Проектирование аппарата с мешалкой (стр. 9 из 10)
kd – коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения;
kFσ , kFτ - коэффициенты влияния шероховатости;
ψσ – коэффициент чувствительности материала к ассиметрии цикла по нормальным напряжениям;
ψτ – коэффициент чувствительности материала к ассиметрии цикла по касательным напряжениям.
Для материала вала привода (сталь 15Х5М) σв = 470 МПа
σ-1 = 470∙ 106 ∙ (0.55 – 0.047) = 236,4 МПа
τ-1 = 0.6 ∙ 236,4 = 141,8 МПа
ψσ = (0.02 + 2∙10-10 ∙ 470∙ 106) = 0,114
ψτ = 0.5 ∙ ψσ = 0,057
Значения коэффициентов [1, табл.17, с.66]:
kFσ = 1,1; kFτ = 1,05 kσ / kd = 3,06 ; kτ / kd = 1,84
Коэффициенты запаса по нормальным и касательным напряжениям:
; 
;Общий коэффициент запаса прочности:
, (104)где [S] = 2 – допускаемый коэффициент запаса прочности:
Условие (94) выполняется, коэффициент запаса прочности S = 4,27 > [S] = 2.
Предварительно выбранная мешалка проверяется по допустимому крутящему моменту:
TКР ≤ [T], (105)
где [T] – допускаемый крутящий момент.
В нашем случае при TКР = 658,9 Н · м и [T] = 1000 Н · м [1, таблица Е.2, с.164] условие (105) выполняется.
Проверка прочности мешалки в месте среза углового таврового сварного соединения диска мешалки со ступицей:
(106)
где τс – касательные напряжения в материале швов, Па; Fср – сила среза сварных швов, Н; Аш – суммарная площадь биссекторного сечения угловых швов, м2;
- допускаемое касательное напряжение для материалов швов, Па. 
(107)где φ=0,65 – коэффициент прочности сварного шва для таврового соединения двусторонним швом при сварке вручную.
[τ]’=0,65 · 146 = 94,9 МПа
Расчетная толщина перекладины SЛР и ребра жесткости SРР:
SЛР = SЛ – 2с (108)
SЛР = SЛ – 2с = 0,008 – 2·0,001 = 0,006 м
Рисунок 17. Схема к расчету угловых швов турбинной открытой мешалки
Сила среза сварного шва, Н:
, (109)где Ткр – расчетный крутящий момент, Н∙м; dс – диаметр ступицы
Суммарная площадь сечения двухстороннего шва:
(110)где k = 0,85 ∙ sд – катет сварных швов; sд= SЛ – толщина диска [1,таблица Е2, стр.164]
Аш = 2∙3,14∙0,11∙(0,7∙0,85∙0,008-0,001) = 2,6 ∙10-3 м2
Условие (106) выполняется.
3.2.3. Шпоночное соединение ступицы мешалки с валом
Крутящий момент с вала на ступицу мешалки передаётся при помощи призматической шпонки, размещённой в шпоночных пазах вала и ступицы. Боковые грани на половине своей высоты шпонки испытывают напряжения смятия σсм, а продольное сечение – напряжения среза τср. Шпонку рекомендуется изготавливать из того же материала, что и вал. Допускаемые напряжения [σ] принимают равными нормативным допускаемым напряжениям σ*.
Схема к расчёту шпоночного соединения
Рисунок 18
Для шпоночного соединения выполняется проверочный расчёт на смятие. Шпонка испытывает смятие с двух противоположных сторон: со стороны вала и со стороны ступицы.
Сила, вызывающая смятие:
, (111)где d1 – диаметр участка вала под ступицу мешалки.
При d1 = 0,06 м [1, таблица Е5, с.170] получим
21963 НПоверхность смятия определяется по формуле:
АСМ = (l - b)(h – t) (112)
где l, b, h1 – длина, ширина и высота шпонки, м;
t – глубина шпоночного паза на валу, м.
Принимаем l = 0,11 м, b = 0,018 м, h = 0,016 м, t = 0,01 м [1, таблица 18, с.74]
АСМ = (0,11 – 0,018)∙( 0,16– 0,01) = 552·10-6 м2
Условие прочности шпонки на смятие:
σСМ = FСМ / АСМ ≤ [σСМ], (113)
где σСМ – напряжение смятия на боковые поверхности шпонки, Па;
[σ]СМ = 1.5[σ] – допускаемые напряжения на смятие материала шпонки, Па.
[σ]СМ = 1.5 · [σ] = 1,5 · 146 · 106 = 219· 106 Па
σСМ = 21963 / (552 · 10-6) = 39,8 · 106 Па
Условие прочности шпонки на смятие (113) выполняется.
Муфта соединяет вал привода с валом мешалки и передает крутящий момент. В нашем случае применяется фланцевая муфта.
