Вертикальный аппарат с приводом и мешалкой

Оглавление

I. Введение 6

II. Кинематический расчет приводных устройств и выбор электродвигателя 7

1) Определение требуемой мощности 7

2) Подбор электродвигателя 8

3) Общее передаточное отношение привода 8

4) Определение силовых и кинематических параметров привода 8

а) Вал электродвигателя 8

б) Ведущий вал редуктора 9

в) Ведомый вал редуктора 9

III. Расчет клиноременной передачи 9

1) Диаметр меньшего шкива 10

2) Диаметр большего шкива 10

3) Выбор сечения ремня 10

4) Уточненное передаточное отношение 10

5) Определение межосевого расстояния 10

6) Определение расчетной длины ремня 11

7) Уточненное значение межосевого расстояния 11

8) Определение угла обхвата меньшего шкива 11

9) Определение числа ремней в передаче 12

10) Натяжение ветви клинового ремня 12

11) Сила, действующая на валы 12

12) Определение ширины обода шкива 13

IV. Расчет конической зубчатой передачи 13

1) Выбор материала и расчет допускаемого контактного напряжения 13

2) Расчет допускаемого напряжения при проектировочном расчете 13

3) Проектировочный расчет геометрических параметров передачи 14

а) Внешний делительный диаметр колеса 14

б) Число зубьев шестерни и колеса 15

в) Угол делительного конуса колеса и шестерни 15

г) Внешний окружной (торцовый) модуль 15

д) Внешний делительный диаметр шестерни 15

е) Внешнее конусное расстояние 15

ж) Ширина зуба шестерни и колеса 15

з) Среднее конусное расстояние 15

и) Средний делительный диаметр шестерни 15

к) Средний делительный диаметр колеса 15

л) Средний окружной модуль 16

м) Внешняя высота зуба 16

н) Внешняя высота головки зуба 16

о) Внешняя высота ножки зуба 16

п) Угол ножки зуба 16

р) Угол головки зуба 16

с) Внешний диаметр вершин зубьев шестерни 16

т) Внешний диаметр вершин зубьев колеса 16

у) Коэффициент ширины шестерни по внешнему делительному диаметру 16

ф) Средняя окружная скорость колес 16

4) Проверочный расчет по контактным напряжениям 16

5) Проверка зубьев конических прямозубых колес на выносливость по напряжениям изгиба 17

