Курсовой проект аппарат с мешалкой

ступица.cdw

а2.cdw

спецификация.cdw

Х18Н10Т ГОСТ 7798-70
Х18Н10Т ГОСТ 7805-70
Х18Н10Т ГОСТ 5927-70
Х18Н10Т ГОСТ 5915-70

лопасть.cdw

* Размеры для справок
Предельные отклонения размеров: Н14
Лист ПН10 ГОСТ 19903-74
Х18Н10Т ГОСТ 5632-72

9-9.docx

Аппараты с мешалками широко используются в химической и многих других отраслях промышленности. В качестве рабочей среды используются уксусная кислота - взрывопожароопасна. Перемешивание обеспечивает интенсификацию процессов тепло – и масса - обмена и часто является необходимым условием эффективного течения химических реакций. Конструкция аппарата должна обеспечивать его надёжную работу в заданном технологическом режиме в течении заданного срока службы. Химически аппараты подлежат периодическим проверкам и планово – предупредительным ремонтам.
Аппарат используется вертикального положения. На рисунке 1 изображены конструкции вертикальных аппаратов. Основными элементами аппаратов является корпус и механическое перемешивающее устройство. В общем случае оболочка корпуса состоит из цилиндрической части соединенной с днищем и крышкой которые имеют эллиптическую форму. Корпуса аппаратов стандартизованы (ГОСТ 9931-85). Типы и основные параметры вертикальных аппаратов с мешалками объёмом от 001 до 100 м3 регламентируются ГОСТ 20680-2002. Установлен ряд номинальных объёмов и соответствующие значения высоты корпуса Н и его внутреннего диаметра D.
Под корпусом аппарата понимают герметически закрытый сосуд находящийся под давлением в котором осуществляется перемешивание. Корпус вертикального аппарата с эллиптическим днищем и эллиптической крышкой (рис. 1 а) выполняется по ГОСТ 9931-85. Цилиндрическая оболочка 1 корпуса называется обечайкой. Корпус исполнения с отъёмной крышкой. В данном случае (рис. 1 б) для крепления крышки используется фланцевое соединение 3 которое обеспечивает герметичность разъёмного соединения крышки с корпусом. Отъёмная крышка позволяет проводить монтажные и ремонтные работы внутри корпуса. В приводимых примерах днище корпуса приварное. Переход от цилиндрической части к коническому 5 или эллиптическому 4 днищу должен быть плавным что обеспечивается при помощи специального элемента (участка оболочки) – отбортовки. Отбортовка состоящая из цилиндрического участка и торового сегмента у конуса уменьшает дополнительные напряжения возникающие в зоне сопряжения оболочек различной формы и позволяет вынести из этой зоны сварной шов прочность которого обычно ниже чем прочность оболочки в других зонах.
Для подачи или отвода тепла а следовательно и для поддержания заданной температуры рабочей среды корпус аппарата оснащается теплообменными устройствами – наружными в виде теплообменной рубашки 6 (рис. 1а).
Для загрузки исходных компонентов отвода готовых продуктов подвода теплоносителя ввода датчиков контрольно – измерительных приборов используется штуцеры расположенные на крышке на обечайке и на днище (на рис. 1 позиции штуцеров не обозначены). Простейший штуцер состоит из патрубка ( отрезка трубы) и фланца. Люк 8 (рис. 1 б) в аппаратах с отъемной крышкой используется для осмотра мешалки и других внутренних устройств. Аппараты устанавливаются на фундамент при помощи опор – лап 11 (рис. 1 б). Применение того или иного вида опор диктуется высотой цеха (стандартная высота помещения 6 м) или же особенностями размещения технологической аппаратуры на нескольких уровнях цеха.
Механические перемешивающие устройства (МПУ) всех аппаратов (рис. 1) представляют собой конструкции состоящие из привода вала и мешалки. Большинство элементов механического перемешивающего устройства стандартизовано. Привод перемешивающего устройства аппаратов состоит из электродвигателя механической передачи в виде редуктора (зубчатой передачи) или ременной передачи и стойки привода. Электродвигатель13 преобразует электрическую энергию в механическую. Редуктор 14 (рис. 1 а) передаёт вращательное движение от вала электродвигателя с понижением скорости вращения и увеличением крутящего момента на выходном валу 16 привода. Стойка привода 17 объединяя их в единый агрегат служит для крепления элементов МПУ. . Выходной вал редуктора или мотор-редуктора при помощи муфты 18 фланцевой (рис. 1 б) соединяется с валом 19. На конце вала установлена мешалка 20: рамная (рис.1 а). Мешалка при вращении передает механическую энергию перемешиваемой среде.
Валы мешалок устанавливаются в стойках привода при помощи подшипников качения (на рис. 1 не показаны). Герметичность вращающегося вала обеспечивается торцовым уплотнением 22 (сальниковым или торцовым) которое крепится на крышке аппарата. Тип уплотнения зависит от величины давления в аппарате и от свойств рабочей среды.
Рисунок 1- конструкции аппаратов.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА
Цель курсового проекта: Разработка в соответствии с исходными данными эскизного технического проектов и фрагментов рабочей конструкторской документации на типовой вертикальный аппарат с механическим перемешивающим устройством. Аппарат предназначен для проведения процесса перемешивания в жидкофазной системе при заданных давлении температуре и свойствах рабочей среды с сохранение работоспособности в рабочих условиях в течение заданного срока службы.
