Расчет обечаек, нагруженных наружным избыточным давлением

Аппарат вертикальный

С турбинной мешалкой

 

 

АВТ 022.00. 00. ПЗ

Пояснительная записка к курсовому проекту

по деталям машин

 

 

Разработал студент группы _________ __________________________

 

Проверил ______________________________________________________

 

 

Казань 2016г.

Задание на проектирование

Таблица 1.Параметры проектируемого аппарата.

№	Характеристика аппарата	Давление в аппарате, МПа	Давление в рубашке, МПа
Внутренний объем, м^3	Внутренний диаметр, мм	Тип	Исполнение
	1,6		ВЭЭ		0.6	0,6

№	Параметры среды	Параметры мешалки
Наимено-вание	Темпера- тура	Концен-трация, %	Диаметр, мм	Частота враще-ния, об/мин	Мощ-ность на валу, кВт	Тип
	глицерин					4,5	Турбин-ная

 

1. Выбор и расчет элементов корпуса

Цилиндрические обечайки

Расчет на прочность и устойчивость проводится по ГОСТ 14249-89.

1.1.1. Расчет обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлением

Толщина стенки определяется по формуле

Допустимое внутреннее избыточное давление ,

где Р-давление в аппарате, МПа; S_R-расчетное значение толщины стенки, мм; D-внутренний диаметр обечайки, мм; -допускаемое напряжение, МПа(зависит от марки стали и рабочей температуры).

Марку стали выбирают в зависимости от свойств перерабатываемой среды. Для стыковых и тавровых двусторонних швов, выполняемых автоматической сваркой, коэффициент прочности сварного шва , для тех же швов, выполняемых вручную, .

Прибавка на коррозию С определяется по формуле С=V∙T, где V-скорость коррозии(обычно принимают 0,1-0,2 мм/год), Т-срок службы аппарата(обычно принимают 10-12 лет). Для материалов, стойких к перерабатываемой среде, при отсутствии данных о проницаемости рекомендуют принимать С=2 мм.

Согласно таблице коррозионной стойкости материалов для глицерина выбираем марку стали О8Х18Н10Т, которая к данной среде устойчива к коррозии даже при 120°С.Нормативное допускаемое напряжение для данной стали возьмем при 150°С

=120 МПа. Коэффициент прочности сварного шва примем .

мм

Срок службы 10 лет. Скорость коррозии 0,2 мм/год. Прибавка на коррозию С=V∙T=0,2∙10=2 мм/год

; . Толщину стенки, вычисленную по этой формуле, округляют в сторону увеличения до ближайшей стандартной толщины листа (4, 6, 8, 10, 12, 14, 18, 20 мм). Примем S=6 мм.

Условие надежной эксплуатации (0,6МПа <0,68 МПа) соблюдается.

Расчет обечаек, нагруженных наружным избыточным давлением

Расчет обечаек, нагруженных наружным избыточным давлением, заключается в определении допускаемого наружного давления, т.к толщина стенки обечайки была определена ранее.

Допускаемое наружное давление: , где допускаемое давление, соответствующее условию прочности .

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругих деформаций , где Е-модуль упругости, n_и – коэффициент устойчивости(для рабочих условий n_и=2,4), l_R-расчетная длина обечайки. Для аппаратов типа ВЭЭ: , где l -длина цилиндрической части корпуса; h_ц – высота отбортовки днища, H_D-высота днища.

Е=1,99∙10⁵ МПа

l =575 мм

H_D=350 мм

h_ц =25 мм

Т.к , то увеличиваем толщину стенки до 10мм. Тогда ,

Условие надежной эксплуатации (0,6МПа < 0,69МПа) соблюдается.

 

1.2. Днища и крышки приварные

Толщина стенки эллиптического днища, нагруженного внутренним давлением определяется по формулам

. Тогда

Примем S=6 мм.

Толщина днища, нагруженного наружным давлением определяется по формулам

.Тогда

Примем S=6 мм.

Толщину необходимо проверить по формуле . В этом случае допускаемое наружное давление из условия прочности , а допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругих деформаций .

Условие надежной эксплуатации (0,6 МПа < 0,79 МПа) соблюдается.