6) Силы в зацеплении 19

V. Предварительный расчет валов редуктора 19

1) Определение диаметра выходного конца вала 20

2) Определение диаметра вала между концевой частью и подшипником 20

3) Определение диаметра вала под подшипником 20

4) Определение диаметра буртика 20

5) Определение диаметра вала под ступицей 21

6) Определение диаметра резьбовой части вала 21

VI. Определение размеров зубчатых металлических колес 21

1) Диаметр ступицы стальных колес 21

2) Длина ступицы 21

3) Толщина обода конических колес 22

4) Толщина диска конических колес 22

VII. Подбор и расчет шпоночных соединений валов и зубчатых колес 22

1) Выбор шпонки для шестерни 22

а) Подбор шпонки 22

б) Проверка шпоночного соединения на смятие 23

в) Проверка шпонки на срез 23

2) Выбор шпонки для колеса 23

а) Подбор шпонки 23

б) Проверка шпоночного соединения на смятие 23

в) Проверка шпонки на срез 24

VIII. Подбор стандартных изделий для фиксации колеса на валу 24

1) Подбор стопорной многолапчатой шайбы 24

2) Подбор круглой гайки шлицевой 24

3) Подбор винта для крепления лабиринтного уплотнения к колесу 24

IX. Подбор подшипников 25

X. Конструирование корпуса редуктора 26

1) Толщина стенки корпуса и крышки одноступенчатого конического редуктора 26

2) Толщина верхнего пояса (фланца) корпуса 27

3) Толщина нижнего пояса (фланца) крышки корпуса 27

4) Толщина нижнего пояса корпуса 27

5) Толщина ребер основания корпуса 27

6) Толщина ребер крышки 27

7) Наименьший зазор между наружной поверхностью колеса и стенкой корпуса 27

8) Диаметр фундаментных болтов c учетом размеров стойки для привода 27

9) Диаметр болтов у подшипников ведомого вала 27

10) Диаметр болтов, соединяющих основание корпуса с крышкой 27

11) Подбор шайб пружинных 28

XI. Крышки узлов подшипников качения 28

1) Подбор торцовой глухой крышки 28

2) Подбор крышки торцовой с отверстием для манжетного уплотнения 29

3) Подбор болтов для крепления крышек 29

4) Подбор пружинных шайб 29

5) Подбор манжеты 29

XII. Смазывание редуктора 29

1) Выбор условий смазки редуктора 29

2) Выбор сорта и марки масла 29

XIII. Выбор муфты 30

1) Расчет муфты 30

2) Подбор шпонки 31

3) Проверка шпоночного соединения на смятие 31

4) Проверка шпонки на срез 31

5) Подбор шпильки с ввинчиваемыми концами нормальной точности 31

6) Подбор шайбы пружинной 31

7) Подбор шестигранной гайки нормальной точности 31

XIV. Допуски и посадки 32

1) Посадка муфты на вал 34

2) Посадка ступицы шестерни на вал 34

3) Посадка ступицы колеса на вал 35

4) Отверстия под подшипники 36

5) Валы под подшипники 36

XV. Расчет ведомого вала на выносливость 36

XVI. Список литературы 41

 

 

 

1. Введение

 

В химической промышленности осуществляется множество различных  технологических процессов, в которых  применяют емкостные химические аппараты с мешалкой, работающие под  давлением. Они предназначены для  проведения химических реакций, а также  испарения, растворения, кристаллизации, конденсации и других процессов  с обеспечением перемешивания компонентов.

Химические аппараты обычно имеют цилиндрическую форму, так  как она рациональна с точки  зрения восприятия давления и обеспечения  герметичности аппарата. Наибольшее распространение получили аппараты вертикального расположения. Подобный аппарат состоит из цилиндрической части-обечайки и приваренного к  ней днища конической, сферической  или эллиптической формы. Плоские  днища применяют при внутреннем диаметре аппарата менее 500 мм.

Съемной частью аппарата является крышка, изготавливаемая вместе с  днищем из материала обечайки, и  имеющая также сферическую, цилиндрическую или плоскую форму. Герметичное  присоединение крышки к аппарату осуществляется с помощью фланцев.

Для присоединения к аппаратам  трубопроводов и контрольно-измерительных  приборов, а также для установки  предохранительных приборов используются фланцевые штуцеры.

Для осмотра и чистки аппарата, а также для сборки и разборки внутренних устройств служат люки, расположенные на боковой поверхности  аппарата. Люки располагаются в верхней  части обечайки. Штуцер, вваренный  в днище, служит для выгрузки готового продукта. Установка аппарата на фундаменте осуществляется с помощью опор.

Вращение вала мешалки  осуществляется приводом, состоящим  из электродвигателя, клиноременной  передачи и редуктора, которые закреплены на стойке, расположенной над аппаратом. Стойка крепится с помощью болтов к опорной плите, приваренной  к крышке.

Вал мешалки вводится в  аппарат через обеспечивающие герметичность  уплотнители. Под действием инерционных  сил нагрузок нижняя часть вала мешалки  может отклоняться от вертикальной оси. Этому препятствует установленная  внутри аппарата концевая опора вала.

Расчетный срок службы аппаратов  химического производства составляет 10-12 лет. Раз в 3 года аппарат подвергается внутреннему осмотру, а в 6 лет  – гидравлическим испытаниям.

Условие обеспечения работоспособности аппарата

1) Прочность при нагружении корпуса аппарата внутренним давлением газообразной или жидкой среды.

2) Устойчивость геометрической формы оболочек аппарата при нагружении внешним давлением.

3) Коррозионная стойкость материалов деталей корпуса, находящихся в контакте с агрессивными средами.