При выполнении курсового проекта студент решает основные задачи проектирования в соответствии с календарным планом. На первом этапе производится ознакомление с назначением и устройством аппарата после чего заполняется бланк технического задания;
На этапе эскизного проекта производится определение расчетной температуры выбор конструкционных материалов определение напряжений и давлений. Только после этого выбираются комплектующие элементы аппарата выполнение эскиза и оценка надежности. Далее следует этап под названием «Технический проект». На данном этапе проектирования рассчитывают элементы корпуса ( расчеты на прочность сварных швов толщины стенок(из условия прочности и устойчивости) допускаемые давления фланцевые соединения опоры и монтажные цапфы) далее рассчитывают элементы механического перемешивающего устройства (т.е. валы мешалок на прочность виброустойчивость сами мешалки шпоночное соединение и муфты). Предпоследним является этап конструирования на котором выполняются чертежи главного вида отдельных деталей и заполнение спецификации. На финальном этапе производится защита проделанной работы преподавателю.
1 Выбор конструкционных материалов.
Экономичность изготовления и надежность в работе аппарата с мешалкой в значительной мере зависят от правильного выбора материалов. В проекте материалы подбирается для тех элементов которые рассчитываются по главным критериям работоспособности. Подбор материала для корпуса аппарата и для других его элементов подбираем по таблицам коррозионной стойкости и таблице применимости материалов для изготовления тех или иных элементов аппарата из стандартного проката.
В данном аппарате производится перемешивание 15-% уксусной кислоты (CH3COOH) при температуре 20 ºС. Исходя из этих данных выбираем вполне стойкую (П ≤ 0110-3 мгод) легированную сталь 12Х18Н10Т для корпуса аппарата по таблице Б.1[1] (коррозионная стойкость металлов сплавов и защитных покрытий) потому что есть контакт с рабочей средой. А для рубашки (нет контакта с рабочей средой) выбираем углеродистую сталь Ст3сп5.
По таблице рекомендации по выбору сталей для изготовления элементов аппарата Б.2 [1] сталь 12Х18Н10Т применяется для изготовления оболочки корпуса фланцев корпуса люка внутренних устройств мешалки вала и крепежных изделий мешалки (болт гайка шайба шпонка).
Материал для рубашки опоры стойки аппарата и цапфы – сталь Ст3сп5.
Материал для крепежных изделий фланцевых соединений муфты вала (шпонка) и уплотнения (шпилька) – сталь 40.
Материал уплотнительной прокладки – фторопласт-4.
2 Расчетная температура.
Расчетная температура стенки – температура при которой определяются физико-механические характеристики допускаемые напряжения и проводится расчет на прочность элементов сосуда.
На практике часто за расчетную температуру принимают наибольшую температуру среды но не ниже +20ºС. Таким образом
где tр – расчетная температура стенок корпуса аппарата ºС;
tс – температура среды соприкасающейся со стенкой аппарата ºС.
3 Определение допускаемых напряжений конструкционного материала.
Допускаемые напряжения материалов для рабочих условий определяются по формуле:
[]= []20 т.к. температура среды 200С.
Для корпуса мешалки опор аппарата:
[]=1·09·184=1656 МПа.
[]=1·09·125=1125 МПа
[]=1·09·154=1386 МПа
Для крепежных изделий:
* – нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре для выбранного материала;
*20 – допускаемое напряжение при расчетной температуре для выбранного материала (см. табл. Б3[1]);
– поправочный коэффициент учитывающий вид заготовки рассчитываемого элемента (1 = 1 для листового проката);
– поправочный коэффициент учитывающий степень опасности рабочей среды (2 = 09 для взрывоопасных и пожароопасных сред).
Таблица 1 – Материалы и допускаемые напряжения элементов аппарата
Допускаемые напряжения МПа
Есть контакт с рабочей средой
а) Обечайка крышка днище
б) фланцы корпуса люка
в) Прокладка уплотнительная
Внутренние устройства
Крепежные изделия мешалки
Нет контакта с рабочей средой
Опоры аппарата цапфы
а) Для фланцевых соединений
б) Для муфты вала (шпонка)
в) Для уплотнения (шпилька)
4 Определение рабочего расчётного пробного и условного давлений
Рабочее расчетное пробное и условное давление относятся к параметрам которые подлежат предварительному определению.
Рис. 1 Расчетные схемы элементов корпуса нагруженных внутренним давлением: а – эллиптическая крышка; б – цилиндрическая обечайка; в – эллиптическое днище
Рис. 2. Схема к определению расчетного наружного давления действующего на элементы аппарата
Рабочее давление – это максимальное внутреннее избыточное ри давление возникающее при нормальном протекании рабочего процесса без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время срабатывания предохранительного клапана или других предохранительных устройств. Таким образом рабочее давление – это избыточное давление газа над слоем жидкости которое указывается в ТЗ
Гидростатическое давление – это максимальное давление столба жидкости в аппарате:
Рг = ρсgHс = 1020·98·12 = 119952 Па = 0012 МПа.
ρс – плотность рабочей среды кгм3;
g = 981 – ускорение свободного падения мс2
Hс – уровень жидкости в аппарате м
Относительная величина гидростатического давления:
поскольку Δp5% то гидростатическим давлением в расчётах на прочность для обечайки и днища можно пренебречь.
Расчетное внутреннее давление рр.в – давление на которое производится расчет элементов аппарата на прочность (рис 2):
Для крышки обечайки и днища аппарата:
Для рубашки аппарата:
PРВ = Pруб =045 МПа
Pруб- рабочее давление теплоносителя(по исходным данным).
Расчетное наружное давление рр.н является основной нагрузкой для тех элементов аппаратов которые находятся под рубашкой или работают при остаточном давлении. т.е. под вакуумом (рис. 3):
а) для элементов корпуса не находящихся под рубашкой (крышка аппарата):
PРН = Pa – P0= 105–001·106= 009 МПа
где Pa = 105 – атмосферное давление Па;
P0= 0010 – остаточное давление в корпусе МПа;
б) Для цилиндрической обечайки и днища:
PРН = Pa – P0 + Pруб= 105-001·106+045·106=054 МПа
Пробное давление Pпр – это максимальное избыточное давление создаваемое при гидравлических (пневматических) испытаниях сосуда на заводе изготовителе и на предприятии с целью проверки на прочность и герметичность:
Pпр=125·06·1=075 МПа
Pпр=125·045·1=0563 МПа
Условное давление РУ – расчётное давление при температуре 20 0С используемое при выборе и расчёте на прочность стандартных элементов аппарата (узлов деталей арматуры):
Ру=06·(16561656)=06 МПа =>06МПа
Ру=045·(13861386)=045МПа =>06МПа
Условное давление выбирается из ряда 025; 03; 04; 06; 10; 16 МПа
Таблица 2 – Расчетное пробное условное давление в аппарате.