Муфты, выбранные по диаметру вала при эскизной компоновке аппарата, проверяются на нагрузочную способность по условию:
ТРМ = ТКР /( η2· η3)≤ Тном (114)
где ТРМ - расчетный крутящий момент на участке вала под муфту, Н·м;
η2 – КПД подшипников;
η3 – КПД уплотнения;
Тном – номинальный крутящий момент для выбранного типоразмера муфты, Н·м.
Для выбранной муфты Тном = 1000 Н·м, для торцевого уплотнения η3 = 0.99, η2 = 0,99 [1, таблица Ж11, с.188]
.
ТРМ = 658.9 / 0,99 ·0,99= 672 Н·м ≤ 1000 Н·м
Условие (114) выполняется.
1. Выполнив проверочные расчеты для исполнительных толщин стенок цилиндрической обечайки sц = 10 мм и эллиптической крышки sэ = 10 мм, конического днища sк = 10 мм мы получили:
Предельные внутренние давления:
для цилиндрической обечайки:
Pдоп.в = 1,04 МПа при рабочем давлении Ррв = 0,8 МПа.
для эллиптической крышки:
Pдоп.в = 0,05 МПа при рабочем давлении Ррв = 0,8 МПа.
для конического днища:
Pдоп.в = 0,81 МПа при рабочем давлении Ррв = 0,8 МПа.
для штуцеров и люка Pдоп.в = 1,0 МПа
Таким образом:
- условие прочности корпуса при рабочем давлении выполнено;
- предельно допустимое внутреннее давление для корпуса: Pдоп.в =0,81 МПа.
Предельные наружные давления:
для цилиндрической обечайки:
Pдоп.н =0.16 МПа при рабочем давлении Ррв = 0.05 МПа.
для эллиптической крышки:
Pдоп.н =0,46 МПа при рабочем давлении Ррв = 0.05 МПа.
для эллиптического днища:
Pдоп.н = 0.44 МПа при рабочем давлении Ррв =0.05 МПа.
Таким образом:
- условие устойчивости корпуса при рабочем давлении выполнено;
- предельно допустимое наружное давление для корпуса будет: Pдоп.н =0.16 МПа.
2.Укрепление отверстий:
Наибольший диаметр отверстия не требующий дополнительного укрепления d0=153 мм.
Отверстие люка диаметром 400 мм укрепляется дополнительно накладным листом в виде кольца толщиной 10 мм и шириной 150мм.
3. Фланцевые соединения:
Проверка на прочность болтов М20 показала: напряжения возникающие в болтах при монтаже σБ1 = 49,9 МПа и рабочих условиях σБ2 = 51,7 МПа меньше предельных напряжений для данного материала [σ]Б = 230 МПа.
Проверка на прочность прокладки из ПОН толщиной 3 мм показала: нагрузка на прокладку q = 10 МПа меньше допустимой нагрузки для данного материала [q]=130МПа.
4. Опоры:
Проверка на грузоподъёмность
Нагрузка на одну опору – лапу G1 =25,8 · 103 Н при грузоподъемности [G] = 40 кН
Нагрузка на одну цапфу (zЦ = 2):
G2 = 9,8 · 103 Н. меньше допустимой нагрузки [G] = 40 кН - можно выполнить цапфы выбранного габарита.
Проверка прочности сварных швов:
Напряжение в срезах шва τС = 4,1 МПа меньше допустимого напряжения для данного материала [τ]Ш = 98,8 МПа – швы прочные.
Прочность бетона фундамента:
Допускаемое напряжение для бетона марки 200 ГОСТ 25192-82 при сжатии составляет [σ]Ф = 11 МПа [1, с.55].
Проверка прочности для опоры – лапы
5. Вал мешалки:
Проверка на прочность при кручении:
Напряжения сдвига возникающие в поперечном сечении вала τКР = 15,5 · 106 Па не превышают допускаемого значения [τ]КР = 73 МПа – прочность вала обеспечена.
Проверка на усталость:
Коэффициент запаса прочности S = 4,27 > [S] = 2.
Проверка вала на виброустойчивость:
Т. к. рабочая скорость вращения вала равна ω = 16,75 рад/с, а критическая скорость вращения - ωКР = 24.27 рад/с, то вал жесткий.
ω / ωКР = 0,69
6. Мешалка:
Касательные напряжения возникающие в материале шва мешалки τ = 4,6 · 106 Па
меньше допустимых напряжений [τ]’ = 94,9 · 106 Па – мешалка работоспособна.
7. Шпоночное соединение ступицы с валом:
Напряжения смятия боковой поверхности шпонки σСМ = 39,8 · 106 Па меньше допустимых напряжений на смятие для данного материала [σ]СМ = 219 · 106 Па
– шпонка будет жесткой при данной конструкции ступицы.