4) Теплостойкость материалов корпуса при наличии повышенной температуры среды в аппарате.

5) Герметичность разъемных и неразъемных соединений деталей корпуса.

2. Кинематический  расчет приводных устройств и  выбор электродвигателя

Цель расчета:

1) Рассчитать требуемую мощность;

2) Подобрать асинхронный двигатель трехфазного тока;

3) Определить общее передаточное отношение привода и частные передаточные отношения каждой передачи;

4) Определить характеристики валов.

Исходные данные:

 – мощность на валу мешалки;

 – число оборотов вала  мешалки;

1. Определение требуемой мощности

По [1]: стр. 5, табл. 1.1. примем: 
– КПД клиноременной передачи; 
– КПД пары конических зубчатых колес; 
– коэффициент, учитывающий потери пары подшипников качения. 
Общий КПД привода [3],стр.99:  
Требуемая мощность электродвигателя: .

2. Подбор электродвигателя

Согласно условию  по [1] стр. 390, табл. П1 приложения по ГОСТ 19523-81 по требуемой мощности выбираем электродвигатель трехфазный асинхронный короткозамкнутый серии 4А закрытый,  с синхронной частотой вращения 4А112МА6УЗ с параметрами и скольжением . Характеристики электродвигателя представлены в табл. 1. По [1], стр. 6, формула (1.3): номинальная частота вращения: .

Таблица 1 – Характеристики электродвигателя

Типо- размер	Число полюсов	Габаритные размеры, мм				Установочные и присоединительные  размеры, мм
		L1	L2	H	D	d1	d2	l1	l2	l3	b	d
4A112М	6	452	534	310	260	32	32	80	70	140	190	12

3. Общее передаточное отношение привода

. 
Общее передаточное число разбивают по ступеням кинематической схемы: . Частные передаточные числа можно принять для конического редуктора в соответствии с [1] стр. 36 ГОСТ 2185-66: , тогда для клиноременной передачи: .

4. Определение силовых и кинематических параметров привода

(индексы 1 и 2 для валов шестерни  и колеса соответственно)

1. Вал электродвигателя

 

2. Ведущий вал редуктора

;

;.

3. Ведомый вал редуктора

 

 

 
Для удобства, характеристики валов  сведены в таблицу 2.

Таблица 2 – Характеристики валов

	Мощности	Вращающие моменты
Вал электро-двигателя
Вал шестерни
Вал колеса

3. Расчет  клиноременной передачи

 

Цель расчета:

Определить параметры клиноременной  передачи, следуя [1] стр. 137, табл. 7.11.

Исходные данные:

 – передаваемая мощность;

 – передаточное отношение  клиноременной передачи;

 – число оборотов ведущего  шкива;

 – вращающий момент на  валу ведущего шкива;

1. Диаметр меньшего шкива

по [1] стр. 137, формула (7.25): 
 
С учетом [1] стр. 120 по ГОСТ 17383-73 принимаем .

2. Диаметр большего шкива

 по [1] стр. 137, формула (7.3): 
, где по [1] стр. 120, комментарий к формуле (7.3): – скольжение ремня для передач с регулируемым натяжением ремня. 
По [1] стр. 120 из стандартного ряда по ГОСТ 17383-73 выбираем ближайшее значение .

3. Выбор сечения ремня

по [1] стр. 131, табл. 7.7 в соответствии с принимаем ремень сечения А.

4. Уточненное передаточное отношение

 
Расхождение с первоначально принятым передаточным отношением: 
 
Фактическое значение отличается от номинального менее чем на 3%.

Следовательно, окончательно принимаем диаметры шкивов , .

5. Определение межосевого расстояния

следует принять в интервале: [1] стр. 137, формула (7.26): 
, 
, 
где – высота сечения А ремня по [1] стр. 131, табл. 7.7. Принимаем предварительно .

6. Определение расчетной длины ремня

по [1] стр. 137, формула (7.7): 
 
[1] стр. 131, табл. 7.7. по стандартному ряду длин ГОСТ 1284.1-80 ближайшее значение .