Расчетное внутреннее давление Рр.в МПа
Расчетное наружное давление Рр.н МПа
Пробное давление Рпр МПа
Условное давление Ру МПа
5 Выбор и определение параметров комплектующих элементов
Элементы корпуса аппарата.
Корпус 01 (тип ВЭЭ – вертикальный с эллиптическим днищем и отъемной эллиптической крышкой с неразъемной рубашкой). Номинальный объём – V=125 м3 диаметр – 1200 мм
Фланцы штуцеры корпуса (рубашки):
Внутренний диаметр D= 1200 Условное давление Ру=06 МПа
Люк загрузочный с плоской крышкой и уплотнительной поверхностью затвора шип-паз с внутренним диаметром Dу=150 мм Ру=06 МПа m=18 кг
Номинальный объем V=1.25м3 диаметр рубашки Dв=1300мм
Материал прокладки - фторопласт-4
Фланцы отъемной крышки:
Фланцы плоские приварные исполнения шип-паз Внутренний диаметр D= 1200 условное давление Ру=06 МПа
Опоры-лапы исполнение 2 внутренний диаметр рубашки Dв=1300мм [G]=10 кН.
Элементы механического перемешивающего устройства.
Тип мешалки – рамная – 10 диаметр – 950 мм масса 22 кг допустимый крутящий момент – Ткр=8000 Н·м диаметр вала под ступицу – 45 мм.
Поскольку число оборотов вала 100 обмин а мощность 11 кВт ( в таблице берем больше данного) то по таблице Ж2 подходит привод 2-ого типа.
Тип привода – 2 исполнение 1 габарит 1 (МПО2-10). Мощность привода – 15 кВт. Диаметр вала – 50 мм масса привода – 309 кг.
= 099 – КПД подшипников в которых крепится вал мешалки;
= 099 – КПД учитывающий потери в уплотнении;
= 098 – КПД компенсирующей УВП;
= 092 – КПД механической передачи привода.
Тип привода 2 габарит 1 исполнение 1 диаметр вала d=50мм.
Уплотнение торцовое
Рабочая среда - уксусная кислота диаметр вала d=50мм рабочее давление Р=06 МПа
Опоры привода и уплотнения
Тип привода 2 исполнение 1 габарит 1 диаметр аппарата D= 1200 диаметр вала d=50мм тип уплотнения торцовое.
Эскизный проект см. приложение А.
6 Оценка надежности выбранного варианта компоновки аппарата.
Под надежностью понимается свойство изделия (детали узла
машины) выполнять заданные функции сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение заданного промежутка
Интенсивность отказов сложного объекта складывается из интенсивностей отказов его составных частей:
λк= λк– интенсивность отказов корпуса аппарата;
λпр= λпр+ λм+ λу+ λмеш+ λв – интенсивность отказов привода с перемешивающим устройством;
λпр=(8 +05+30+08+10)10-5 = 13310-5 час-1
λ =(95+133)10-5 =22810-5 час-1
где согласно рекомендациям λк – интенсивность отказа корпуса аппарата час-1;
λк – интенсивность отказа корпуса час-1;
λпр – интенсивность отказа привода час-1;
λм – интенсивность отказа соединительной муфты вала час-1;
λмеш – интенсивность отказа разъёмной мешалки час-1;
λуп – интенсивность отказа уплотнения час-1;
λв – интенсивность отказа вала час-1.
Вероятность безотказной работы РАП(t):
Средняя продолжительность безотказной работы Тср аппарата связана с вероятностью РАП(t) соотношением:
Тср = 1 λ = 1(228·10^(-5))=438596 часа.
Параметр Тэ находится из условия что вероятность безотказной работы аппарата не может быть ниже некоторого предельного значения Рпред.т.е:
Тэ = – (1 λ)ln Рпред = – 438596 ln 08 =9787 часа 40 дней
Рпред – предельное значение вероятности безотказной работы определяющее степень надежности оборудования (Рпред = 08 т.к. рабочая среда – пожаро- и взрывоопасна).
1 Расчет элементов корпуса аппарата.
1.1 Определение коэффициентов прочности сварных швов и прибавки для компенсации коррозии.
Свариваемая оболочка аппарата с отъемной крышкой (корпус 01) соединяется двухсторонним стыковым сварным швом автоматической или полуавтоматической сваркой. В прочностные расчеты вводится коэффициент прочности сварного шва несколько уменьшающий допускаемые напряжения [] материала ( = 1 при 100% контроле швов; = 09 при 50% контроле швов).
В данном случае среда пожаробезопасная поэтому достаточно контролировать 100% длины сварных швов поэтому = 1.
Элементы аппарата находящиеся в контакте с рабочей средой из-за коррозии с
течением времени уменьшаются по толщине. Прибавка для компенсации коррозии к расчётным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:
с – прибавка для компенсации коррозии мм;
П – скорость коррозии мгод (П мгод);
Та – срок службы аппарата (амортизационный срок) лет.
С=2 мм если есть рубашка и коррозия со стороны рабочей среды и со стороны рубашки.
С=1 мм если нет рубашки и коррозия только с одной стороны элемента аппарата.
1.2 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия прочности.
Расчету подлежат элементы корпуса: цилиндрическая обечайка эллиптическая крышка эллиптическое днище в местах сварки.
