Аппарат вертикальный с трёхлопастной мешалкой

 

4. Проектный расчёт и конструирование  вала и подшипникового узла

   Проектный расчёт вала. Расчёт выполняется по напряжениям кручения. Целью расчёта является определение наименьшего диаметра вала. Исходными данными являются мощность на валу Р (кВт) и частота вращения мешалки п (об/мин).

Рассчитывают  угловую скорость вала: 
 

Вычисляют вращающий  момент: 
 

Определяют наименьший диаметр вала: 

где =25…40 МПа 

Принимаем d=40 мм.

   Конструирование вала и подшипникового узла. Конструкция вала определяется деталями, которые на нём крепятся, конструктивным оформлением подшипниковых узлов и способом соединения вала перемешивающего устройства с валом редуктора.

  Для соединения валов применяют разные типы муфт. Соединение вала редуктора с валом  перемешивающего устройства продольно-разъёмной  муфтой считают жёстким. Втулочно-пальцевая  и зубчатая муфты образуют подвижное  соединение валов.

  Подшипниковый узел состоит из корпуса, внутри которого установлен один радиальный или два  радиально-упорных подшипника качения. Между подшипниками расположена  распорная втулка. Для фиксации вала в осевом направлении предусмотрена  крупная шлицевая гайка, которая  предохраняется от самоотвинчивания стопорной  многолапчатой шайбой. Корпус закрыт крышками, в сквозных отверстиях которых  установлены манжетные уплотнения.

  Рассмотрим  порядок конструирования консольного  вертикального вала с двумя подшипниками качения.

1. Верхний конец вала соединяют с валом редуктора стандартной муфтой. Так как в нашем случае соединение валов подвижное (с помощью упругой втулочно-пальцевой муфты), то диаметр   Принимаем .

Длину этого  участка вала принимают равной .

Принимаем

2. Диаметр вала d₂ под уплотнение (в крышке подшипникового узла) берут равным и округляют до ближайшего стандартного из ряда: 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 45, 48, 50, 53, 56, 60, 67, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105.

 

    Принимаем .

    Длина этого участка l₂ определяется конструктивно с учётом размеров верхней крышки: , где – ширина манжеты, =5 – 8 мм – толщина крышки в месте установки манжеты. Размеры манжетных уплотнений выбирают по диаметру вала (табл. 47).  

     Принимаем конструктивно l₂=28 мм.

3. Диаметр участка с резьбой под шлицевую гайку должен быть согласован с размером резьбы в гайке (табл. 17).

 

Принимаем d₃=42 мм

Длина данного  участка  Толщина шайбы S – см. табл. 18 прил. 1.

Из таблицы 17 выпишем основные размеры гайки  круглой шлицевой

 

Из таблицы 18 выпишем основные размеры шайбы  стопорной многолапчатой

 
 

Принимаем конструктивно l₃=17 мм.

4. Следующий участок вала предназначен для посадки подшипника. Его диаметр d₄>d₃ должен быть согласован с диаметром отверстия внутреннего кольца подшипника. На стадии эскизного проекта первоначально принимают шариковые радиально упорные подшипники лёгкой серии (табл. 49)

d₄>42 мм

Принимаем d₄=45 мм.

Длина  этого  участка вала , где B – ширина подшипника. 

Принимаем l₄=24 мм.

5. Между подшипниками качения устанавливают распорную втулку, внутренний диаметр которой равен диаметру d₄. Наружный диаметр втулки d_вт=d₄+(6…8) мм.

d_вт=45+(6…8)=51…53 мм.

Принимаем d_вт=52 мм.

     Длина , где D – диаметр наружного кольца подшипника (табл. 49). Для удобства монтажа диаметр вала под втулкой принимают на 4-5 мм меньше значения d₄. 

    Принимаем

6. Для упора нижнего подшипника диаметр вала увеличивают:

 

     Длина l₅ принимается конструктивно аналогично l₂ с учётом размеров нижней крышки подшипникового узла Размеры манжеты выбирают по табл. 47 прил.1 в зависимости от диаметра .

    Из таблицы 47 выпишем основные размеры резиновых армированных манжет для валов

 
 

     Размеры крышки см. пункт 2.

7. Диаметр d₆ следующего участка вала необходимо согласовать с диаметром отверстия в торцевом уплотнении ( табл. 52 прил. 1).

Принимаем d₆=40 мм.

8. Участок вала d₇ в месте посадки мешалки принимают равным диаметру отверстия в ступице мешалки d_ст (табл. 43-46 прил.1).

Принимаем d₇=45 мм.

Диаметр посадочного  участка вала d₁=32 мм.

    Конструирование корпуса и крышек подшипникового узла. После определения геометрических размеров ступеней вала определяют размеры деталей, входящих в подшипниковый узел.