7. Уточненное  значение межосевого расстояния

 с учетом стандартной длины  ремня: 
[1] стр. 137, формула (7.27):  
где ; 
 
 

Фактическое значение отличается от номинального менее чем на 3%.

Следовательно, окончательно принимаем  межосевое расстояние =480 .

8. Определение угла обхвата меньшего шкива

по [1] стр. 137, формула (7.28): 
.

9. Определение числа ремней в передаче

По [1] стр. 137, формула (7.29): , где: 
по [1] стр. 136, табл. 7.10: 
– коэффициент, учитывающий условия эксплуатации передачи; 
по [1] стр. 132, табл. 7.8, для ремня сечения А при работе на шкиве с передаточным отношением : 
– номинальная мощность, передаваемая одним клиновым ремнем; 
[1] стр. 135, табл. 7.9, для ремня сечения А при длине : 
– коэффициент, учитывающий влияние длины ремня ; 
[1] стр. 135, при : – коэффициент, учитывающий влияние угла обхвата; 
[1] стр. 135 примем , предполагая, что число ремней в передаче будет 4-6. 
Следовательно,  
Принимаем ремней.

10. Натяжение ветви клинового ремня

[1] стр. 136, формула (7.30): , где: 
Скорость ремня: . 
[1] стр. 136 для ремня сечения А: – коэффициент, учитывающий центробежную силу, следовательно, 
.

11. Сила, действующая на валы

 [1] стр. 136, формула (7.31): 

12. Определение ширины обода шкива

По [1] стр. 138, табл. 7.12: 
, где по [1] стр. 138, табл. 7.12, ГОСТ 20889-80 для ремня сечения А размеры канавок: ; ; 
Следовательно, .

4. Расчет  конической зубчатой передачи

 

Цель расчета:

1) Подобрать материал и рассчитать допускаемое контактное напряжение;

2) Выполнить проектировочный расчет геометрических параметров передачи по [1] стр. 50 табл. 3.11;

3) Выполнить проверочный расчет по контактным напряжениям и напряжениям изгиба;

4) Определить силы в зацеплении.

Исходные данные:

 – вращающий момент на  валу колеса;

 – передаточное отношение  редуктора.

1. Выбор материала и расчет допускаемого контактного напряжения:

Выбор материала: [1] стр. 34 по табл. 3.3 принимаем:

• для шестерни – сталь 40X, термообработка – улучшение, твердость ;

• для колеса – сталь 45XH, термообработка – улучшение, твердость .

2. Расчет допускаемого напряжения при проектировочном расчете

[1] стр. 33, формула (3.9):

[1]стр. 34 по табл. 3.2 для колеса:

 

предел контактной выносливости при  базовом числе циклов;

[1] стр. 33: – коэффициент долговечности при длительной эксплуатации;

[1] стр. 33: – коэффициент безопасности для колес из нормализованной и улучшенной стали; Следовательно,

[1] стр. 34 по табл. 3.2 для шестерни: 

 

предел контактной выносливости при  базовом числе циклов;

3. Проектировочный расчет геометрических параметров передачи

[1] стр. 49 и стр. 50, табл. 3.11:

1. Внешний делительный диаметр колеса

По [1] стр. 49, формула (3.29):

[1] стр. 49, примем: для прямозубых передач;

[1] стр. 32 табл. 3.1, предварительно примем для колес с твердостью поверхностей зубьев при консольном расположении колес: – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по ширине венца;

[1] стр. 49: коэффициент ширины зубчатого венца: .

При проектировании редукторов с параметрами  по ГОСТ 12289-76 рекомендуется принимать  ;

Следовательно,

[1] стр. 49 округляем по ГОСТ 12288-76: .

Фактическое значение  отличается от номинального  менее чем на 2%.

Следовательно, окончательно принимаем  = 280 .

2. Число зубьев шестерни и колеса

 [1] стр. 49: , примем .

 [1] стр. 49:

3. Угол  делительного конуса колеса и шестерни

4. Внешний окружной (торцовый) модуль

по [1] стр. 52: .

start="5"

 Внешний делительный диаметр шестерни

  .

