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摘 要
本課題主要介紹了攪拌器在化工工業(yè)中的應(yīng)用，研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢；通過對罐體設(shè)定為筒體式以及攪拌介質(zhì)確定為丙烯酸和醋酸，夾套介質(zhì)為水蒸氣，來設(shè)計并選用推進式攪拌器。其中包括了對攪拌功率的計算；附件的選?。粩嚢杵鞯慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計；攪拌器強度計算及其校核；攪拌軸與攪拌器的連接；電機、機架、聯(lián)軸器等一系列傳動裝置的選擇；以及計算筒體封頭厚度與穩(wěn)定性校核；筒體開孔及補強。根據(jù)所設(shè)計的攪拌器繪制出相應(yīng)的裝配圖以及零件圖。最后，在對自己所設(shè)計的進行總結(jié)。
關(guān)鍵詞：攪拌器；推進式；設(shè)計；校核；
Abstract
This topic mainly introduced the application of mixer in chemical industry, the research status and development trend; Through the setting of tank cylinder postures and mixing of medium for acrylic acid and acetic acid, jacketed medium for water vapor, to design and choose its agitator. Including the calculation of the stirring power; The selection of accessories; The structure of the mixer design; Agitator strength calculation and checking; Stirring shaft of the agitator and connectivity; Motor, frame, coupling, and a series of transmission device choice; And calculating the thickness of the cylinder head and stability; Cylinder hole and reinforcement. According to the design of the mixer to draw out the corresponding assembly drawing and part drawing. Finally, in summarize of my own design.
Key words：mixer; Push type; Design; Check;
目 錄
1 引言 5
1.1 概述 5
1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 5
1.3 本文研究的目的、內(nèi)容和意義 6
1.4 本課題的設(shè)計思路及設(shè)計條件 6
1.4.1 設(shè)計思路 6
1.4.2 設(shè)計條件 6
2 攪拌軸功率的確定 7
2.1 雷諾準(zhǔn)數(shù)的計算 7
2.2 Re對攪拌功率的影響 8
2.3 攪拌功率PS的確定 9
3 攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及計算 10
3.1 攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
3.1.1 結(jié)構(gòu)形式 10
3.1.2 結(jié)構(gòu)尺寸 10
4 攪拌軸的設(shè)計與校核 13
4.1 攪拌軸的力學(xué)結(jié)構(gòu) 13
4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 13
4.3 攪拌軸機械計算 13
4.3.1 受扭轉(zhuǎn)變形計算攪拌軸的軸徑 13
4.3.2 按強度計算攪拌軸的軸徑d2 14
4.3.3 根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速核算軸徑 16
4.4 攪拌器浸入溶液深度的確定 18
5 功率的確定及攪拌器槳葉的校核 18
5.1 電動機的計算功率和額定功率 18
5.1.1 電動機計算功率的確定 18
5.1.2 電動機額定功率的確定 19
5.2 攪拌器設(shè)計功率Pq 19
5.3 推進式攪拌器的強度計算 19
5.4 槳葉材料的許用應(yīng)力 22
5.5 槳葉的校核 23
5.6 槳葉設(shè)計的其他要求 23
5.7 攪拌的附件 23
6 攪拌器與攪拌軸的連接 23
6.1 攪拌器軸與軸套的連接 23
6.2 鍵連接的強度計算及校核 24
6.2.1 鍵連接的剪切強度計算及校核 24
6.2.2 鍵連接的擠壓強度計算及校核 24
7 傳動裝置 24
