Проектирование вертикального аппарата с приводом и мешалкой

Московский  государственный университет тонких химических технологий

имени М.В. Ломоносова.

Кафедра прикладной механики и основ конструирования.

 

 

 

Курсовой проект по курсу

«Прикладная механика и  основы

конструирования» на тему:

«Проектирование вертикального  аппарата

с приводом и мешалкой».

 

 

 

 

Выполнила студентка гр. БТ-202                  Марданова Р.У.

Консультант                                                   Бульба В.Л.

 

Москва 2013

 

Оглавление

1. Введение 3

2. Кинематический расчет  привода. 6

2.1. Определение общего  КПД привода. 6

2.2. Определение требуемой  мощности электродвигателя. 6

2.3. Выбор типа электродвигателя. 6

2.4. Определение номинальной  частоты вращения электродвигателя. 7

2.5. Определение передаточного  отношения привода и его ступеней. 7

2.5.1. Определение общего  передаточного отношения привода. 7

2.5.2. Разбивка общего  передаточного отношения по ступеням. 7

2.6. Определение силовых  и кинематических параметров  привода. 8

2.6.1. Определение параметров  вала электродвигателя(вращающий  момент). 8

2.6.2. Определение параметров  ведущего вала редуктора. 8

2.6.3. Определение параметров  ведомого вала редуктора. 8

3. Расчет клиноременной  передачи. 8

3.1. Подбор типа ремня. 8

3.2. Определение диаметра  меньшего шкива. 9

3.3. Определение диаметра  большего шкива. 9

3.4. Уточнение передаточного  отношения для клиноременной  передачи. 9

3.5. Определение межосевого  расстояния. 9

3.6. Определение длины  ремня. 10

3.7. Уточнение межосевого  расстояния. 10

3.8. Определение угла  обхвата. 10

3.9. Определение числа  ремней. 10

3.10. Определение окружной  скорости вращения ремня. 11

3.11. Определение силы  натяжения ветви ремня. 11

3.12. Определение силы, действующей на ведущий вал  редуктора от клиноременной передачи. 12

4. Расчет закрытой  конической зубчатой передачи. 12

4.1. Выбор материала  для передачи. 12

4.2. Проектировочный  расчет выносливости передачи  по контактным напряжениям. 13

4.2.1. Определение допускаемых  контактных напряжений. 13

4.2.2. Определение внешнего  делительного диаметра колеса. 13

4.3. Расчет геометрических  параметров передачи. 14

4.3.1. Определение числа  зубьев шестерни и колеса. 14

4.3.2. Определение внешнего  окружного модуля. 14

4.3.3. Определение углов  делительных конусов. 14

4.3.4. Определение внешнего  конусного расстояния и ширины  зуба. 14

4.3.5. Определение среднего  конусного расстояния. 15

4.3.6. Определение внешнего  делительного диаметра шестерни. 15

4.3.7. Определение среднего  делительного диаметра. 15

4.3.9. Определение   среднего окружного модуля. 15

4.3.11. Определение окружной  скорости вращения шестерни и  колеса. 16

4.4. Проверочный расчет  на выносливость по контактным  напряжениям. 16

4.5. Проверочный расчет  по напряжениям изгиба. 17

4.5.1. Определение коэффициента  нагрузки K_F 17

4.5.2. Определение окружной  силы в зубчатом зацеплении. 17

4.5.3. Определение допускаемых  напряжений при проверке зубьев  на выносливость по напряжениям  изгиба. 17

4.5.4. Определение соотношений  [s_F]/Y_F 18

5. Проектировочный  расчет валов редуктора. 18

5.1. Определение диаметра  концевой части ведущего и  ведомого валов редуктора. 19

5.2. Определение диаметра  вала под подшипником. 19

5.3 Определение диаметров  вала между подшипниками 19

5.4. Определение диаметра  буртика. 20

5.5. Определение диаметра  вала под ступицей. 20

6. Расчет конструктивных  размеров конических колес. 20

6.1. Определение длины  ступицы. 20

6.2.Определение диаметра  ступицы. 20

6.3. Определение толщины  обода. 21

6.4. Определение толщины  колеса. 21

7. Расчет элементов  корпуса редуктора. 21

7.1. Определение толщины  стенок картера и крышки. 21

7.2. Определение толщины  поясов картера и крышки. 21

7.3. Определение толщины  ребер жесткости картера и  крышки. 22

7.4. Определение наименьшего  зазора между наружной поверхностью  внутренних деталей и стенкой  редуктора. 22