Толщину стенки корпуса подшипникового узла s принимают равной 10 – 12 мм. Диаметр резьбы винтов d_в для крепления крышек к корпусу и их число z назначают в зависимости от наружного диаметра подшипника D=85 мм:

 

Размеры винтов приведены в табл. 15 прил. 1.

Из таблицы 15 выпишем основные размеры винтов крепёжных с цилиндрической головкой точности A и B.

 

     Наружный  диаметр крышки  

     Диаметр центров отверстий под винты  

     Толщина крышки в месте установки винтов . Толщина крышки в месте установки манжеты Остальные размеры крышек зависят от размеров манжеты, размер l принимается конструктивно.

     В конструкции, представленной на рисунке, для удобства монтажа подшипников  часть внутренней поверхности корпуса  ( между торцами подшипников) выполняют на 2 мм больше, чем диаметр подшипника D, длина этой части корпуса равна длине распорной втулки. К корпусу приварен фланец толщиной с отверстиями d=1.1d_в для крепления подшипникового узла в стойке привода.  

     Принимаем d=9 мм.

       

5. Разработка  эскизного проекта  перемешивающего  устройства.

     Эскизную компоновку выполняют в масштабе 1:1 на миллиметровой бумаге формата А2 или А1. Для получения представления о конструкции и размерах деталей перемешивающего устройства достаточно одной проекции.

Последовательность  выполнения эскизного проекта:

1. Провести осевую линию в середине короткой стороны листа.
2. В верхней части листа вычертить верхнюю опорную поверхность стойки. Определить положение верхнего торца выбранной муфты. Для этого от верхней опорной поверхности стойки отложить вниз отрезок  L₂ – L₁ (см. размеры выбранного мотор-редуктора).
3. От полученной линии отложить вниз отрезок, равный длине выбранной муфты L (H). Последняя линия будет являться торцом участка вала d_2.
4. Отступив вниз примерно на 10 мм, провести линию, определяющую положение верхней крышки подшипникового узла. Следующая линия определяет толщину крышки в месте установки манжетного уплотнения. Вычертить «карман» для манжеты по размерам в табл. 47 прил. 1.
5. Между внутренней поверхности крышки и торцом участка вала диаметром d₃ оставить примерно 10 мм.
6. Вычертить контуры круглой шлицевой гайки и стопорной шайбы.
7. Вычертить по контуру верхний подшипник. Отложить от его нижнего торца расстояние, равное длине распорной втулки l_вт и вычертить контуры нижнего подшипника. Для схемы с одним подшипником качения в стойке перейти к пункту 8.
8. От конца нижнего подшипника отложить примерно 5-7 мм. Этим определяется положение внутренней поверхности нижней крышки.
9. Вычертить контуры нижней крышки и участка вала диаметром d₅.
10. От наружной поверхности нижней крышки отложить примерно 20 мм. Этим определяется положение сальникового или торцевого уплотнения.
11. Вычертить контуры выбранного уплотнения, крышки (дочертить) и корпуса подшипникового узла. Уплотнение в стойку закрепить на опоре привода.

 
 
 
 

6. Проверочный расчёт вала

    Основными критериями работоспособности валов перемешивающих устройств являются виброустойчивость и прочность.

  Прежде  чем приступить к расчёту вала, необходимо выбрать расчётную схему  и определить длину расчётных  участков вала.

  Выбор расчётной схемы. Каждому конструктивному решению крепления вала соответствует своя расчётная схема.

  Подвижное соединение валов (втулочно-пальцевой муфтой). Если опорами вала являются два радиально-упорных подшипника качения, такому решению соответствует расчётная схема 3.

  Расчёт  на виброустойчивость. Расчёт осуществляют в следующей последовательности:

1. Определить массу единицы длины вала:

 

где - плотность материала вала; d (d₆) – диаметр вала в месте уплотнения, м 

   

2. Вычислить момент инерции поперечного сечения  вала:

 
 
   

3. Определить  значение коэффициентов:

 

где - масса мешалки, кг (табл. 43-46); l₁, L – значение длин соответствующих участков вала, м (по расчётной схеме и компоновке или чертежу). 

   

4. В соответствии с выбранной расчётной схемой определить коэффициент α.

α=1,75.

5. Определить критическую скорость вала:

 

Где Е=2∙10¹¹ – модуль продольной упругости вала. 

Проверить выполнение условия 
 

  Условие выполняется.

  Расчёт  на прочность. Расчёт предусматривает определение эквивалентных напряжений вала в опасных сечениях (в местах с небольшим изгибающим моментом). Выбор таких сечений выполняют после построения эпюр изгибающих и крутящих моментов.

  Изгиб вала происходит под действием инерционных  сил, возникающих вследствие  несбалансированности масс мешалки и вала.

  Последовательность  расчёта:

1. Определить эксцентриситет центра масс перемешивающего устройства:

 

где - диаметр мешалки, м.