7.1 電動機的選型 25
7.2 減速機的選型 25
7.3 機架選型 25
7.4 安裝底蓋的選擇 26
7.5 凸緣法蘭的選擇 26
7.6 聯(lián)軸器的選取 27
7.7 軸封 27
7.8 軸承的確定 28
8 筒體及封頭的強度設(shè)計 28
8.1 內(nèi)筒體和封頭厚度的確定 28
8.1.1 受內(nèi)壓時筒體厚度確定 28
8.1.2 受內(nèi)壓時封頭厚度的確定 29
8.1.3 受外壓時筒體厚度確定 30
8.1.4 受外壓時下封頭厚度的確定 31
8.1.5 壓力試驗及應(yīng)力校核 32
8.2 夾套筒體及封頭厚度的確定 32
8.2.1 夾套筒體厚度計算 32
8.2.2 夾套封頭厚度的確定 33
8.3 液壓試驗狀態(tài)下的穩(wěn)定性校核 33
8.3.1 夾套試驗壓力 33
8.3.2 內(nèi)筒體的校核 34
9 開孔和開孔補強 34
9.1 判斷管口是否需要開孔不強 34
9.2 管口d的開孔補強計算 35
9.3 管口a開孔補強計算 35
10 總結(jié) 36
謝辭 38
參考文獻 39
攪拌器的設(shè)計
1 引 言
1.1 概述
縱觀現(xiàn)在市場的需求，攪拌器在化工工業(yè)中起著重要的作用并且得到了廣泛的應(yīng)用，不管是在實驗室制備某種水溶液，或者是在工業(yè)上攪拌水泥，使之能均勻的混合，攪拌器都起了至關(guān)重要的作用。攪拌器的用途很廣泛，它主要能使物質(zhì)間進行攪拌、混合，使物質(zhì)處于懸浮、分散的狀態(tài)。尤其是在工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌器的應(yīng)用更大大的降低了人員在生產(chǎn)有毒或者對人體皮膚有傷害的化工用品時的危害。同時用電動代替手動不僅提高了生產(chǎn)效率，而且還大大的提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，顯然，攪拌器已然成為化工生產(chǎn)中不可或缺的一部分。
1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
國外研究現(xiàn)狀：美國Rochester混合設(shè)備公司研發(fā)了LighteningA系列槳；德國Ekato公司也相繼研發(fā)出了德In-terming槳；法國Robin公司研發(fā)了HPM槳；加拿大公司也研發(fā)了Maxflo軸流槳。[1]
國內(nèi)研究現(xiàn)狀：北京化工大學(xué)和華東理工大學(xué)分別開發(fā)了CBY軸流槳和翼型槳；中國石油化工學(xué)院的沈惠平教授等人也研發(fā)出了一種新型高效并且容易加工的軸流式攪拌葉輪；燕山石油化工有限公司設(shè)計院還設(shè)計了一種能配置大功率電機的復(fù)合式攪拌器；大型石化企業(yè)也與浙江大學(xué)合作開發(fā)出了攪拌槽式反應(yīng)器的智能化輔助選型和設(shè)計軟件。
發(fā)展趨勢：隨著社會的進步、科技的發(fā)展，化工行業(yè)等各個領(lǐng)域?qū)τ跀嚢璨僮鞯囊笤絹碓蕉啵覍τ跀嚢璧奈锪蟻碚f也越來越復(fù)雜了，不再是局限于那種低粘度的流體，也會遇到高粘度的。對于現(xiàn)在，攪拌器的研究也成為了一個熱點，攪拌器正在向大型化、微型化和集成化、連續(xù)化、智能化、節(jié)能化以及高粘度化的趨勢發(fā)展。[2]相信在不久之后，攪拌器的發(fā)展會越來越快，而且能越來越滿足行業(yè)的需求。
1.3 本文研究的目的、內(nèi)容和意義
研究目的：本次設(shè)計攪拌器的目的是為了借助攪拌器的作用使丙烯酸和醋酸能夠得到充分的混合，以便于能夠使他們充分反應(yīng)。
研究意義：設(shè)計這個攪拌器能夠避免手動攪拌對人體帶來的危害，而且結(jié)構(gòu)簡單，使用也方便，能夠在化工生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。
研究內(nèi)容：本課題要求在給定一個容積為10L的罐體，設(shè)計出能在這個給定的容器中攪拌丙烯酸和醋酸并且使其能均勻混合的攪拌器，而且使用方便，能平穩(wěn)工作。本設(shè)計主要涉及到化工工業(yè)中攪拌器的設(shè)計，主要進行的設(shè)計包括：攪拌功率的設(shè)計；攪拌器結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其直徑校核；攪拌器的強度計算及其校核；還有減速機、機架、電機、安裝底蓋、聯(lián)軸器等一系列傳動裝置的選擇；筒體所承受的壓應(yīng)力的校核；然后根據(jù)這些設(shè)計來畫出相應(yīng)的裝配圖和零件圖。
1.4 本課題的設(shè)計思路及設(shè)計條件
1.4.1 設(shè)計思路
此次設(shè)計的思路可以分為以下幾個步驟：
(1) 根據(jù)給定的值、攪拌軸轉(zhuǎn)速、介質(zhì)密度、粘度來確定出攪拌功率以及攪拌器的類型；
(2) 結(jié)合攪拌器類型及給定設(shè)備的情況，來給定攪拌軸的長度以及設(shè)計出合理的攪拌軸軸徑；