а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки (рис. 2 б) м:
Sцр– расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия прочности мм;
ррв – расчетное внутреннее давление МПа;
D – внутренний диаметр обечайки мм;
[] – допускаемое напряжение МПа;
– коэффициент прочности сварного шва.
б) Толщина стенки эллиптической оболочки крышки (днища):
где рр.в – расчетное внутреннее давление (см. табл. 2[1]) МПа.
Полученные значения расчётных толщин стенок подлежат сравнению с толщинами рассчитанными из условия устойчивости и дальнейшему уточнению с учётом коррозии и округлению до стандартной толщины листов.
1.3 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия устойчивости.
При проектировании рассчитываются толщины стенок цилиндрической обечайки эллиптической крышки эллиптического или конического днища по зависимостям для коротких оболочек (стандартная теплообменная рубашка на устойчивость не рассчитывается так как образование вакуума в ней не предполагается).
а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки:
Рис.3 Схема к определению расчетной длины цилиндрической оболочки lц.
D=1200 мм – внутренний диаметр обечайки;
ррн – расчетное наружное давление (см. табл. 3[1]) МПа;
ny = 24 – коэффициент запаса устойчивости;
Е=205*10^5– модуль продольной упругости материала оболочки МПа;
Н1=650 мм – общая высота цилиндрической части аппарата (см. табл. В2[1]);
В2 = 360 мм – высота элементов для плоских приварных фланцев;
В3 = 50 мм – расстояние от фланца до рубашки;
а1 = 40 мм– ориентировочная высота отбортованной части эллиптической крышки;
а2 = 100 мм – высота переходной части эллиптической оболочки;
h=45 мм – высота диска фланца (см. табл. Г1 [1]);
Нэл =300 мм – высота эллиптической крышки без отбортовки.
б) Расчет толщины стенки эллиптической крышки из условия устойчивости:
К = 09 – коэффициент приведения радиуса кривизны эллипса;
рр.н – расчетное наружное давление действующее на днище или крышку (см. табл. 2[1]) МПа.
D=1200 мм- внутренний диаметр обечайки
Е – модуль продольной упругости материала оболочки при расчетной температуре (табл. Б.4[1]) МПа.
1.4. Определение исполнительной толщины стенок оболочек.
Для каждой оболочки из двух вычисленных значений (разделы 3.1.2 и 3.1.3) толщины выбирают большее расчетное значение:
Sцр= ma Sцр2 = Sцр2 =
Sэр кр= ma Sэр2 = Sэр1 =
Sэр дн= ma Sэр2 = Sэд2 =
Окончательно исполнительную толщину стенки определяют с учетом прибавки для компенсации коррозии с и c1 прибавки для округления толщины листа до стандартного значения. Прибавку c1 в каждом уравнении подбирают так чтобы толщина стенки оболочки совпала со стандартной толщиной листа при этом c1 должна быть не менее минусового допуска u на толщину листа (табл. 9[1]) т.е c1 ≥ u.
Выражения для определения исполнительной толщины стенок оболочек аппарата имеют следующий вид:
а) для цилиндрической оболочки:
Sц = Sцр + 2·с + с1 = 470+ 2 + 13 = 8 мм u=08 мм
б) для эллиптической крышки:
Sэр = Sэр кр + с + с1 = 2176 + 1 + 0824 = 4 мм u=04 мм
в) для эллиптического днища:
Sэр = Sэр дн +2·с + с1 = 532 + 2 + 268 = 10 мм u=08 мм
Таблица 3 Расчётная и исполнительная толщина стенок оболочки
Прибавка на коррозию с мм
Минусовой допуск u мм
Исполнительная толщина стенки Sц мм
Из условия прочности
Из условия устойчивости
Цилиндрическая часть
* Исполнительная толщина стенок стандартной теплообменной рубашки изготовленной из углеродистой стали не рассчитывается и определяется по таблице В.2.
1.5 Определение допускаемых давлений
Допускаемые внутренние давления рассчитываются для каждого элемента корпуса. Из полученных значений выделяется наименьшее которое принимается в качестве максимально допускаемого внутреннего давления для всего аппарата т.е. наиболее слабый элемент определяет работоспособность(несущую способность) всего аппарата.
Аналогично определяют допускаемое внутреннее давление для рубашки.
В качестве допускаемого наружного давления в корпусе аппарата принимается наименьшее значение допускаемого наружного давления для элементов корпуса под рубашкой и без нее а также максимального давления разрежения для уплотнения вала мешалки.
Расчет допускаемых внутренних давлений:
а) Для цилиндрической обечайки:
Для корпуса аппарата:
рр.в – расчетное внутреннее давление (см. табл. 2[1]) МПа;
[] – допускаемое напряжение (см. табл. 1[1]) МПа;
φ – коэффициент прочности сварного шва;
с – прибавка для компенсации коррозии мм;
u – минусовой допуск на стандартную толщину листа (см. табл.3[1]) мм;
Sц – исполнительная толщина мм.
б) Для эллиптической крышки (днища):
u – минусовой допуск на стандартную толщину листа (см. табл. 3[1]) мм;
Sэ – исполнительная толщина мм.
д) Для уплотнения вала мешалки:
Pmax – максимальное избыточное давление которое может обеспечить уплотнение в корпусе аппарата (Приложение Ж[1]).
Ри - избыточное давление в корпусе аппарата.
Расчет допускаемых наружных давлений:
Е – модуль продольной упругости материала оболочки при расчетной температуре (см. табл. Б4[1]) МПа;
рр.н – расчетное наружное давление (см. табл. 2[1]) МПа;
б) Для эллиптической оболочки:
Sэ – исполнительная толщина мм;
К = 09 – коэффициент приведения радиуса кривизны эллипса.