 

 

Расчет элементов рубашки

Толщину стенки цилиндрической части рубашки определяют по формуле

. Эллиптическое днище рассчитывают по формуле

. В качестве расчетного давления принимают давление в рубашке. Для корпусов с внутренним диаметром D ≤ 1800 мм диаметр рубашки принимают больше диаметра D на 100 мм.

,

Примем S=6 мм.

Допустимое внутреннее избыточное давление ,

Условие надежной эксплуатации (0,6 МПа < 0,68 МПа) соблюдается.

 

Крышки отъемные

Отъемные крышки присоединяются к корпусу аппарата с помощью фланцев.

Эллиптические крышки состоят из стандартных днищ, сваренных со стандартными фланцами. При определении толщины стенки эллиптической крышки используют формулу

,

. Примем S=6 мм.

Допустимое внутреннее избыточное давление ,

Условие надежной эксплуатации (0,6 МПа < 0,68 МПа) соблюдается.

 

Фланцевые соединения

Выбираем фланцы плоские приварные с гладкой уплотнительной поверхностью, т.к их применяют при Р ≤ 2.5 МПа и t ≤ 300°С

(0,6 МПа<2.5 МПа и 150°С< 300°С). Размеры фланцев выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению:

 

Таблица 2.Фланцы для аппаратов стальные плоские приварные исполнения 2

(с гладкой исполнительной поверхностью ОСТ 26-426-82).

D, мм	Ру, МПа	Размеры, мм	Число отверстий, z
Dф	Dб	D1	h	s	d
	0,6

Примечание: d_б=М20

Рис.1. Фланец с гладкой уплотнительной поверхностью.

 

Для уплотнения во фланцах применяют прокладки различной конструкции. Плоские неметаллические прокладки применяют для уплотнения гладких поверхностей фланцев. Выберем прокладки из асбестового картона, т.к их применяют в диапазоне температур до 550°С и давлении до 1,6 МПа. Размеры прокладок выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению:

Таблица 3. Прокладки из неметаллических материалов для стандартных фланцевых соединений стальных аппаратов(ОСТ 26-430-79).

D, мм	Dn для прокладок на 0.6 МПа, мм	dn для прокладок на 0.6 МПа, мм

Толщина прокладок из асбестового картона h=2 мм.

Рис.2.Конструкция неметаллической прокладки.

 

Фланцы и прокладки, подобранные по стандартам в расчете не нуждаются.

При конструировании аппаратов выполняется проверочный расчет болтов в соответствии с ОСТ 26-373-82 по следующей методике:

1. Определим нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего давления Р: , где средний диаметр прокладки .

2. Реакция прокладки , где b₀ -эффективная ширина прокладки(b₀ =0,5 b_n -при ширине прокладки b_n =0,5(D_n-d_n) ≤15мм и при b_n >15мм), m=2,5 для прокладок из асбеста.

B_n =0,5(D_n-d_n)=0,5(1447-1417)=15мм, значит

3. Определим болтовую нагрузку при сборке . Это значение выбирают наибольшим из трех.

а) , где q=20 МПа – для асбеста.

б) , где -допускаемое напряжение для материала болта при 20°С, -площадь поперечного сечения болта(мм²), -число болтов, равное числу отверстий Z во фланце. Материал болтов сталь О8Х18Н10Т.

в)

Выбираем .

Проверяем прочность болтов при монтаже по условию: N_Б=52

4.

5. Проверяем прочность болтов в период эксплуатации по условию: , где ,болтовая нагрузка в рабочих условиях .

Т.к. условие прочности болтов в период эксплуатации не выполняется, увеличиваем число болтов до 56, тогда

 

 

1.6. Выбор штуцеров

Выбираем штуцера с плоскими приваренными фланцами(гладкая уплотнительная поверхность),т.к их применяют при t≤300°С и давлении до 1,6 МПа. Размеры штуцеров выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению:

 

 

Таблица 4. Диаметры условного прохода и установочные размеры штуцеров.

Внутренний диаметр аппарата, мм

Диаметры условного прохода Dу, мм

Установочные размеры, мм

А

Б

В

Г

Д

Е

Ж

И

К,К1

Л

М

D2

R1

R2

l 1

 

 

Таблица 5. Размеры штуцеров с фланцами стальными плоскими приварными(ОСТ 26-1404-76).