(3) 根據(jù)計算所得的攪拌軸功率、攪拌軸軸封處的摩擦損耗功率來對電動機進行選型；
(4) 根據(jù)以上所設(shè)計出的在來選定減速機、聯(lián)軸器、機架、安裝底蓋等傳動裝置；
(5) 最后再對容器由于攪拌器運作所引起的壓應(yīng)力進行校核，以及容器的開孔和開孔補強。
1.4.2 設(shè)計條件
此次設(shè)計的條件如表1-1以及表1-2所示：
表1-1 管口表
符號
規(guī)格
法蘭標(biāo)準(zhǔn)號
用途或名稱
連接面形式
a
DN40
HG20594-97
出料口
--
b
DN25
HG20594-97
水蒸汽進口
RF
c
DN400
HG21515-95
人孔
--
d1-2
DN80
HGT21619-86
視鏡
--
e
DN25
HG20594-97
水蒸汽出口
RF
f
DN25
HG20594-97
備用口
RF
g
DN40
HG20594-97
備用口
RF
h
DN25
HG20594-97
備用口
RF
j
DN25
HG20594-97
備用口
RF
表1-2 操作條件
流體名稱
丙烯酸、醋酸
筒體內(nèi)徑
2400mm
流體特點
甲 腐蝕危害
筒體高度
2800mm
密度
設(shè)計溫度
粘度
0.19
設(shè)計壓力
攪拌強度
適中
運行狀態(tài)
連續(xù)操作
材料
316
液體高度
2400mm
攪拌軸轉(zhuǎn)速
150
操作溫度
2 攪拌軸功率的確定
2.1 雷諾準(zhǔn)數(shù)的計算
由文獻[3]P241可知，雷諾數(shù)符號為，計算公式為：
(2-1)
式中：
─攪拌器直徑，m；
─攪拌軸轉(zhuǎn)速，;
─攪拌液體密度，；
─液體黏度，。
由條件可以知道： ，，，，代入(2-1)可得：
2.2 對攪拌功率的影響
根據(jù)此次要求，決定采用推進式攪拌器來達到設(shè)計目地。因此，我們得考慮到影響攪拌功率的因素，因為 ，是屬于強湍流的區(qū)域，所以我們還得考慮筒體中是否有擋板，擋板的寬度和數(shù)量都會對攪拌功率造成很大的影響，本次設(shè)計我們講采用常用的直立式平擋板，通過用擋板系數(shù) 來反映擋板的安裝對攪拌功率的影響。把擋板系數(shù)公式定義為：
(2-2)式中：
─擋板寬度
─擋板的個數(shù)
在時，擋板系數(shù)越大，攪拌功率就會越小。但是當(dāng)時，系數(shù)越大大，攪拌功率則會越小。因此我們就把的情況，作為是全擋板條件，當(dāng)時，就稱其為部分擋板條件。通常認為，在用4塊擋板的時候，，就可以認定為是全擋板條件。
此次設(shè)計我們采用的就是4擋板，因此可以認定為是全擋板的條件。
2.3 攪拌功率的確定
此次設(shè)計我們采用常用的三葉式的推進式攪拌器，并且
根據(jù)圖2-1可以看出：當(dāng) 的時候， 已經(jīng)趨于水平線了，這時我們可以認定為定值。
由上面計算可以知道，
所以查圖2-1就可以得到：
圖2-1 推進式攪拌器功率準(zhǔn)數(shù)[3]
圖中縱坐標(biāo)為攪拌器功率準(zhǔn)數(shù) ,橫坐標(biāo)為雷諾準(zhǔn)數(shù)
攪拌功率 的通用公式為：
(2-3)
由文獻[3]P242可知，當(dāng)計算攪拌器在標(biāo)準(zhǔn)幾何參數(shù)關(guān)系條件下時，其功率準(zhǔn)數(shù)校正總系數(shù) 。
由條件可得：
因此，攪拌器的攪拌功率就為，也就是攪拌軸的功率為。
3 攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及計算
3.1 攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1.1 結(jié)構(gòu)形式
推進式葉輪的形狀有點復(fù)雜，葉片的加工比其他槳葉更不易加工。本次設(shè)計我們采用的是將攪拌器的軸套用止動螺釘和鍵連接在攪拌軸上，接著用螺母擰在軸端用來支撐住葉片和軸套。此次設(shè)計采用的這種結(jié)構(gòu)是利用蓋帽來保護軸端螺紋，非常實用于腐蝕性介質(zhì)的場合。如圖3-1結(jié)構(gòu)所示：
圖3-1 推進式攪拌器槳葉展開圖
推進式攪拌器的旋轉(zhuǎn)方向會使槳葉前表面成為螺旋面的一部分，其后表面就會成為常用的二次拋物面或者圓弧面。螺旋面是不可以展開的，因此我們只能夠采取近似的辦法來將槳葉展開。把垂直于攪拌軸線上的平面當(dāng)作是槳葉的投影面，然后再把槳葉斷面在這上面的投影近似展開，就可以得到推進式攪拌器槳葉的展開面，展開的面上就會得到槳葉的實際寬度。
3.1.2 結(jié)構(gòu)尺寸
(1) 圖3-1中的A是由槳葉展開面起點到坐標(biāo)原點(軸套中心)的距離。
(3-1)
參考文獻[4]可知，軸套外徑一般為 ，通常取 。
(2) 將從葉片前端的地方到軸承的長度分為10等分，使其半徑分別是、、…、，對應(yīng)的葉寬就為、、…、。用來表示任意的值，因此任意半徑是處的槳葉展開的寬度是，的計算公式為：
(3-2)
式中：
一槳葉寬度系數(shù)，取值如下：
表3-1 槳葉寬度系數(shù)
0.182
0.224
0.26
0.282
0.31
0.32
0.322
0.308
0.276
0.212
0