в) Для уплотнения вала мешалки:
Pa Poy– атмосферное и минимальное остаточное давление которое может выдержать уплотнение МПа;
Таблица 4 – Условные и допускаемые внутренние давления в аппарате МПа.
Таблица 5 – Допускаемые наружные давления МПа.
Не находящиеся под рубашкой
Находящиеся под рубашкой
1.6 Фланцевые соединения
Герметичность фланцевого соединения обеспечивается правильным подбором материала прокладки и учетом действующих усилий. Элементы фланцевого соединения (болты и прокладки) проверяются на прочность.
Рис.5 Расчетная схема фланцевого соединения: а) на стадии монтажа и герметизации (затяжки болтов); б) на стадии эксплуатации
Тип фланца: плоский приварной по ГОСТ 28759.2-90; тип затвора: шип-паз по ОСТ 26-2003-83 исполнение 2 и 3.
Податливость болтов соединения:
- приведенная длина для болтов.
- общая высота дисков фланцевого соединения.
h=45мм – высота диска фланца (см. табл. Г1 [1]);
sп =2 мм – толщина прокладки (см. табл. 14[1]);
dб=20 мм – наружный диаметр резьбы болта (см. табл. Г1 [1]);
Еб20=205000 МПа – модуль продольной упругости материала оболочки при температуре 20ºС (см. табл. Б4[1]);
zб=44 – число болтов (см. табл. Г1 [1]);
Аб=225 мм2 – минимальная площадь поперечного сечения болта (см. табл.15[1]).
Податливость прокладки:
где К0=1 – коэффициент обжатия (см. табл. 14[1]);
b=145 мм – ширина прокладки (см. табл. Г1 [1]);
Dп=1247 мм – наружный диаметр прокладки (см. табл. Г1 [1]);
Dпср=Dп –b=1247–145=12325 мм – средний диаметр прокладки;
Еб20=2000 МПа – модуль упругости материала прокладки при температуре 20ºС (см. табл.14[1]).
Коэффициент внешней нагрузки:
Усилие от давления рабочей среды:
Усилие в болтах от температурных деформаций элементов фланцевого соединения (в условиях эксплуатации):
Т.к. температура среды вне аппарата и температура рабочей среды =20°C
tф = 096·tр– температура фланцев;
tб =085·tр– температура болтов;
t0=20°C – начальная температура;
Еб20 Еб – модуль упругости материалов болтов при 20ºС и расчетной температуре (см. табл. Б3 [1]) МПа;
αф αб – коэффициенты линейного расширения материалов фланцев и болтов (см. табл. Б5[1]);
hф– общая высота дисков фланцевого соединения мм.
Усилие (расчетное) которое должно быть приложено к прокладке чтобы обеспечивалась герметичность в рабочих условиях:
где Кп=25 – коэффициент материала прокладки (см. табл. 14 [1]);
b0 – эффективная ширина прокладки:
т.к. b = 14.5 мм 15 мм b0 = b
Рис.6 График зависимости усилий на болтах Fб и прокладке Fп от давления ррв рабочей среды (усилия в болтах от температурных деформаций элементов не учитываются).
Усилие затяжки Fб1 действующее как на болты так и на прокладку при монтаже принимается из двух значений наибольшее:
где qmin– минимальная удельная нагрузка на контактной поверхности прокладки.
При действии рабочего давления усилие на болты возрастает:
Запас герметичности:
где [nг] =12– нормативный запас герметичности.
Запас герметичности получился меньше допустимого поэтому увеличим нагрузку на прокладку до 22.5 МПа и повторим соответствующие расчёты:
Условие герметичности фланцевых соединений выполняется.
Проверка прочности болтов в условиях монтажа:
где zб – число болтов (см. табл. Г1 [1]);
Аб – минимальная площадь поперечного сечения болта (см. табл. 15[1]) мм2;
[αб]20 – допускаемое напряжение в материале болтов при 20ºС (см. табл. Б3[1]) МПа.
Проверка прочности болтов в рабочих условиях:
[б] – допускаемое напряжение в материале болтов при рабочей температуре (см. табл. Б3[1]) МПа.
Проверка прочности материала прокладки:
- допускаемая удельная нагрузка на прокладку (табл. 14[1]) МПа.
Условие прочности выполняется.
1.7 Расчет опор и монтажных цапф аппарата
Максимальный вес аппарата Gmax рассчитывается с учетом веса всех составных частей аппарата и максимального веса среды.
где D – внутренний диаметр обечайки м;
ρст – плотность стали кгм3;
mЛ = 18 кг – масса люка (см. табл. В15[1]);
mФ=266.3 кг – масса люка (см. табл. Г3[1])
Вес теплообменной рубашки:
– примерная высота рубашки.
где Мпр = 309 кг – масса привода (см. табл. Ж9[1])
– коэффициент учитывающий наличие муфты вала мешалки уплотнения.
Максимальный вес среды: Vном= 1.25 м3
где ρ – плотность наиболее тяжелой среды (ρсреды > ρводы) кгм3;
Maксимальный вес аппарата:
Вес пустого аппарата:
Рабочий объём среды и рабочий вес аппарата:
– объем заполняемый эллипт. части днища аппарата
– объем заполняемый цилиндр. частью аппарата
– минимальная высота уровня жидкости в цилиндрической части аппарата;
– объем заполняемый эллипт. части крышки аппарата
где h=300 мм = 045 м; D=1.2 м (см. табл. В2[1]);
если то жидкость будет заполнять эллиптическую часть крышки; если то уровень жидкости будет ниже чем эллиптическая часть и тогда
где H=13 м (см. табл В2[1]);
– высота над цилиндрической частью занимаемой жидкостью;
Проверочный расчёт опор и цапф:
а) Выбранный типоразмер опоры и цапфы проверяется на грузоподъемность:
где zоп zц – число опор-стоек и число цапф соответственно;
Gр.оп Gр.ц – расчетные нагрузки на одну опору и цапфу Н;
[G][G]ц – допускаемая нагрузка на опору (см. табл. Д1[1]) и грузоподъемность цапфы (см. табл. В14[1]).