6. Внешнее конусное расстояние

 по [1] стр. 52:

.

7. Ширина  зуба шестерни и колеса

  .

8. Среднее конусное расстояние

.

9. Средний делительный диаметр шестерни

10. Средний делительный диаметр колеса

11. Средний окружной модуль

 

12. Внешняя высота зуба

   

13. Внешняя высота головки зуба

 

14. Внешняя высота ножки зуба

  .

15. Угол  ножки зуба

.

16. Угол  головки зуба

 

17. Внешний диаметр вершин зубьев шестерни

.

18. Внешний диаметр вершин зубьев колеса

.

19. Коэффициент ширины шестерни по внешнему делительному диаметру

.

20. Средняя окружная скорость колес

  .

4. Проверочный расчет по контактным напряжениям

[1] стр. 48, формула (3.27) для проверочного расчета конических прямозубых колес на контактную прочность:

[1] стр. 32:

[1] стр. 32, для прямозубых колес: – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между зубьями;

[1] стр. 39 из табл. 3.5 при , , для передач с консольным 
расположением зубчатых колес выбираем: – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по ширине венца;

[1] стр. 40, табл. 3.6 для прямозубой передачи при , окружной скорости 
, 8-й степени точности:

 – коэффициент, учитывающий  динамические нагрузки в зацеплении.

Следовательно,

Полученное значение меньше допускаемого , следовательно, условие контактной прочности выполняется.

Недогрузка:

5. Проверка зубьев конических прямозубых колес на выносливость по напряжениям изгиба

[1] стр. 50, формула (3.31) ,

[1] стр. 51 – окружная сила: ;

[1] стр. 43: ;

[1] стр. 43 из табл. 3.7 при , , для несимметричного расположения зубчатых колес, выбираем: – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по длине зуба (коэффициент концентрации нагрузки);

[1] стр. 43 из табл. 3.8 при 8-й степени точности, , выбираем: 
– коэффициент, учитывающий динамическое действие нагрузки (коэффициент динамичности).

Следовательно,

[1] стр. 42: – коэффициент формы зуба, выбираемый в зависимости от эквивалентного числа зубьев:

• для шестерни:

• для колеса:

[1] стр. 51: – опытный коэффициент, учитывающий понижение нагрузочной способности конической прямозубой передачи по сравнению с цилиндрической;

Допускаемое напряжение при проверке зубьев на выносливость по напряжениям  изгиба:

[1] стр. 43, формула (3.24): ,

[1] стр. 44 – 45 из табл. 3.9 для стали 45 выбираем .

• для шестерни: .

• для колеса: .

[1] стр. 43: – коэффициент безопасности:

[1] стр. 44 – 45 из табл. 3.9 для стали 45 выбираем: – коэффициент, учитывающий нестабильность свойств материала зубчатых колес;

[1] стр. 44 для поковок и штамповок выбираем: – коэффициент, учитывающий способ получения заготовки зубчатого колеса.

Следовательно, .

Допускаемое напряжение при проверке зубьев на выносливость по напряжениям  изгиба:

• для шестерни: .

• для колеса: .

Для шестерни отношение допускаемого напряжения изгиба к коэффициенту формы  зуба:

.

Для колеса отношение допускаемого напряжения изгиба к коэффициенту формы  зуба:

.

Дальнейший расчет ведем по зубьям колеса, т. к. полученное отношение для него меньше.

Проверяем зуб колеса: .

Полученное значение меньше допускаемого , следовательно, условие выносливости по напряжениям изгиба выполняется.

6. Силы в зацеплении

 по [1] стр. 29 по ГОСТ 13755-81: – угол зацепления;

Радиальная сила на шестерне, осевая на колесе: по [1] стр. 159, формула (8.6):

.

Осевая сила на шестерне, радиальная на колесе:

.

5. Предварительный расчет валов редуктора

 

Цель расчета:

1) Рассчитать диаметр выходного конца вала;

2) Определить диаметр вала между концевой частью и подшипником;

3) Определить диаметр вала под подшипником;

4) Определить диаметр буртика;

5) Определить диаметр вала под ступицей;

6) Определить диаметр резьбовой части на конце вала.