(3) 沿著軸套的槳葉展開的寬度b為：
(3-3)
式中：
一槳葉根部（軸套處）斷面與攪拌軸軸線的夾角
(3-4)
式中：
一槳葉根部（軸套處）的螺旋截面升角
(3-5)
由上可知： ， ，代入(3-5)可得：
所以
其中 、 角如圖3-2所示：
圖3-2 推進式攪拌器的斷面示意圖
取3-1表中數(shù)據(jù)，代入式(3-2)中，可得：。在把，， ，代入(3-3)中得：。
因此，我們此本設(shè)計就取軸套長度為 。
(4) 處槳葉寬度的半徑 計算公式如下：
(3-6)
把，，代入式(3-6)中得：
。
(5) 沿軸套的槳葉根部展開圓弧半徑 的計算公式為： (3-7)
把，，代入式（3-7）中得：
(6) 查文獻[1]P278可知，當(dāng)槳葉直徑 的時候，對鋼制的槳葉，其前端的厚度我們可以取，槳葉根部靠近軸套處的厚度可按 的范圍來初步選定，由于我們這次槳葉設(shè)計采用的是316不銹鋼材料，因此，我們就選定前端厚度為4mm，槳葉根部靠近軸套的厚度可取(24～48)mm，本次設(shè)計就取28mm。
4 攪拌軸的設(shè)計與校核
在對攪拌軸進行設(shè)計的時候，我們一般要從四個因素去考慮：攪拌軸的扭轉(zhuǎn)變形；從臨界轉(zhuǎn)速去核算軸徑；彎扭矩共同作用的強度；攪拌軸在軸封處的允許徑向位移?？紤]完這些因素之后所得到的軸徑只算是危險截面處的軸徑，一般在得出攪拌軸的實際直徑的時候，還得考慮到其腐蝕裕量，最后在根據(jù)算出來的軸的直徑圓整為現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的軸徑。
4.1 攪拌軸的力學(xué)結(jié)構(gòu)
對攪拌軸進行設(shè)定：攪拌器及其軸上的其它零件的各種力都設(shè)定為作用在零件軸套的中間；攪拌軸除了受到扭矩的作用以外，還應(yīng)該考慮到攪拌器上流體的徑向力及攪拌軸跟攪拌器在組合的時候重心的地方質(zhì)量會騙心所引起的離心力的作用；此次設(shè)計的聯(lián)軸器連接的可拆的軸可以看成是整體軸。由這些設(shè)定我們可以將此次懸臂軸的受力簡化成為簡支梁來看。
4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過已知條件，我們可以知道此次設(shè)計筒體內(nèi)的介質(zhì)粘度為，由此可以看出粘度系數(shù)很小，因此可看出攪拌軸在筒內(nèi)受到的扭轉(zhuǎn)力不大。所以本次設(shè)計攪拌軸上只要安裝一個攪拌器就可以滿足條件要求，因此攪拌軸兩端可確定為階梯軸。
4.3 攪拌軸機械計算
4.3.1 受扭轉(zhuǎn)變形計算攪拌軸的軸徑
由文獻[5]P370可知，軸的直徑為：
(4-1)
式中：
—攪拌軸傳遞的最大扭矩；
—軸的許用扭轉(zhuǎn)角， ，對于懸臂軸來說，；
G —切變模量，由文獻[6]P77可知，鋼材的G值約為，為80000MPa。
(4-2)
式中：
一傳動裝置的轉(zhuǎn)動效率，由文獻[1]P264可知，選
因此，，
把代入式(4-1)中得到：
。
4.3.2 按強度計算攪拌軸的軸徑
(1) 尺寸的確定
對于此次的設(shè)計，我們采用的是懸臂軸，并且還是等直徑的，如圖4-1（b）右圖所示，在進行計算前，要先確定出兩個尺寸。第一個就是攪拌側(cè)的軸承到傳動側(cè)軸承的距離，把它定義為字母a，第二個就是攪拌器槳葉到攪拌側(cè)軸承的距離，定義為L，通過文獻[7]P313對機架的選定，我們可以確定出a=388mm，從而確定出L=2500mm。
對于懸臂支撐的攪拌軸的徑向力:
(4-3)
把，，代入(4-3)中得：
(a) 多層槳葉受力圖[3]
(b) 攪拌軸軸承外的外伸軸[3]
圖4-1懸臂攪拌軸典型受力圖
。
(2) 由徑向力引起的軸的彎矩計算
攪拌容器與攪拌軸組合質(zhì)量偏心所引起的離心力為：
(4-4)
徑向力引起的軸的彎矩的計算公式如下：
(4-5)
(3) 由軸向力引起的攪拌軸彎矩的計算
由文獻[1]P291可知，當(dāng)或者任一攪拌器的時候，取，因為本次設(shè)計壓力為0.2MPa，所以可以取。
把，代入公式:
(4-6)
可得：
(4) 彎扭矩共同作用時軸徑的計算
把，，代入公式
(4-7)可得：
式中：
一攪拌軸在彎扭矩共同作用下產(chǎn)生的當(dāng)量彎矩
因此,在共同作用下的攪拌軸的直徑為：
(4-8)
式中：
為攪拌軸的許用剪應(yīng)力，根據(jù)文獻[1]P265規(guī)定：
(4-9)
其中，，所以，因此軸徑為：
因此，在彎扭矩共同作用下的軸徑為32.35mm
4.3.3 根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速核算軸徑
由文獻[1]P255可知，攪拌器槳葉的直徑為800，筒體直徑為2400，在此我們應(yīng)該要考慮到在軸上開鍵槽的直徑對強度影響的強弱，所以在這次設(shè)計當(dāng)中我們就選取攪拌軸的直徑為100，由上面計算可知道，攪拌軸軸徑已經(jīng)符合扭矩校核以及彎扭矩共同作用的校核，因此我們就進行以下對臨界轉(zhuǎn)速的校核。