б) Проверка прочности бетона фундамента на сжатие:
где ф – напряжение в фундаменте под опорой МПа;
[]ф – допускаемое напряжение для бетона марки 200 при сжатии по ГОСТ 25192-82
Ап – площадь основания опоры (размеры ab см. табл. Д1[1]).
в) Прочность угловых сварных швов соединяющих ребра опор-лап с корпусом аппарата проверяют по условию:
– катет сварных швов;
- общая длина сварных швов;
– допускаемое напряжение для материала швов;
S и h – толщина и высота ребра (табл. Д1[1]);
Zр=2 – число ребер в опоре;
- напряжение среза в швах МПа;
- допускаемое напряжение материала опоры МПа;
– коэффициент прочности швов таврового сварного соединения двухсторонним угловым швом и при 50% контроля длины швов.
2 Элементы механического перемешивающего устройства
2.1 Расчет вала мешалки на прочность и виброустойчивость
А) Расчет вала на прочность
Выполняется лишь проверочный расчет вала из условия прочности кручения. При кручении опасным сечением вала является участок вала диаметром d1 в месте крепления ступицы мешалки ( рис 7).
При работе вал мешалки в месте ее закрепления испытывает кручение.
Расчетный максимальный крутящий момент с учетом пусковых нагрузок :
где КД – коэффициент динамичности нагрузки;
Nм – мощность потребляемая мешалкой на перемешивание Вт;
– угловая скорость вала мешалки радс;
n – частота вращения вала мешалки обмин.
Коэффициент КД определяется в зависимости от конструктивных особенностей мешалок и внутренних устройств аппарата. Для рамной мешалки КД =2.
Полярный момент сопротивления сечения вала Wр (мм3) в опасном сечении:
Где d1 – диаметр участка вала под ступицу определяется исходя из типа и диаметра мешалки dм (рис. Е.4[1]) мм.
Проверочный расчет вала заключается в проверке условия прочности на кручение:
– максимальные напряжения в сечении вала МПа
где []кр = 05·[] = 05112.5=5625 МПа – допускаемые напряжения на кручение.
. Условие прочности выполняется вал мешалки обладает достаточной прочностью на кручение.
Рис.7 Крепление ступицы к валу.
б) Расчет вала на виброустойчивость:
Под виброустойчивистью вала понимают его способность работать с динамическими прогибами не превышающими допускаемых значений. Динамические прогибы вала появляются в результате действия на вал неуравновешенных центробежных сил. Динамический прогиб направлен в сторону центробежной силы (рис. 8).
Рис.8 Зависимость динамических прогибов вала уД от угловой скорости ( -критическая скорость вала соответствующая прогибу уД.max).
Сущность проверочного расчета вала на виброустойчивость заключается в определении его критической угловой скорости в воздухе а затем в проверке условий виброустойчивости.
Рис.9 Схема к расчету вала на виброустойчивость
Длина консоли вала т.е. расстояние от нижнего подшипника до середины ступицы(рис. 9 а):
где Н=1300 мм – высота корпуса аппарата (см. табл. В2[1]);
h0 =50 мм – высота опоры для стойки привода (см. табл. В17[1]);
h1=256 мм – расстояние от нижнего подшипника до опоры под привод на крышке корпуса аппарата (см. табл. Ж4[1]);
hм– расстояние от днища корпуса до середины ступицы рамной мешалки (см. табл. Е4[1]).
Полная длина вала(рис. 9 в):
где l2=045 м – длина пролета т.е. расстояние между подшипниками (см. табл. Ж9[1]).
Относительные длины консоли 1 и пролета 2:
где ρст – плотность стали кгм3;
Коэффициенты приведения массы вала:
Правильность выполнения расчета контролируется по графику на рисунке 10.
Рисунок 10. Коэффициент приведения массы вала
Осевой момент инерции поперечного сечения вала:
Приведенная жесткость вала:
Приведенная суммарная масса мешалки и вала:
где mв – масса мешалки (см. табл. Е4[1]) кг.
Критическая угловая скорость вала в воздухе:
Виброустойчивость вала проверяем по условиям:
а) кр ≤ 07 – жесткий вал;
б) 13≤кр≤ 16 – гибкий вал:
Следовательно вал жесткий.
–угловая скорость вращения вала радс.
Предельная угловая скорость для жесткого вала:
Мешалки предварительно проверяют по допустимому крутящему моменту [T]кр ( см. табл. Е4[1]):
– условие выполняется
где Ткр max – расчетный максимальный крутящий момент.
Рисунок 11 – Схема к расчету стыковых швов рамных мешалок.
Расчет рамной мешалки. Размеры мешалок принимаются по нормативному документу АТК 24.201.17-90 (рис. Е.4[1]).
Расчетная толщина перекладины SЛР и ребра жесткости SРР:
Сила вызывающая изгиб лопасти:
- расчетный максимальный крутящий момент Н·м;
zл = 4 – число лопастей у мешалки
dМ = 095 м – диаметр мешалки.
Изгибающий момент Ми в месте приварки лопасти(перекладины) к ступице определяется с учетом условного радиуса приложения сосредоточенной гидродинамической силы:
где dс = 95 мм – диаметр ступицы (см. табл. Е5[1]).
Рекомендуемая высота сечения лопасти (перекладины) вместе с ребром жесткости:
Площади поперечных сечений лопасти (перекладины) и ребра жесткости:
где b=70 мм – ширина лопасти ребра жёсткости (см. табл. Е4[1]).
