Цели, задачии объект исследования

Цельюработы является освоение студентами основ расчета быстроходных валов перемешивающих устройств на виброустойчивость, как совместное выполнение условий прочности и жесткости.

Объектом исследования являются перемешивающие устройстваи их основные конструктивные элементы, получившие очень широкое применение в аппаратах химической и пищевой промышленности.

Задачи, решаемые в процессе исследования:

1) формирование знаний о причинах возникновения вибраций валов и резонансных эффектах;

2) обучение умению составлять расчетные схемы валов;

3) обучение методам повышения жесткости валов перемешивающих устройств;

4) формирование знаний о прочности, жесткости и устойчивости как необходимых условиях надежности технологических машин и оборудованияхимических и пищевых производств;

5) обучение методам прочностных расчетов элементов технологических машин и оборудования химических и пищевых производств под воздействием вибраций;

6) формирование знаний об основных элементах приводов и перемешивающих устройств в машинах и аппаратахтехнологического оборудования и методах их расчета.

Расчетные схемы валов

В зависимости от расположения оси сосуда различают вертикальные и горизонтальные аппараты. Использование горизонтальных аппаратов связано с повышенными эксплуатационными затратами, что ограничивает их применение.

Наиболее распространены в химической и пищевой промышленности аппараты с одним механическим перемешивающим устройством, расположенным по оси корпуса (Рис. 1), к ним и будет приковано наше внимание.

Вал любого роторного агрегата является его важнейшей составной частью, поскольку производительность, точность технологических операций, ресурс агрегата и других важнейших показателей зависит от динамических перемещений и напряжений в материале вала. К валу непосредственно примыкают многие узлы и детали, обеспечивающие его свободное и устойчивое вращение, надежность которых в первую очередь зависят от работоспособности и размеров вала.

Валы аппаратов с механическими перемешивающими устройствами бывают сплошные и полые. Валы имеют полое исполнение по различным конструктивным соображениям: выполняют функцию подводящей смазку или теплоносители магистрали, облегчение конструкции при повышенной жесткостии т.д. Валы могут быть постоянного и переменного сечения.

Наименее долговечным узлом механических перемешивающих устройств являются подшипники вала, надежность работы которых в большей степени зависит от условий смазки и защиты от воздействия коррозионных и абразивных сред.

Расчету вала предшествует разработка его расчетной схемы, отражающей лишь наиболее важные факторы и исключающие несущественные особенности которые не могут сказаться на точности расчетаи работоспособности агрегата в целом. Так, материал вала считается сплошной однородной, изотропной средой с идеальной упругостью, а деформации вала – малыми по сравнению с его размерами.

В зависимости от количества установленных на валу дисков, шкивов, барабанов, мешалок, зубчатых колес, муфт и других узлов и деталей разнообразного назначения, различают валы с одной или многими сосредоточенными массами. При этом относительно менее массивные элементы полагают лишенными массы. По виду поперечного сечения валы различают постоянного и переменного сечения.

Для обеспечения указанных условий подшипники устанавливают в специальные опорные стойки, отделяемые от реакционного объема аппарата уплотнением вала. Вследствие этого консольные валы имеют большой вылет – до 50-100 диаметров вала, что обуславливает незначительную жесткость таких валов, что приводит к возникновению высоких напряжений в материале вала и большие деформации вала из-за инерционных и гидродинамических нагрузок, что приводит к интенсивному изнашиванию и скорому выходу из строя подшипников и уплотнений.

Важнейшим узлом механических перемешивающих устройств аппаратов, работающих под избыточным давлением, являются уплотнения. На выбор уплотнителей влияют множество факторов, однако обеспечить их надежную и качественную работу возможно лишь при условии незначительного биения динамически и статически изогнутого вала.

При шарнирном закреплении валов, особенно в аппаратах, где нет потребности устанавливать уплотнители, валы мешалок соединяют с валом редуктора с помощью универсальной шарнирной муфты. Надежность привода и его элементов зависит от податливости соединения вала мешалки с валом привода.

Наиболее часто валы рассматривают как статически определимые стержни, закрепленные в шарнирных опорах и подвергающиеся изгибу и кручению заданными нагрузками.

Подшипники, воспринимающие от вала одновременно радиальную и осевую нагрузку, считают шарнирно-неподвижными (фиксирующими) опорами вала, а подшипники воспринимающие лишь радиальные нагрузки, шарнирно-подвижными (плавающими) опорами вала. Соответствующий анализ показал, что для консольных валов со спаренными опорами незначительное увеличение жесткости связано с резким увеличением реакций в сдвоенных подшипниках, по сравнению с одиночными. Больший эффект по повышению жесткости системы эта конструкция опор дает для однопролетного вала. Если расстояние между сдвоенными подшипниками будет больше двух диаметров вала, то такие опоры можно считать заделками. Таким образом, переход к применению в опоре двух подшипников может превращать статически определимый, самоустанавливающийся вал в статически неопределимую систему, характеризующуюся меньшей надежностью. Этот же эффект проявляется и при применении многопролетных валов.

В зависимости от места установки подшипников, обеспечивающих свободное вращение валов, валы подразделяют на однопролетные (с концевой опорой) и консольные (рис. 2). У однопролетного вала опоры вынесены за пределы рабочего объема аппарата (рис. 3).

Рисунок 2.Расчетная схема консольного вала (на двух шарнирных опорах)

Рисунок 3. Расчетная схема однопролетного вала с концевыми опорными подшипниками (Опоры вынесены за пределы рабочего объема аппарата)

По значению рабочей угловой скорости ω различают валы тихоходные и быстроходные. Частота вращения тихоходных валов не превышает 1 об/c, быстроходными считают валы, частота вращения которых лежит в диапазоне от 1 до 50об/c. Важнейшимикритериями тихоходных валов, являются критерии прочности и жесткости.

Расчет быстроходных валов предусматривает в качестве важнейшего критерия, критерий виброустойчивости, выполнение которого обычно связано с одновременным выполнением условий прочности и жесткости.