Исходные данные:

 – вращающий момент на  валу шестерни;

 – вращающий момент на  валу колеса.

1. Определение диаметра выходного конца вала

Из расчета на чистое кручение по пониженному допускаемому напряжению без учета влияния изгиба:

[1] стр. 161, формула (8.16): ,

[1] стр. 161: – допускаемое напряжение на кручение для валов из стали 40.

• Ведущий вал редуктора:

• Ведомый вал редуктора:

2. Определение диаметра вала между концевой частью и подшипником

• Ведущий вал редуктора: .

• Ведомый вал редуктора: .

3. Определение диаметра вала под подшипником

• Ведущий вал редуктора: .

• Ведомый вал редуктора: .

4. Определение диаметра буртика

 по [Ошибка! Источник ссылки не найден.] стр. 368:

• Ведущий вал редуктора: .

• Ведомый вал редуктора: .

5. Определение диаметра вала под ступицей

• Ведущий вал редуктора: .

• Ведомый вал редуктора: .

6. Определение диаметра резьбовой части вала

• Ведомый вал редуктора: .

6. Определение размеров зубчатых металлических колес

 

Цель расчета:

[1] стр. 233 по табл. 10.1 определить:

1) Диаметр ступицы стальных колес;

2) Длину ступицы;

3) Толщину обода конических колес;

4) Толщину диска конических колес;

5) Диаметр центровой окружности;

6) Диаметр отверстий.

Исходные данные:

 – диаметр ведущего вала  редуктора под ступицей;

 – диаметр ведомого вала  редуктора под ступицей;

 – средний окружной модуль;

 – внешнее конусное расстояние.

1. Диаметр ступицы стальных колес 
   • для шестерни: ; 
   • для колеса: .
2. Длина ступицы 
   • для шестерни: ; 
   • для колеса: .
3. Толщина обода конических колес
4. Толщина диска конических колес

7. Подбор  и расчет шпоночных соединений валов  и зубчатых колес

Цель расчета:

1) Подобрать шпонку;

2) Проверить шпоночное соединение на смятие;

3) Проверить шпонку на срез.

Исходные данные:

 – длина ступицы шестерни;

 – длина ступицы колеса;

 – вращающий момент на  валу шестерни;

 – вращающий момент на  валу колеса;

 – диаметр ведущего вала  редуктора под ступицей;

 – диаметр ведомого вала  редуктора под ступицей;

 – допускаемое напряжение  смятия узких граней шпонки;

 – допускаемое напряжение  среза шпонки.

1. Выбор шпонки для шестерни

1. Подбор  шпонки

Длина шпонки:

[1] стр. 169 из стандартного ряда выбираем .

С учетом диаметра вала: шпонка 10×8×36 ГОСТ 23360-78, ее характеристики приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Шпонка для шестерни

Диаметр вала dв, мм	Сечение шпонки b×h, мм	Глубина паза		Фаска S×45o,мм
		вала t1,мм	втулки t2, мм
30÷38	10×8	5,0	3,3	0,25÷0,40

2. Проверка  шпоночного соединения на смятие

Полученное значение меньше допускаемого , следовательно, условие прочности шпоночного соединения на смятие выполняется.

3. Проверка  шпонки на срез

Полученное значение меньше допускаемого , следовательно, условие прочности шпонки на срез выполняется.

2. Выбор шпонки для колеса

1. Подбор  шпонки

Длина шпонки:

[1] стр. 169 из стандартного ряда выбираем .

С учетом диаметра вала: шпонка 14×9×50 ГОСТ 23360-78, ее характеристики приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Шпонка для колеса

Диаметр вала dв, мм	Сечение шпонки b×h, мм	Глубина паза		Фаска S×45o,мм
		вала  t1,мм	втулки t2, мм
44÷50	14×9	5,5	3,8	0,25÷0,40

2. Проверка  шпоночного соединения на смятие