(1) 一開始我們可以對攪拌器質(zhì)量進行估算。攪拌器單個槳葉的長度(攪拌器的半徑)為400，根據(jù)文獻[8]P54的規(guī)定，我們?nèi)嚢杵鞯钠骄穸葹?8mm，攪拌器的平均葉寬為，在這次設(shè)計當(dāng)中，我們就選用0.25倍來算，因此平均葉寬就為200mm，如此一來就可以把槳葉看成是長方體,查得316材料的密度為，于是就可以知道質(zhì)量大約為：
因此可以大約估算出攪拌器質(zhì)量為34.26Kg。
(2) 其次是算出攪拌側(cè)軸的質(zhì)量：
(4-10)
剛性軸的有效質(zhì)量,計算公式如下：
(4-11)
式中：
一混合的液體密度，1050，
計算可得：。
(3) 軸的有效質(zhì)量在攪拌器末端處的當(dāng)量質(zhì)量：
(4-12)
把a=388mm,L=2500mm，代入(4-12)中得到：
。
攪拌器的有效質(zhì)量為：
(4-13)
在末端處所有當(dāng)量質(zhì)量的總和為：
(4-14)
(4) 等直徑的攪拌器懸臂軸的臨界轉(zhuǎn)速為：
(4-15)
由文獻[1]P287可知，對于剛性軸并且是推進式的攪拌器而言，攪拌軸操作轉(zhuǎn)速n和臨界轉(zhuǎn)速的允許比值應(yīng)該滿足并且，本次設(shè)計的轉(zhuǎn)速，當(dāng)所取攪拌軸軸徑為d=80mm的時候，，由此可知，攪拌軸徑d=100mm滿足設(shè)計要求，所以此次設(shè)計的攪拌軸直接就為d=100mm。
4.4 攪拌器浸入溶液深度的確定
由文獻[3]P253可知：
攪拌器浸入溶液的深度為：
(4-16)
5 功率的確定及攪拌器槳葉的校核
5.1 電動機的計算功率和額定功率
5.1.1 電動機計算功率的確定
電動機計算功率公式如下：
(5-1)
式中：
一攪拌軸軸功率，
一攪拌軸軸封處的摩擦損耗功率，
一傳動裝置各零部件的傳動效率
由文獻[1]P350可知，本次設(shè)計就選用雙端面軸向帶內(nèi)置軸承的機械密封(2005型)，所以機械密封處的摩擦損耗功率計算公式為：
(5-2)
式中：
一軸封處攪拌軸直徑，
由上設(shè)計可以知道，攪拌軸的軸徑為100mm，因此我們可以取軸封處的直徑為90mm，代入(5-2)得：。
考慮到攪拌軸轉(zhuǎn)速、單向旋轉(zhuǎn)以及安裝形式等各方面的條件，此次設(shè)計我們選用擺線針輪傳動，因此我們可以取。
由此我們可以求出電動機計算功率為：
，圓整為
5.1.2 電動機額定功率的確定
由于計算功率，因此我們可以選擇額定功率為3KW的電動機。
5.2 攪拌器設(shè)計功率
由上述設(shè)計可知，我們所用的是三葉、單層式的推進式攪拌器，因此攪拌器的設(shè)計功率為：
(5-3)
把，，代入式(5-3)中，得：
，
因此可算出每個葉片的設(shè)計功率為：
5.3 推進式攪拌器的強度計算
如圖5-1所示，槳葉的危險斷面在I-I處，其受到了與攪拌軸平行的垂直力 和垂直于攪拌軸線的水平力 的作用。垂直力 作用于槳葉的 處；水平力作用于槳葉的處。
圖5-1 槳葉危險截面及受力示意圖[3]
(1) 、 值，如下表5-1所示:
表5-1 作用力位置系數(shù) 、 值
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
0.696
0.695
0.690
0.687
0.685
0.688
0.690
0.696
0.600
0.595
0.611
0.617
0.624
0.632
0.641
0.649
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
0.701
0.706
0.710
0.714
0.714
0.718
0.716
0.706
0.653
0.657
0.658
0.658
0.657
0.655
0.650
0.646
(2) 每個葉片的水平力和軸向力的計算公式如下：
(5-4)
(5-5)
式中：
—設(shè)計功率；
—螺距；
—葉片的個數(shù)；
—攪拌軸的轉(zhuǎn)速；
把，，，分別代入(5-4)和(5-5)中得：
(3) 計算、作用在I-I斷面產(chǎn)生的彎矩、
(5-6)
(5-7)
把，，，，分別代入式(5-6)和(5-7)中，得：
，
，
作用在攪拌軸線的平面內(nèi)，作用在垂直于攪拌軸線的平面內(nèi)，將其轉(zhuǎn)化到斷面的兩個主慣性軸x-x和y-y上的彎矩為：
(5-8)
(5-9)
把，，分別代入式(5-8)和(5-9)中得：
，
。
(4) 由于此次設(shè)計是將I-I斷面作為二次拋物線形成的弓形斷面，則對x-x和y-y的斷面慣性轉(zhuǎn)矩為：
(5-10)
(5-11)
式中：
-槳葉有效厚度，mm，由文獻[9]P122可知，厚度在26-30mm的負偏差為0.9mm，腐蝕裕量為2mm。代入公式：
(5-12)
(5) 在I-I斷面上的1、2、3點處的應(yīng)力如下：
(5-13)
(5-14)
(5-15)
把，，，分別代入式(5-13)、(5-14)、(5-15)中可得：
5.4 槳葉材料的許用應(yīng)力
對于本次設(shè)計，我們所用的材料是316，牌號為06Cr17Ni12Mo2的不銹鋼，查的其，安全系數(shù)為，則其彎曲許用應(yīng)力為：
(5-16)
，
扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力:
(5-17)
5.5 槳葉的校核
由上面計算可知，只要、、滿足條件即可。因為，、均是小于許用應(yīng)力，所以槳葉設(shè)計符合要求。
5.6 槳葉設(shè)計的其他要求
(1) 由于此次設(shè)計，槳葉名義厚度為28mm，超過了16mm，因此要采用加強筋槳葉結(jié)構(gòu)。
(2) 本設(shè)計中槳葉、軸套與加強筋之間的連接采用焊接。并且在其之間采用全焊透雙面焊；焊腳高度不得大于較薄厚度的0.85倍，并且不小于0.75倍。
5.7 攪拌的附件
由上面計算可知，，是屬于強湍流區(qū)域，因此我們在設(shè)計的時候應(yīng)該要有擋板，可以消除攪拌過程中產(chǎn)生的渦流，增大攪拌的強度。
在本次設(shè)計中，我們采取四個擋板，其中，。擋板上緣我們?nèi)〉陀谝好?20mm，下緣面取與容器底封頭的切線齊平。
式中：
一擋板寬度；
一擋板與容器內(nèi)壁的間距。
6 攪拌器與攪拌軸的連接
6.1 攪拌器軸與軸套的連接
攪拌器軸與其攪拌軸套采用的是鍵連接，并且用止動螺釘來將它們固定。攪拌器軸套的長度為210，軸套外徑為160。在本次設(shè)計當(dāng)中，我們采用普通平鍵來連接軸套與軸，軸的直徑為100，采用鍵B28100 GB/T1096-2003。因此，根據(jù)文獻[5]P106，我們可以得出：鍵寬b鍵高h選用，輪轂長度為 200mm，鍵長度L為180mm，轂深度6.4。
鍵上強度由式(6-1)可得：
(6-1)
把，代入得：
6.2 鍵連接的強度計算及校核
6.2.1 鍵連接的剪切強度計算及校核
由公式(6-2)可知：
(6-2)
把，d=100mm，b=28mm，L=180mm代入式(6-2)中得：
查文獻[5]P106可知：
因為<，
所以符合剪切強度校核。
6.2.2 鍵連接的擠壓強度計算及校核
由公式(6-3)可知：
(6-3)
把，d=100mm，h=16mm，L=180mm，代入式(6-3)中得：
，
查文獻[5]P106可知，
因為<，
所以符合擠壓強度校核。
因此，采用鍵B28100 GB/T1096-2003 是可以的。
7 傳動裝置
攪拌器的傳動裝置包括電動機、減速機、機架、安裝底蓋、凸緣法蘭、聯(lián)軸器。
7.1 電動機的選型
由上述計算可知，電動機的額定功率確定為3KW，根據(jù)文獻[10]P146可選：電動機為Y系列V1型的立式電動機，其型號為Y100L2-4。
7.2 減速機的選型
根據(jù)此次條件要求以及傳動效率的要求，因此我們本次設(shè)計就選用擺線針輪減速機。由已知條件我們可以知道攪拌器轉(zhuǎn)速是為150，電動機的額定功率為3KW,查文獻[11]P156，可選用XLD型擺線針輪減速機。根據(jù)文獻[1]P365規(guī)定，此次設(shè)計的攪拌軸軸徑為d=100mm，因此可選出減速機的輸出軸軸徑為mm，本次設(shè)計就采用輸出軸軸徑為80mm的減速機，根據(jù)文獻[12]P772查的，本次設(shè)計選用減速機型號為。外形如7-1圖所示：
圖7-1 減速機外形示意圖[3]
7.3 機架選型
因為機架是用來安裝減速機用的，所以其尺寸要跟減速機尺寸相配。本次設(shè)計我們采用單支點機架，可適用于減速機輸出軸側(cè)的軸承作為一個支點者或者在攪拌容器內(nèi)設(shè)置中間軸承，并且能夠作為一個支點者。由于本次設(shè)計的攪拌軸軸徑為100mm，根據(jù)文獻[1]P313查得，選公稱直徑為500mm的機架，其型號為B500-100，材料為HT200。機架外形圖如圖7-2所示：
圖7-2 單支點機架外形示意圖[3]
7.4 安裝底蓋的選擇
根據(jù)規(guī)定，機架、安裝底蓋和凸緣法蘭的公稱直徑需要相等。因此，安裝底蓋的公稱直徑也需為500mm。本次設(shè)計我們選用上裝式攪拌軸，標(biāo)記為HG 21565-95 底蓋。
7.5 凸緣法蘭的選擇
此次設(shè)計我們采用上裝式傳動軸，需要凸緣法蘭、機架和底座的公稱直徑要相等，因此凸緣法蘭的DN也要為500mm。則所選凸緣法蘭的標(biāo)準(zhǔn)為，型號為法蘭 R 500-0Cr17Ni12Mo2。
圖7-3 機架、凸緣法蘭、軸封和安裝底蓋的組配[3]
7.6 聯(lián)軸器的選取
由上面計算和選取可知電機的功率為3，攪拌軸的直徑為100，攪拌軸轉(zhuǎn)速為150。并且考慮到此次設(shè)計當(dāng)中對聯(lián)軸器對中性能的要求較高，因此我們就選用剛性聯(lián)軸器。
聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩：
(7-1)
聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩為：
(7-2)
查文獻[5]P351可知：，代入式(7-2)中得：
由文獻[3]P329查的，軸徑為80mm的凸緣聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩[T]為5800，因為<,所以我們就可以選型號為。
7.7 軸封
根據(jù)條件可知，要求攪拌器連續(xù)運作，因此本次設(shè)計我們采用的是機械密封，由文獻[1]P350查得，本次設(shè)計將使用2005型雙端面軸向帶內(nèi)置軸承的機械密封，標(biāo)記為 。