Расстояние между центрами тяжести сечений лопасти и ребра жесткости мм
Расстояние от начала координат системы Z -Y (центр тяжести лопасти) до центра тяжести всего сечения (точка С рис. 7) мм:
Осевой момент инерции сечения стыкового сварного шва для лопасти с ребром жесткости относительно нейтральной оси У’ мм4:
Координата опасных точек в которых действуют максимальные напряжения при изгибе:
Осевой момент сопротивления сечения стыкового шва:
Проверка прочности мешалки в месте приварки лопастей (перекладин) к ступице выполняется по условию прочности на изгиб:
– условие прочности выполняется.
-максимальное напряжение в материале шва;
[]-допускаемое напряжение для материала сварного шва;
[]-допускаемое напряжение для материала мешалки при расчетной температуре;
φ=08-коэффициент прочности стыкового сварного шва для таврового соединения двусторонним швом при сварке вручную.
2.3 Расчет шпоночного соединения ступицы мешалки с валом.
Крутящий момент с вала на ступицу мешалки передается при помощи призматической шпонки (рис. 12) размещенной в шпоночных пазах вала и ступицы. Боковые грани на половине своей высоты шпонки испытывают напряжения смятия см а продольное сечение – напряжения среза ср.
Рис.12 Схема к расчёту шпоночного соединения
Длины призматических шпонок назначают конструктивно с учетом высоты ступицы hс:
Сила вызывающая смятие:
где d1 = 0045 м – диаметр участка вала под ступицу мешалки.
Минимальная поверхность смятия определяется по формуле:
bht – (см. табл. 22[1] ) м.
Условие прочности шпонки на смятие:
где см – напряжение смятия на боковой поверхности шпонки Па;
[]см =15·[] – допускаемые напряжения на смятие материала шпонки МПа.
Т.к. лопасти мешалки заходят в крышку аппарата то их высоту уменьшаем до 700 мм.
В приводе 2 типа – фланцевая муфта. Муфты выбранные по диаметру вала при эскизной компоновке аппарата проверяются на нагрузочную способность по условию:
– расчетный крутящий момент на участке вала под муфту Нм;
– соответственно КПД подшипников уплотнения и муфты (табл. Ж.25[1]) вводимые в расчет с учетом схемы привода ( для типа привода 2 =1)
Тном – номинальный (допустимый) крутящий момент для выбранного типоразмера муфты (см. табл. Ж.20[1]) Нм.
В данной работе спроектирован аппарат имеющий следующие основные показатели надежности:
В ходе расчетов аппарат оценивался по критериям работоспособности:
прочность корпуса аппарата при рабочем давлении исполнительная толщина стенок крышки цил. обечайки и днища соответственно 4 8 и 10 мм. Условия прочности выполняются при рабочем давлении ррв = 060 МПа и остаточном ро = 0010 МПа предельно допустимые внутреннее рдоп.в. и наружное рдоп.н. давления равны соответственно 06 и 0097 МПа;
Герметичность обеспечивается усилием затяжки . При этом запас герметичности nг = условия прочности болтов в условиях монтажа и эксплуатации выполняются напряжения в материале болтов (сталь 12Х18Н10Т) равны соответственно 82648 МПа и 83303МПа при допускаемом напряжении 117 МПа; условие прочности материала прокладки выполняется удельная нагрузка q равна 1122 МПа при допускаемой удельной нагрузке 40 МПа;
Грузоподъемность опор-лап и цапф и устойчивость ребер опор. Выбранный типоразмер опор-лап и цапф можно выбрать так как расчетные нагрузки на одну опору G р.оп и цапфу G р.ц не превышают допустимых нагрузок на опору [G] и цапфу [G] ц (6769.66 Н и 5315.74 Н; 10 и 10 кН соответственно). Также выполняются условия прочности бетона фундамента;
прочность виброустойчивость. Условие прочности выполняется максимальные напряжения на кручение вала кр меньше допускаемых напряжений на кручение []кр (1175 МПа и 5625 МПа соответственно). Вал виброустойчив и работает в дорезонансной зоне (жесткий вал) предельная угловая скорость пр=радс;
прочности мешалки в месте приварки лопастей к ступице. Условие прочности на изгиб выполняется напряжения в материале швов (сталь 12Х18Н10Т) меньше допускаемых напряжений (0133 МПа и 13248 МПа соответственно);
прочность шпонки на смятие. Условие прочности выполняется напряжение смятия на боковой поверхности шпонки см меньше допускаемого напряжения [] (370582 МПа и 2484 МПа);
нагрузочная способность муфт. Выбранный типоразмер муфты (муфта фланцевая) можно выполнять так как расчетный крутящий момент на участке вала под муфту Tр.м.=21439 Н·м меньше номинального крутящего момента для данного типоразмера муфты Тном= 5000 Н·м.
Проведенные расчеты показали что аппарат будет способен пройти испытания Госгортехнадзора и функционировать в течение заданного срока службы при нормальной эксплуатации.
Далее приведены техническая характеристика аппарата и технические требования на изготовление и испытание.
Техническая характеристика аппарата:
Объем номинальный – 125 м3 объем рабочий – 121м3.
Среда в аппарате: уксусная кислота концентрацией 15 % плотностью 1020 кгм3 температурой 200С.
Срок службы аппарата 10 лет.
Наработка на отказ – 9787 часа.
Давление в корпусе рабочее: избыточное ри = 06МПа
остаточное ро = 001 МПа.
Давление в корпусе предельное:
внутреннее ррв = 06 МПа
наружное ррн = 07 МПа.
внутреннее рруб = 045 МПа
предельное ррн = 06 МПа.
Мощность электродвигателя:
номинальная N = 15 кВт
расчетная Nр = 124 кВт.
Привод: тип 2 исполнение 1 габарит 1
Частота вращения вала мешалки:
рабочая n = 100 обмин
предельная nпред = 287.3обмин
аппарата в рабочем состоянии не более 3т.
Технические требования на изготовление и испытания:
Аппарат изготовить и испытать в соответствии с ГОСТ 20680-2002 "Аппараты с механическими перемешивающими устройствами. Общие технические требования".