7.5. Определение диаметра  крепежных болтов. 22

7.5.1. Фундаментные болты. 22

7.5.2. Выбор условий  смазки редуктора. 22

7.7. Выбор сорта и  марки масла. 23

8. Подбор подшипников. 23

9. Расчет шпонок. 24

9.1. Расчет шпонки  для ведущего вала 25

9.2. Расчёт шпонки для ведомого вала 26

10.Подбор муфты 26

11.Расчет ведомого  вала на выносливость. 27

11.1. Условно-пространственная  схема передачи. 27

11.2.Рассчитываем усилия. 28

12. Расчет допусков  и посадок. 29

12.1. Расчет поля  допуска на подшипниках ведущего  вала. 29

12.2. Расчет поля  допуска на ступице конического  колеса. 32

 

 

1. Введение

В химической промышленности осуществляется множество различных технологических  процессов, в которых применяются  ёмкостные химические аппараты с  мешалкой, работающие под давлением. Они предназначаются для проведения химических реакций, а также растворения, испарения, 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, называемый  обечайкой, и приваренного к ней днища конической, сферической или эллиптической формы. Плоские днища применяют при внутреннем диаметре аппарата менее 500 мм.

Съёмной 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.

Расчётный срок службы аппаратов химического  производства составляет 10-12 лет. Раз  в 3 года аппарат подвергается внутреннему осмотру и раз в 6 лет – гидравлическим испытаниям.

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ  МАТЕРИАЛЫ

 

• Сталь: представляет собой железно-углеродный сплав с содержанием углерода до 2%. Чем выше содержание углерода, тем выше твердость и прочность, но ниже пластичность. Характерные особенности:

-высокие механические  характеристики

-хорошая обрабатываемость  на станках;

-способность  к термообработке.

Стали, различают  по следующим признакам:

-по применению: строительные, конструкционные и  стали со специальными свойствами (жаростойкие, коррозионно-стойкие  и т.д.);

-по химическому  составу: углеродистые и легировочные;

-по качеству  производства: обыкновенного качества, качественные и высококачественные;

Сталь углеродистая обыкновенного качества: дешевая, для  неответственных деталей, не подвергается термообработке (Ст. 2,3,...7)

Сталь углеродистая качественная конструктивная: подвергается термообработке, используется для изготовления несущих элементов, конструкций  и ответственных деталей (валы, зубчатые колеса и т.д.)(Ст. 45,50,60,...) - сотые доли процентов углерода в стали.

 

Легированная  конструкционная сталь: используется для повышения механических свойств, коррозийной стойкости, жаропрочности  и т.д. вводят так называемые легирующие добавки: В - вольфрам; Н - никель; X - хром; Д - медь и т.д.

 

 

• Пластмассы  материалы на уровне высокомолекулярных органических соединений (паронит, текстолит, капрон, полиэтилен, стекло пластины и т.д.)

Основные особенности:

-высокая удельная  прочность;

-малая плотность,  химическая стойкость;

-высокие антикоррозионные, антифрикционные и электроизоляционные  свойства;

Для получения  необходимых свойств к полимерам  добавляют наполнители: графит, асбест, ткань и т.д.

 

2. Кинематический расчет привода.

Исходные данные:

Рабочая мощность P_p = 1,1кВт

Рабочая частота  вращения вала мешалки n_p = 100 об/мин

2.1. Определение  общего КПД привода.

КПД зубчатой передачи (коническими колесами) в закрытом корпусе h_кон = 0,96

(источник №1, стр. 5, табл. 1.1.)

КПД клиноременной  передачи h_кл/р = 0,96

(источник №1, стр. 5, табл. 1.1.)

КПД подшипников h_подш = 0,99

(источник №1, стр. 5, табл. 1.1.)