7.8 軸承的確定
由于滾動軸承的摩擦阻力比其他軸承的小，而且功率損耗也不多，維護潤滑都挺簡單，起動也比較快，選用方便，在各種機械設(shè)備中的應(yīng)用也比較廣泛。因此此次設(shè)計我們就選用滾動軸承。
通過對軸承所承受載荷的方向、大小和性質(zhì)的了解和認識，并且查文獻[13]P153可知，本次設(shè)計選用角接觸球軸承，主要承受軸向載荷，也可承受一定的徑向載荷，其代號為7211C，軸承的密封我們就選用氈圈式密封，潤滑則選用脂潤滑。
8 筒體及封頭的強度設(shè)計
8.1 內(nèi)筒體和封頭厚度的確定
8.1.1 受內(nèi)壓時筒體厚度確定
(1) 通過對液柱靜壓力和設(shè)計壓力的計算來確定出計算壓力的大小
液柱靜壓力為：
(8-1)
由于設(shè)計壓力的5％為，顯然液柱靜壓力已經(jīng)超過了設(shè)計壓力的5%，因此我們應(yīng)該把液柱靜壓力算入計算壓力中，則：
式中：
一為設(shè)計壓力，0.2MPa
(2) 設(shè)計厚度的確定
查文獻[14]P143可以知道，材料316在工作溫度條件下的許用應(yīng)力為，則筒體的計算厚度為：
(8-2)
式中：
一為焊縫系數(shù)，由文獻[15]P209查得：焊縫系數(shù)，
把，，，代入式(8-2)中可得：
。
由文獻[16]P122可知，材料316的負偏差為0.9mm，腐蝕裕量為2mm，且對于容器材料為高合金鋼的，要求不包括腐蝕裕量的最小厚度應(yīng)該不小于2，因此計算厚度就選用2，則設(shè)計厚度為：
(8-3)
式中：
一316材料的腐蝕裕量，
則筒體的名義厚度為：
(8-4)
因此有效厚度就為:
(8-5)
8.1.2 受內(nèi)壓時封頭厚度的確定
根據(jù)此次設(shè)計要求，從各方面考慮，決定用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。
封頭厚度的計算公式為：
(8-6)
由文獻[15]P214可知，針對標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，K取1，代入式(8-6)中得：
。
查文獻[16]P122可知，對于容器材料為低合金鋼的，要求不包括腐蝕裕量的最小厚度應(yīng)該要不小于3，因此計算厚度就選用3，則設(shè)計厚度為：
(8-7)
名義厚度為：
(8-8)
因此有效厚度為：
(8-9)
8.1.3 受外壓時筒體厚度確定
在受到外壓的作用時，所求厚度計算如下：
(1) 設(shè)筒體厚度為。
有效厚度，
式中：
─0.9，
則：筒體外徑為:
(8-10)
筒體計算長度L應(yīng)該包括封頭直邊段長度(50)和封頭曲面深度()的。
因此：
，。
(2) 由文獻[9]P166得，筒體的臨界長度的公式為：
因為<,可以知道此次筒體為短圓筒。所以：
(8-11)
把，，代入式(8-11)中得：
因為，所以。
(3) 由文獻[15]P250，查得：。
(4) 筒體的許用外壓力：
(8-12)
把數(shù)據(jù)代入可得：
。
(5) 由于，因此其厚度還需要在增大，我們就應(yīng)該重新對筒體的厚度進行設(shè)定。
此次設(shè)為，然后按照以上步驟再進行計算，可得出：=。
查得：。
由此可得出：。
因為，而且數(shù)值相近，因此筒體的名義厚度就可以確定為16mm。
由上面計算就可以得出筒體的有效厚度為，名義厚度為。
8.1.4 受外壓時下封頭厚度的確定
(1) 橢圓封頭當(dāng)量球殼內(nèi)半徑為：
(8-13)
查文獻[15]P214可知，K=1。
因此:
。
(2) 我們對封頭的名義厚度進行設(shè)定，取值為。
有效厚度就為。
(3) A值的確定
(8-14)
(4) 查得：。
(5) 許用應(yīng)力的確定：
因為，而且數(shù)值相近，因此封頭的名義厚度就可以確定為16mm，則有效厚度就為13.1mm。
8.1.5 壓力試驗及應(yīng)力校核
由文獻[3]P158得：
(8-15)
式中：
一在試驗溫度下材料的許用應(yīng)力，試驗溫度為90攝氏度。
(8-16)
查文獻[5]P236得：對于316，。
則。
由于，因此筒體的強度校核合格。
通過以上的計算，可知在內(nèi)、外壓作用時確定出的封頭及其筒體的名義厚度都為16mm，有效厚度都為13.1mm。
8.2 夾套筒體及封頭厚度的確定
8.2.1 夾套筒體厚度計算
由條件可知,查文獻[10]P38可得：
夾套的直徑為。本次設(shè)計采用的是不可拆卸的整體夾套，所用材料為。
其夾套筒體的計算厚度就為：
(8-17)
式中：
一焊接接頭系數(shù)0.85，
一筒體的內(nèi)徑2400，
由文獻[15]P205查得：在90度時，材料的許用應(yīng)力為133，代入(8-17)得：
由文獻[16]P133可知，對于容器材料為碳素鋼的，其不包括腐蝕裕量的最小厚度應(yīng)該不小于3，因此，設(shè)計厚度就為：
式中：
一腐蝕裕量，對于 來說就等于1。
通過文獻[6]P222查得：，名義厚度為：
有效厚度為。
8.2.2 夾套封頭厚度的確定
夾套封頭厚度為：
(8-18)
同上步驟可得：
夾套封頭名義厚度：
夾套封頭有效厚度，
