Аппарат вертикальный с трехлопастной мешалкой

— 19 ;

Федеральное агентство по образованию Казанский Государственный Технологический Университет Кафедра деталей машин (теории машин и механизмов) Аппарат вертикальный с трехлопастной мешалкой

Исходные данные

1. Корпус:

а) Внутренний объём: 6,3

б) Внутренний диаметр:1800 мм в) Тип: ВЭП г) Исполнение: 2

д) Давление в аппарате: 0,4 МПа е) Давление в рубашке: 0,15 МПа

2. Параметры среды:

а) Наименование: NH₄OH водный раствор б) Температура: 40? C

в) Концентрация 30%

3. Параметры мешалки:

а) Диаметр: 900 мм б) Частота вращения: 120 об/мин в) Мощность на валу: 6,3 кВт г) Тип: трехлопастная

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: мм. Внутренняя поверхность корпуса: .

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 14 249–89

1. Расчет обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлением Выбираем материал аппарата по таблице 7 [1]: сталь 35ХМ. По таблице 8 определяем [у]=230 МПа и Е=2· 10⁵ МПа Толщину стенок рассчитываем по следующей формуле:

условие выполняется.

Принимаем минимальное стандартное значение S=6мм.

Условие не выполняется, увеличиваем толщину стенки до S=10 мм.

Условие выполняется. S=10мм.

1.3 Днища и крышки Расчёт толщины эллиптического днища, нагруженного наружным давлением

Проверим толщину S=8мм:

Принимаем S=10 мм Условия выполняются при S=10 мм.

Расчёт толщины отъемной крышки нагруженного внутренним давлением Толщину стенок рассчитываем по следующей формуле:

где

1.4 Расчёт элементов рубашки Рассчитаем толщину стенки цилиндрической части рубашки:

.

Рассчитаем толщину стенки эллиптической части рубашки:

.

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]:

D_ф=1930ммh=60мм

D_б=1890 ммS=10мм

D₁=1848ммd=27мм

z=68мм d_Б=М24

Для уплотнений во фланцах применяют прокладки различной конструкции. Для плоских приварных фланцев используется плоская неметаллическая прокладка. Так как давление в аппарате — 0.4 МПа, перерабатываемая средаNH₄ОН и Т=40⁰С, выбирается прокладка, изготовленная из фторопласта. При внутреннем диаметре аппарата D=1800 мм, условном давлении P_y=0,4 МПа, прокладка будет иметь диаметр D_n=1846мм, d_n=1807мм.

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:

Наибольшее значение ;

4. Прочность болтов при монтаже:

удовлетворяет условию.

5. Прочность болтов в период эксплуатации:

Удовлетворяет условию z=68.

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.

А=200 В=100 Е=250 Г=100 R1=580 D2=1200

Б=100 Ж=50 И=150 К, К1=50 R2=540 Л=200

М=50

1.7 Опоры аппарата Химические аппараты устанавливаются на фундаменты или специальные несущие конструкции с помощью опор. В моём варианте я выбралa в качестве опор — 1-ый тип (лапы).

Лапы применяют при установки аппаратов на несущих конструкциях или между перекрытиями. Лапы размещают на корпусе или рубашке на расстоянии мм от уплотнительной поверхности фланцев:

Рассчитаем нагрузку на одну опору:

1. Зададимся количеством опор: 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 я выбираю такие опоры, у которых. Данному условию соответствуют лапы, с .

аппарат мешалка привод

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 определяем типоразмер мотор-редуктора по условию Р=6,3кВт n =120 об/мин. По исходным данным подходит мотор-редуктор типа ВОМ-III. Определяем мощность электродвигателя Р_дв по условию:

кВт где Р_М — 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 = 120

Мощность Р = 7 кВт Передаточное число u = 8,25

Типоразмер комплектующих электродвигателя = 4А132М6

Основные размеры редуктора ВОМ-III:

2.2 Выбор типа муфты Для соединения вала мешалки с валом мотор-редуктора я использую продольно-разъёмную 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 Т_Р 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, мм:

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:

Размеры опоры под стойку:

d₁=70мм

2.3 Выбор типа уплотнения В моём варианте, давление в аппарате 0,4 МПа и щелочная среда — NH₄ОН, следовательно, необходимо использовать торцевое уплотнение.

Параметры и размеры торцевого уплотнения:

Тип уплотнения: УТ 656

d=65ммD₁=200ммН=180ммh=48мм

D=235ммD₂=178ммМасса 14,9 кг Размеры трехлопастной мешалки, мм

3. Проектирование и расчёт перемешивающего устройства Перемешивающее устройство состоит из вала, размещённого в подшипниках, торцевого уплотнения и мешалки. В моём аппарате применяется консольный вал. Опорами консольного вала служит один подшипник качения. Он расположен в подшипниковом узле, установленном в стойке.

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:

мм

3.2 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.