Аппарат подлежит регистрации в органах Ростехнадзора и должен соответствовать инструкции ПБ 03-576-03 "Правила устройства и безопасности эксплуатации сосудов работающих под давлением".
Аппарат подвергнуть гидравлическому испытанию пробным давлением: корпус-075 МПа рубашку-0563 МПа.
Материал корпуса аппарата внутренних устройств мешалки вала - легированная сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72; материал рубашки опор аппарата стойки привода – углеродистая сталь Ст3сп5 ГОСТ 380-2005 и крепежных изделий - сталь 40 ГОСТ 1050-88.
Допустимая скорость коррозии не более 01 мм в год для элементов аппарата не находящихся под рубашкой и 02 мм в год для элементов под рубашкой.
Торцовое уплотнение должно соответствовать требованиям ОСТ 26-01-88-87 "Уплотнения валов торцовые для аппаратов с перемешивающими устройствами. Общие технические требования".
Фланцевые соединения корпуса с крышкой аппарата и люка должны соответствовать ГОСТ 28759.5-90 "Фланцы сосудов и аппаратов. Технические требования".
Конструкции корпуса типа ВЭЭ исполнение 1 по ГОСТ 9931-85 штуцеров тип 1 по АТК 24.218.06-90 и ответных фланцев по ГОСТ 12820-80 мешалка по АТК 24.201.17-90
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
Луцко А.Н. Прикладная механика: учебное пособие А.Н. Луцко М.Д. Телепнев Н.А. Марцулевич [и др]; под общ. ред. Н.А. Марцулевича – Изд. 5-е исп. – СПб.: СПбГТИ(ТУ) 2013. – 273 с.

мешалка.cdw

* Размеры для справок.
Сварные швы по ГОСТ 5264-82-ТЗ
Болт поз. 5 повернуть и застопорить шайбой поз. 7

Чертеж12.cdw

-6Н.8.40.056 ГОСТ 5915-70
-6Н.10.12Х18Н10Т.056
-6Н.8.40.056 ГОСТ 11871-88
Шайба 16 65Г.029 ГОСТ 6402-70
Шайба 12 65Г.029 ГОСТ 6402-70
Шайба 16 30Х13.11. ГОСТ 6402-70
Шайба А.16.30Х13.016 ГОСТ 11371-78
Шайба Н.39.40.05 ГОСТ 11872-89
Шайба 20 30Х13.11 ГОСТ 6402-70
Уплотнение торцовое
Т3-50-6 АТК.24.201.13 -90
Вновь разрабатываемые изделия
Техническая характеристика аппарата
Среда в аппарате: уксусная кислота
Срок службы аппарата 10 лет.
Наработка на отказ - 978
Давление в корпусе рабочее:
Давление в корпусе предельное:
Мощность электродвигателя:
Частота вращени мешалки:
рабочая n = 100 обмин;
аппарата в рабочем состоянии не более 3 т.
Технические требования:
Аппарат изготовить и испытать в соответствии с
ГОСТ 20680-2002 "Аппараты с механическими перемешивающими
устройствами. Общие технические требования".
Аппарат подлежит регистрации в органах Ростехнадзора и
должен соответствовать инструкции ПБ 03-576-03 "Правила
устройства и безопасности эксплуатации сосудов
Аппарат подвергнуть гидравлическому испытанию пробным
Материал корпуса аппарата
внутренних устройств
вала - легированная сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72;
стойки привода-углеродистая
сталь Ст3сп5 ГОСТ 380-2005 и крепежных изделий - сталь 40
Допустимая скорость коррозии не более 0
Торцовое уплотнение должно соответствовать требованиям
ОСТ 26-01-88-87 "Уплотнения валов торцовые для аппаратов
с перемешивающими устройствами. Общие технические
Фланцевые соединения корпуса с крышкой аппарата и люка
должны соответствовать ГОСТ 28759.5-90 "Фланцы сосудов и
аппаратов. Технические требования".
Конструкции корпуса типа ВЭЭ
исполнение 1 по ГОСТ 9931-85
штуцеров тип 1 по АТК 24.218.06-90 и ответных фланцев по
мешалка по АТК 24.201.17-90
Для трубы передавливания
*Истинное расположение штуцеров и люка смотри на виде сверху

начало.docx

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
(Технический университет)»
УГНС 240300 Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий
(код) (наименование)
Направление подготовки бакалавра (Специальность) 240304
Технология пиротехнических средств
Факультет Механический
Учебная дисциплина Прикладная механика
Тема ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТА С МЕШАЛКОЙ
(подпись дата) (инициалы фамилия)
Руководитель Старший преподаватель Э.А.Павлова
(должность) (инициалы фамилия)
(подпись руководителя дата)
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА ..7
1.Выбор конструкционных материалов 8
2.Расчетная температура 9
3.Выбор допускаемых напряжений конструкционного материала ..10
4.Определение рабочего расчетного пробного и условного давлений ..12
5.Выбор и определение параметров комплектующих элементов .15
6.Оценка надежности выбранного варианта компоновки аппарата .17
1.Расчет элементов корпуса аппарата ..18
1.1 Определение коэффициентов прочности сварных швов и прибавки для компенсации коррозии 18
1.2 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия прочности 19
1.3 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия устойчивости 20
1.4 Определение исполнительной толщины стенок оболочек 22
1.5 Определение допускаемых давлений ..23
1.6 Расчет фланцевых соединений корпуса и люка .27
1.7 Расчет монтажных цапф корпуса и опор аппарата 31
2 Элементы механического перемешивающего устройства 34
2.1 Расчет вала мешалки на прочность и виброустойчивость ..34
2.2 Расчет мешалки 39
2.3 Расчет шпоночного соединения ступицы мешалки с валом 42
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ..48