Общий КПД привода:

h_общ = h_кон·h_кл/р· h_подш² = 0,96·0,96·0,99 ² =0,91

2.2. Определение  требуемой мощности электродвигателя.

Расчет требуемой  мощности проведем по формуле

P_треб = P_р / h_общ = 1,1/0,91 = 1,21 кВт

2.3. Выбор типа  электродвигателя.

Для данной установки, используя рассчитанное выше значение требуемой мощности, выберем электродвигатель 4A80B4 (источник №1, стр. 390, табл. П1) по ГОСТ 19523-81

Мощность электродвигателя Рэд =1,5 кВт (источник №1, стр. 390, табл. П1)

Синхронная частота n_эд = 1500 об/мин (источник №1, стр. 390, табл. П1)

Коэффициент скольжения s = 5,8% (источник №1, стр. 390, табл. П1) 

2.4. Определение  номинальной частоты вращения  электродвигателя.

Указанная частота вращения, является синхронной. При работе, те есть. При наличии нагрузки, частота  вращения вала электродвигателя уменьшается, вследствие скольжения S. Номинальную (асинхронную) частоту, обусловленную наличием какой бы то ни было нагрузки, можно рассчитать по формуле:

n_эд = n_эд ·(1-s) = 1500·(1-0,058) = 1413 об/мин

2.5. Определение  передаточного отношения привода  и его ступеней.

2.5.1. Определение  общего передаточного отношения  привода.

Общее передаточное число  может быть определено, согласно соотношению:

i_общ = n_эд./ n_p = 1413/100=14,13

2.5.2. Разбивка общего  передаточного отношения по ступеням.

С другой стороны, общее передаточное отношение может быть представлено как произведение передаточных чисел  клиноременной передачи и конического  редуктора:

i_общ = i_кон·i_кл/р

i_кл/р = i_общ / i_кон =14,13 /6,3= 2,243

i_кон = 6,3 Было выбрано в соответствии со стандартным рядом (ист. 1 стр.36 ГОСТ 2185-66)

2.6. Определение  силовых и кинематических параметров  привода.

2.6.1. Определение  параметров вала электродвигателя(вращающий  момент).

n_эд = 1413 об/мин

Р_треб = 1,21 кВт

Рассчитаем вращающий  момент на валу электродвигателя:

М_эд = Р_треб/n = 9550·Р_треб/n_эд = 9550·1,21/1413 = 8,18 Н·м

2.6.2. Определение  параметров ведущего вала редуктора.

Р₁ = Р_треб··h_кл/р =1,21·0,96=1,162  кВт

n₁= n_эд / i_кл/р =1413/2.24 = 630 об/мин

M₁ = 9550·Р₁/n₁ = 9550· 1,162/630 = 17,61 Н·м

2.6.3. Определение  параметров ведомого вала редуктора.

Р₂ = Р_р = 1,1 кВт

n₂ = n_p= 100 об/мин

M₂ = 9550·P₂/n₂ = 9550·1,1/100 = 105,1Н·м

3. Расчет клиноременной  передачи.

Исходные  данные.

Передаточное  отношение для клиноременной  передачи i_кл/р = 2,243

Требуемая мощность электродвигателя, Р_треб = 1,21 кВт

Номинальная частота  вращения электродвигателя, n_эд = 1413 об/мин

Вращающий момент на валу электродвигателя, М_эд = 8,18 Н·м

3.1. Подбор типа  ремня.

Выполним подбор требуемого ремня по номограмме (источник №1, стр.131). Видно, что при таких  технических запросах следует выбирать ремень из зоны O. Берем ремень, для которого n_эд = 1413 об/мин, а передаваемая мощность Р_треб = 1,21 кВт. Точнее тип ремня укажем после расчета его основных параметров.

3.2. Определение  диаметра меньшего шкива.

М_эд = 8,18 Н·м = 8180 Н·мм

d₁ = 60,3 мм

Уточнив диаметр  по ГОСТ 17383-73 (источник№1, стр. 120 ГОСТ 17383-73), получаем: d_1ГОСТ = 63 мм

3.3. Определение  диаметра большего шкива.

Относительное скольжение ремня берем e = 0,01 как для передачи с регулируемым натяжением ремня (источник №1, стр120)