Соединение валов мотор-редуктора и перемешивающего устройства продольно-разъёмной муфтой образует подвижное соединение.

Подшипниковый узел состоит из корпуса 1, внутри которого установлен один радиальный подшипник качения 2. Для фиксации вала в осевом направлении предусмотрена круглая шлицевая гайка 4, которая предохраняется от развинчивания стопорной многолапчатой шайбой 5. Корпус закрыт крышками 6, в сквозных отверстиях которых установлены манжетные уплотнения.

Конструкция вала:

1. Верхний конец вала соединен с валом мотор-редуктора стандартной муфтой. Поэтому его диаметр будет равным диаметру вала мм мотор-редуктора. Длина этого участка вала равна мм и уточняем по размерам муфты.

2. Диаметр вала под уплотнение крышки подшипникового узла возьмем равным мм. 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= 8мм). мм. D_УПЛ=80мм.

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

4. Следующий участок вала предназначен для посадки подшипника. Его диаметр нужно согласовать с диаметром отверстия внутреннего кольца подшипника. Для подшипника 313 мм. Длина этого участка вала мм, B =33ммширина подшипника.

5. Диаметр следующего участок вала принимают равным: мм. D_УПЛ=100мм.

6. Диаметр согласуют с диаметром отверстия в торцевом уплотнения Соответственно мм.

7. Участок вала в месте посадки мешалки принимают равным диаметру отверстия в ступице мешалки

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 зубчатой муфтой. Опорой является один радиальный подшипник качения. Такому решению соответствует расчётная схема № 1.

l₂ — расстояние между подшипником и серединой муфты l₂ =160мм.

l₁ — расстояние от середины подшипника качения до середины ступицы мешалки. l₁ =2070мм. L= l₁+l₂=2230мм

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 М_м — масса мешалки (24 кг);

4. В соответствии с выбранной расчётной схемой определяем коэффициент б.

б =1,5.

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 F_ц, создающую изгибающий момент:, где M_np — приведённая масса мешалки (кг), r — радиус вращения центра тяжести приведённой массы (м).

1. Определяем эксцентриситет центра массы перемешивающего устройства: d_M — диаметр мешалки, м. d_M=0,9 м

м

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:

?M_A=0. -M-0,16R_B+2,23F_Ц

М=-187,33Нм Построим эпюры изгибающих и крутящих моментов в опасном сечении вала: I участок 0? z₁? 0,16 м

Q_y(z₁)=-R_A=-3512,5 Н;

М (z₁)=-МR_A z₁;М (0)= 187,33;М (0,24)=-374,67 H•м

II участок 0 м? z₂? 2.07м

Q_y(z₂)=F_ц =181Н М (z₂)=-F_ц z₂ ;

M (0)= 0 H•м

M (2.07)= -374,67 H•м

— 19 ;

6. Определяем напряжение изгиба у_и и кручение ф в опасном сечении:

d=65

М_и=374,67Н*м МПа

7. Рассчитываем эквивалентное напряжение и проверяем выполнение условия:

где у_-1 = 0,5 * у_в = 0,5 * 500 МПа = 250 МПа К_у=1,5 — коэффициент концентрации напряжения

S_min=2 — минимальный запас прочности вала условие выполняется.

3.6 Проверочный расчет шпонок Проверяем шпонку в месте посадки мешалки. Условия прочности:

где d — диаметр вала в месте установки шпонки;

l_p=(l — b) — рабочая длина шпонки со скруглёнными торцами;

[у_cм]=150н/мм²

Проверка шпонки на прочность в месте посадки мешалки:

В месте посадки полумуфты Шпонки удовлетворяют проверочному расчёту.

3.7 Проверка пригодности подшипников Рассчитываем динамическую грузоподъемность:

где срок службы узла L_h=10*10³? 20*10³ часов, n — число оборотов вала, P_E — эквивалентная динамическая нагрузка, m=3 (для шарикоподшипников).

Определяем осевые нагрузки Внешняя осевая сила:

где P — давление в аппарате, G — вес вала и мешалки, d_рас=d+5 мм — расчётный диаметр вала в месте уплотнения, установленного на крышке аппарата. Р=0,4 МПа, d_рас=70.

3.9 Подбор подшипников по динамической грузоподъемности Динамическая грузоподъёмность подшипника 313 С_r=72,2 статическая грузоподъёмность С₀=56,7 кH (табл. 48)

По отношению F_А/C₀=127/56 700=0,002 выписываем значение коэффициента осевого нагружения е=0,19 по табл. 50 [1]; х=0,56 и у=2,3

F_А/(VF_r)=127/(1*3693,5)=0,03?e=0,19. Значит х=1, у=0.

Вычисляем эквивалентные динамические нагрузки:

где к_д=1,1? 1,5; к_т=1,(при 40^оС) Рассчитаем динамическую грузоподъёмность:

условие выполняется, подшипник пригоден.