 

Ру, МПа	Dу, мм	dт, мм	Размеры, мм	Число отверстий, z	Sт, мм	Нт, мм	Н, мм
Dф	Dб	D1	h	d
0,6

 

 

 

Таблица 6. Диаметр резьбы болтов(шпилек) штуцерных фланцев.

d, мм
dб, мм	М12	М16

 

 

Рис.3.Расположение штуцеров на эллиптической крышке при D=1400-1600мм.

 

Рис.4.Расположение штуцеров на эллиптическом днище.

 

 

Рис.5. Конструкция штуцера с плоским приваренным фланцем.

 

1.7. Опоры аппаратов

1. Количество опор – 2(лапы-опоры 1 типа для аппаратов с рубашками без теплоизоляции).

2. Вес металла, из которого изготовлен аппарат: ,

где внутренняя поверхность корпуса F=6,77м², S=0,01м-исполнительная толщина стенок, -удельный вес металла. Коэффициент 1,1 учитывает вес фланцев, штуцеров и т.д.

3. Вес металлоконструкций, установленных на крышке аппарата:

4. Вес воды, заполняющей аппарат при гидравлических испытаниях:

, где V=1,6м³-внутренний объем аппарата, -удельный вес воды.

5. Максимальная нагрузка на одну опору: , где z=2-число опор, (при z=2).

Выбираем опоры по условию :

Таблица 7. Основные размеры(в мм)опор(лап) для вертикальных аппаратов, ОСТ 26-665-79.

Q, кН	а	а1	в	h	h1	S	К	K1	d	dб	f мах
										М20

Рис.6. Конструкция лап.

Выбор типа мотор-редуктора

Номинальная мощность электродвигателя должна быть не менее потребляемой: , где -мощность электродвигателя, кВт, -мощность на валу мешалки, кВт. По таблице 27 по частоте вращения тихоходного вала n=135об/мин определяем, что мотор-редуктор типа ВОМ. Значения КПД элементов привода: -КПД механической передачи редуктора, -КПД подшипников качения, в которых крепится вал мешалки, -КПД, учитывающий потери мощности в торцевом уплотнении, -КПД, учитывающий потери в компенсирующих муфтах.

. Выбираем мотор-редуктор

ВОМ-II (мощность 4,5 кВт).

 

Таблица 8. Технические данные мотор-редуктора ВОМ-II

Число оборотов тихоходного вала, об/мин	Мощность Р, кВт	Передаточное число	Типоразмер комплектующего электродвигателя
	4,5	5,5	4А132M6

 

Таблица 9. Основные размеры (в мм) мотор-редуктора:

D1	D	D2	D3	D4	S	L1	L2	L	d2	h1	d1
									М12

 

Таблица 10. Габаритные размеры (в мм) двигателей серии 4А по

ГОСТ 19523-81:

Типоразмер двигателя	132S
Lдв
Dдв

Рис.7. Мотор-редуктор ВОМ.

 

Выбор типа муфты

1. Угловая скорость вращения вала: , где n-частота вращения мешалки.

2. Вращающий момент на валу: , где Р - мощность на валу мешалки, кВт.

3. Величина расчетного момента: , где -коэффициент режима работы, учитывающий условия эксплуатации( для рамных и лопастных мешалок).

Выбираем продольно-разъемную муфту:

Таблица 11. Основные размеры продольно-разъемных муфт

(ГОСТ 21424-75),

d=40мм d1=115мм T=400 Нм d2=32мм d3 =38мм H=140мм H =58мм H =20мм H3=20мм H4=5мм H5=4мм d4=95мм d5 =75мм d6=M10 Масса 5,5кг

 

Рис.8. Конструкция продольно-разъемной муфты.

 

Выбор стойки и опоры

По диаметру D расположения центров отверстий в опорном фланце(опорной поверхности) мотор-редуктора выбирают стойку, у которой центры отверстий в верхней опорной поверхности выполнены на том же диаметре D. Опору с помощью шпилек и гаек соединяют со стойкой. Поэтому диаметр центров отверстий под шпильки, выполненных на нижней опорной поверхности стойки, должен быть согласован с диаметром центров отверстий с резьбой в опоре.

Таблица 12. Размеры стойки под редуктор (в мм):

№ стойки	D0	D1		D2	D3	D	B	Н	h	h1	S

Примечание: Высота стоек Н принимается конструктивно, поэтому в таблице указана минимальная высота Н.

