектующих частей привода проверяется выполнение условия:

Nд ? Nп, [1, стр.50]

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 может быть рассчитана с условием КПД в этих устройствах.

Nn = NМ / з1 · з22 · з3, [1, стр.51]

где з1 - КПД планетарного редуктора;

з2 - КПД подшипников качения, в которых установлен вал мешалки;

з3 - КПД, учитывающий потери мощности в уплотнении.

Таблица 3.2.2.

Приближённые значения КПД. [1, стр.51]

Nn = 8,3 · 103 / (0,85 · 0,992 · 0,99) = 10,1 · 103 (Вт) = 10,1 (КВт)

15 > 10,1;

Nд ? Nп, условие выполняется.

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 - hM + l1 = 3670 - 570 + 400 = 3500 (мм)

L2 = l2 + l = 3500 + 300 = 3800 (мм)

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

Расчёт вала мешалки на усталостную прочность.

Расчёт ведётся по следующей формуле:

n = ? [n], [1, стр.49]

где nу и nф - 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:

nф ? [n].

Выражение для расчёта коэффициента запаса nф имеет вид:

nф = ф-1 / (Kф · фa / Kd + шф · фm), [1, стр.50]

где ф-1 - предел выносливости при кручении при симметричном цикле

напряжений, МПа;

фа и фm - соответственно амплитуда и среднее значение напряжений

циклов, МПа;

Кф - эффективный коэффициент концентраций напряжений;

Кd - коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения

вала;

шф - коэффициент чувствительности к асимметрии цикла.

Величину предела выносливости определяют по формуле:

ф-1 = 0,25 · ув , [1, стр.50]

где ув - предел прочности материала вала при температуре среды , МПа;

Вал изготавливается из стали - 12ХН3А.

[у] = [у]1 +

[у]1 = 560(МПа); [у]2 = 530 (МПа);

t1 = 20 °C; t2 = 100 °C; t=98 °C;

[у] = = 530,75 МПа; [1, табл.П2.7, стр 93]

ф-1 = 0,25 · 530,75 = 132,69 (МПа)

При постоянной скорости вращения вала или редком реверсировании принимают:

фа = фm = 0,5фК = ТКР / WР НЕТТО, [1, стр.54]

где ТКР - расчётный крутящий момент, МН · м;

ТКР = 5,461 · 103 (Н · м);

WР НЕТТО - полярный момент сопротивления сечения вала по шпоночной

канавке в месте крепления ступицы мешалки, м3;

фК - касательные напряжения при кручении, МПа;

Величина WР НЕТТО учитывает уменьшение сечения вала за счёт шпоночной канавки и рассчитывается по формуле:

[1, стр.50]

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

d1 = 0,08 (м)

bШ и tШ - ширина и глубина шпоночного паза на валу, м;

bШ = 0,022 (м); tШ = 0,009 (м); [1, стр.50]

WР НЕТТО = =

= 9,42 · 10-5 (м);

фа = фm = 5,461 · 103 / 9,42 · 10-5 = 57,97 (МПа);

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

Kd = Kd1 +

Kd2 = 0,59; Kd1 = 0,65;

d2 = 100 (мм); d1 = 70 (мм); d = 80 (мм);

Kd = = 0,63; [1, табл.6, стр.55]

Т.к. ув < 750 (МПа), то шф = 0. [1, табл.7, стр.55]

nф = 132,69 / (1,4 · 57,97 / 0,63) = 1,03

nф <[n], условие прочности не выполняется, следовательно, необходимо выбрать марку стали вала с большим пределом прочности. Марка стали вала - 40Х.

Вал изготавливается из стали - 40Х.

[у] = [у]1 +

[у]1 = 790(МПа); [у]2 = 770 (МПа);

t1 = 20 °C; t2 = 200 °C; t=98 °C;

[у] = = 781,33 МПа;

ф-1 = 0,25 · 781,33 = 195,33 (МПа)

nф = 195,33 / (1,4 · 57,97 / 0,63) = 1,52

nф <[n], условие прочности выполняется, следовательно, вал

удовлетворяет критериям усталостной прочности.

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:

щ ? 0,7щ1 ; [1, стр.56]

где щ1 - 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, стр.56]

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

L2 = 3800 (мм)

l2 - длина консольной части вала, м;

l2 = 3500 (мм)

m - масса мешалки, кг;

m = 163 (кг)

mВ - линейная масса вала, кг/м, находится по формуле:

mВ = 0,785dВ2 · сС ;

сС - плотность материала вала, кг/м3; сС = 7,85 · 103 (кг/м3);

mВ = 0,785 · 0,052 · 7,85 · 103 = 15,41 (кг/м);

= 0,92;

= 2,78;

Из графика [1, рис.19, стр.57] определяется корень б1 = f () частотного уравнения и рассчитывается первая критическая скорость.

б1 = 1,17;

щ1 = , [1, стр. 56]

где Е - модуль упругости материала вала, МПа;

Е·10-5 = Е1 + ;

Е1· 10-5 = 2,15 (МПа); Е2· 10-5 = 2,15 (МПа); [1, табл.П2.3, стр.91]

t1 = 20 °C; t2 = 100 °C; t = 98 °C

Е = 2,15 · 105 (МПа)= 2,15 · 1011(Па);

I - момент инерции сечения вала, м4;

I = [1, стр.56]

I = 3,14 · 0,054 / 64 = 3,07 · 10-7 (м4);

щ1 = = 6,2 (рад/с);

0,7щ1 =0,7 · 6,2 = 4,34 (рад/с);

3,04 < 4,34 (рад/с)

щ ? 0,7щ1 , условие выполняется.

Таким образом, подобранный вал с d = 50 мм является виброустойчивым.

Список литературы

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.

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.