因為 0.15﹪=3.6，所以滿足其穩(wěn)定要求。
通過以上的計算，夾套封頭及筒體的名義厚度都為，有效厚度為。
8.3 液壓試驗狀態(tài)下的穩(wěn)定性校核
8.3.1 夾套試驗壓力
由文獻[15]P205查得：材料在溫度為90度的時候其許用應(yīng)力為133，在溫度為100度的時時候則為132.8。
；
。
因此夾套的試驗壓力就為=0.325。
8.3.2 內(nèi)筒體的校核
對于筒體的封頭來說，由上可知，，得B=71，則
，因此在試驗中筒體的封頭較穩(wěn)定。
而就筒體而言，= ，得B=48，則：
，
因此在試驗中要對筒體進行保壓，其能維持的最小壓力為。
9 開孔和開孔補強
管口尺寸如下：
表9-1 管口表
符號
規(guī)格
法蘭標(biāo)準(zhǔn)號
用途或名稱
連接面形式
a
DN40
HG20594-97
出料口
--
b
DN25
HG20594-97
水蒸汽進口
RF
c
DN400
HG21515-95
人孔
--
d1-2
DN80
HGT21619-86
視鏡
-
e
DN25
HG20594-97
水蒸汽出口
RF
f
DN25
HG20594-97
備用口
RF
g
DN40
HG20594-97
備用口
RF
h
DN25
HG20594-97
備用口
RF
j
DN25
HG20594-97
備用口
RF
9.1 判斷管口是否需要開孔不強
根據(jù)文獻[5]P342規(guī)定，當(dāng)設(shè)計壓力的殼體上開孔，其中心間距應(yīng)該要比兩孔2倍的直徑之和還要大，并且在接管公稱外徑時，只要厚度滿足表9-2的要求就可以不用在另外進行補強，此次設(shè)計中需要補強的接管只有、和。
表9-2 不另行補強的接管的最小厚度
公稱外徑
25
32
38
45
48
57
65
76
89
最小厚度
3.5
3.5
3.5
4.0
4.0
5.0
5.0
6.0
6.0
9.2 管口c的開孔補強計算
因為管口c為人孔，所以其接管規(guī)格為，采用等面積補強計算得：
其最小補強的面積為：
(9-1)
式中:
—開孔削弱所需要的補強面積，；
d—開孔直徑，；
—殼體開孔處的計算厚度，；
—接管的有效厚度，；
—強度削弱系數(shù)，等于設(shè)計溫度下接管材料與殼體材料的許用應(yīng)力之比，改值大于1.0時，取1.0。接管為20，。
有效寬度就為 ，
因此。
殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積：
=3323.42，
因為
所以，補強滿足要求 ，不需設(shè)補強圈。
9.3 管口a、g開孔補強計算
針對管口、g，其接管規(guī)格為因此我們采用等面積補強來計算。
其最小補強的面積為：
有效寬度為
因此取。
外側(cè)高度為 ，
則，
由于內(nèi)側(cè)高度沒有內(nèi)伸，所以0。
殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積：
，
因為
所以，補強滿足要求 ，不需設(shè)補強圈。
10 總 結(jié)
根據(jù)此次的設(shè)計要求，設(shè)計出了能在操作容積為10L的筒體里面攪拌丙烯酸和醋酸，達到了設(shè)計的目的，能夠使其運行平穩(wěn)，并且可以連續(xù)操作，可以避免手動操作所造成的危害，大大地提高生產(chǎn)效率。在本次設(shè)計中通過查詢各種文獻以及設(shè)計手冊，按結(jié)構(gòu)要求設(shè)計一步一步的做下來。
首先，根據(jù)所給的條件對攪拌軸的攪拌功率進行確定；然后對攪拌器的結(jié)構(gòu)形式進行設(shè)計；接下來就是根據(jù)所給條件及設(shè)計所得的來設(shè)計出攪拌軸；再對攪拌器槳葉及攪拌軸的軸徑就行校核；以及再對機架、電動機、安裝底座、減速機、聯(lián)軸器等一系列的傳動裝置進行選定；最后根據(jù)所給條件對筒體和夾套進行校核，對管口進行開孔不強。
通過這次對攪拌器的設(shè)計，我相信不管是在今后的學(xué)習(xí)中，或者是工作中都能對我有一定的啟發(fā)，同時也讓我對化工設(shè)備增加了不少了解，并且讓我逐漸掌握了對設(shè)計手冊以及其他參考書的應(yīng)用，學(xué)會了怎么去利用手冊去查閱自己所需的尺寸，然后在根據(jù)其設(shè)計出自己所要的，經(jīng)過這次的畢業(yè)設(shè)計，對于自己所學(xué)所掌握的知識是一次很好的驗收機會?？偟膩砜矗约核獙W(xué)習(xí)的東西還有很多，今后要更加的努力才能有所成。
謝 辭
經(jīng)過這次的設(shè)計，我要感謝我的指導(dǎo)老師靳玉柱老師，由于自己的專業(yè)知識有限，感謝老師能給予我專業(yè)知識上的幫助，這對我畢業(yè)設(shè)計有了莫大的幫助，才能在老師耐心的指導(dǎo)下完成設(shè)計。同時，在這次設(shè)計當(dāng)中，也得到了周圍同學(xué)以及舍友的幫助，使我在設(shè)計上能夠不斷的改進，直至滿意。因此，不管是老師、舍友或者是班級同學(xué)，我都向他們表示萬分感謝。
參 考 文 獻
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