Таблица 13. Размеры опоры под стойку (в мм):

№ опоры	d	D	D1	D2			B	d1	h	h1

Рис.9. Стойка под редуктор.

Рис.10. Опора под стойку.

 

 

Выбор уплотнения

Выбираем торцевое уплотнение (торцевые уплотнения применяются при переработке кислых и щелочных, пожаро-взрывоопасных сред при давлении до 2,5 МПа), т.к среда пожароопасная, а давление 0,6 МПа.

В опоре предусмотрен ряд отверстий с резьбой М16 для установки уплотнения. Геометрические размеры уплотнения подбираются по диаметру вала в месте его входа в крышку и по диаметру центров отверстий с резьбой в опоре, который должен быть равен диаметру D₁ в уплотнении.

 

Таблица 14. Параметры и размеры торцевых уплотнений (в мм),

ОСТ 26-01-1243-81:

Тип уплотнения	Р, МПа	d	D	D1	D2	Н	Н1	h	Масса. кг
УТ 50-16	1,6								10,4

Рис.11. Конструкция торцевого уплотнения.

 

3. Проектирование и расчет перемешивающего устройства

Проектный расчет вала

Расчет выполняется по напряжениям кручения. Целью расчета является определение наименьшего диаметра вала. Исходными данными являются мощность на валу и частота вращения мешалки.

Угловая скорость вала: , где n-частота вращения мешалки.

Вращающий момент на валу: ,

 

где Р - мощность на валу мешалки, кВт.

Наименьший диаметр вала: . Здесь .

Проверочный расчет вала

Основными критериями работоспособности валов перемешивающих устройств является виброустойчивость и прочность.

 

Выбор расчетной схемы

Выбираем жесткое соединение валов мотор-редуктора и мешалки продольно-разъемной муфтой. Т.к при этом вал опирается на один радиальный подшипник качения, установленный в стойке привода, то такому конструктивному решению соответствует расчетная схема 1.

 

Расчет на виброустойчивость

1. Масса единицы длины вала: , где -плотность материала вала, d-диаметр вала в месте установки уплотнительного устройства, м.

2. Момент инерции поперечного сечения вала ,

3. Коэффициенты: , , где М_м – масса мешалки, кг; , L-значение длины соответствующих участков вала в метрах. ,

4. Определим коэффициент Критическая скорость вала , где -модуль продольной упругости вала.

5. Проверка выполнения условия , <

 

 

3.5.4 Расчет на прочность

1. Эксцентриситет центра массы перемешивающего устройства , где -диаметр мешалки, м. м.

2. Приведенная масса мешалки и вала , где -коэффициент приведения распределенной массы вала к сосредоточенной массе мешалки. Для расчетной схемы 1 ,

3. Центробежная сила , где - радиус вращения центра тяжести приведенной массы.

4. Радиальные реакции в опорах , , ,

5. Построим эпюры изгибающих и крутящих моментов и определим величины изгибающих моментов в опасном сечении вала.

Рис.15. Эпюры изгибающих и крутящих моментов.

 

 

1 участок:

2 участок:

Для расчетной схемы 1 опасным является сечение под опорой В.

 

6. Напряжение изгиба и кручение в опасном сечении: ,

 

7. Расчет эквивалентного напряжения и проверка условия: . Значение допускаемого напряжения рассчитывается по формуле: , где -коэффициент концентрации напряжения, -минимальный запас прочности вала (ориентировочно =2), -предел выносливости материала. . Для 1 расчетной схемы в сечении с подшипником =1,5-2. Для О8Х18Н10Т

Проверочный расчет шпонок

Призматические шпонки проверяют на смятие. Проверке подлежат 2 шпонки- в месте посадки полумуфты и в месте посадки мешалки. Условие прочности , где d-диаметр вала в месте установки шпонки, -рабочая длина шпонки со скругленными торцами, мм, =80-150 Н/мм²-допускаемое напряжение на смятие, -стандартные размеры.

Таблица 23. Шпонки призматические, мм, ГОСТ 23360-78.

Диаметр вала d	Сечение шпонки	фаска	Глубина паза	Длина l
в	h	t1	t2
			0,4-0,6		3,3	22-110
			0,4-0,6	5,5	3,8	36-160

Рис.15. Шпонка призматическая.

Выберем длину шпонок 60 мм.

1. при диаметре вала 40 мм:

2. при диаметре вала 45 мм

 

Аппарат вертикальный

С турбинной мешалкой

 

 

АВТ 022.00. 00. ПЗ

Пояснительная записка к курсовому проекту

по деталям машин

 

 

Разработал студент группы _________ __________________________

 

Проверил ______________________________________________________

 

 

Казань 2016г.

Задание на проектирование

Таблица 1.Параметры проектируемого аппарата.

№	Характеристика аппарата	Давление в аппарате, МПа	Давление в рубашке, МПа
Внутренний объем, м^3	Внутренний диаметр, мм	Тип	Исполнение
	1,6		ВЭЭ		0.6	0,6

№	Параметры среды	Параметры мешалки
Наимено-вание	Темпера- тура	Концен-трация, %	Диаметр, мм	Частота враще-ния, об/мин	Мощ-ность на валу, кВт	Тип
	глицерин					4,5	Турбин-ная

 

1. Выбор и расчет элементов корпуса

Цилиндрические обечайки

Расчет на прочность и устойчивость проводится по ГОСТ 14249-89.

1.1.1. Расчет обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлением

Толщина стенки определяется по формуле

Допустимое внутреннее избыточное давление ,

где Р-давление в аппарате, МПа; S_R-расчетное значение толщины стенки, мм; D-внутренний диаметр обечайки, мм; -допускаемое напряжение, МПа(зависит от марки стали и рабочей температуры).

Марку стали выбирают в зависимости от свойств перерабатываемой среды. Для стыковых и тавровых двусторонних швов, выполняемых автоматической сваркой, коэффициент прочности сварного шва , для тех же швов, выполняемых вручную, .

Прибавка на коррозию С определяется по формуле С=V∙T, где V-скорость коррозии(обычно принимают 0,1-0,2 мм/год), Т-срок службы аппарата(обычно принимают 10-12 лет). Для материалов, стойких к перерабатываемой среде, при отсутствии данных о проницаемости рекомендуют принимать С=2 мм.

Согласно таблице коррозионной стойкости материалов для глицерина выбираем марку стали О8Х18Н10Т, которая к данной среде устойчива к коррозии даже при 120°С.Нормативное допускаемое напряжение для данной стали возьмем при 150°С

=120 МПа. Коэффициент прочности сварного шва примем .

мм

Срок службы 10 лет. Скорость коррозии 0,2 мм/год. Прибавка на коррозию С=V∙T=0,2∙10=2 мм/год

; . Толщину стенки, вычисленную по этой формуле, округляют в сторону увеличения до ближайшей стандартной толщины листа (4, 6, 8, 10, 12, 14, 18, 20 мм). Примем S=6 мм.

Условие надежной эксплуатации (0,6МПа <0,68 МПа) соблюдается.

Расчет обечаек, нагруженных наружным избыточным давлением

Расчет обечаек, нагруженных наружным избыточным давлением, заключается в определении допускаемого наружного давления, т.к толщина стенки обечайки была определена ранее.

Допускаемое наружное давление: , где допускаемое давление, соответствующее условию прочности .

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругих деформаций , где Е-модуль упругости, n_и – коэффициент устойчивости(для рабочих условий n_и=2,4), l_R-расчетная длина обечайки. Для аппаратов типа ВЭЭ: , где l -длина цилиндрической части корпуса; h_ц – высота отбортовки днища, H_D-высота днища.

Е=1,99∙10⁵ МПа

l =575 мм

H_D=350 мм

h_ц =25 мм

Т.к , то увеличиваем толщину стенки до 10мм. Тогда ,

Условие надежной эксплуатации (0,6МПа < 0,69МПа) соблюдается.

 

1.2. Днища и крышки приварные

Толщина стенки эллиптического днища, нагруженного внутренним давлением определяется по формулам

. Тогда

Примем S=6 мм.

Толщина днища, нагруженного наружным давлением определяется по формулам

.Тогда

Примем S=6 мм.

Толщину необходимо проверить по формуле . В этом случае допускаемое наружное давление из условия прочности , а допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругих деформаций .

Условие надежной эксплуатации (0,6 МПа < 0,79 МПа) соблюдается.

 

 

Расчет элементов рубашки

Толщину стенки цилиндрической части рубашки определяют по формуле

. Эллиптическое днище рассчитывают по формуле