Химические и нефтяные аппараты с мешалками

Расчет по теории колебаний может быть автоматизирован применением математических пакетов программирования таких как MathCAD.

Расчет методом конечных элементов является теоретически самым обоснованным методом расчета валов и выполняется в специальном программном пакете. Используемый программный пакет может выступать в роли стандарта по-умолчанию на расчет валов на резонанс.

Расчет валов на резонанс по теории колебаний

Колебания при вращении вала происходят в результате отсутствия равновесия между внутренними силами упругости металла и внешними динамическими нагрузками. При гармоническом колебании отклонение оси вала от прямой происходит по синусоиде, т.е.:

Под степенью свободы понимается определение положения вала относительно системы координат с помощью одной координаты. Этой одной координате соответствует одна мешалка на валу.

Если колебания вала возникают из-за колебаний упругих внутренних сил, колебания являются свободными или собственными. Если под действием внешней силы по закону с заданной периодичностью, то колебания являются вынужденными.

Положительным расчетом вала на колебания является результат, по которому частота собственных колебаний не совпадает и не имеет близкого значения с критической частотой, т.е. с частотой вынуждающей силы.

При расчета по теории колебаний рассчитываются собственные и критические частоты. В случае их совпадения изменяется жесткость вала или устанавливается другая частота вынужденных колебаний.

Изменение жесткости вала связано с изменением статической деформации, которая связана со свободной частотой по формуле:

На резонансной частоте амплитуда вынужденных колебаний неограниченно возрастает при отсутствии внешних сопротивлений:

При наличии ограничителей колебаний, при резонансе амплитуды не превышают какого-либо максимального значения. Для валов мешалок в условиях отсутствия элементов, ограничивающих колебания, важно обеспечить расчетом отсутствие совпадения частот свободных колебаний и резонанса. При разгоне вала до рабочих оборотов, происходит быстрый переход через резонансную частоту, не оказывающий влияния на вал.

Для значений частот, близких к резонансной возникают биения вала. Для случая вала мешалки при отсутствии сопротивлений биению, колебания имеют вид:

Затухающие биения при отходе от частот, близких к резонансным имеет вид:

Для получения формулы вынужденных колебаний с учетом сопротивлений к внешним силам добавляют периодическую возмущающую силу (к внешним силам прибавляется сила препятствующая движению).

Упругие колебания системы с одной степенью свободы в общем случае (вторые два члена формулы относятся к вынужденным колебаниям):

Уравнения для всех трех приведенных случаев колебаний можно получить из него как частные случаи:

– собственные колебания без учета сопротивлений (f = 0, q = 0)

– собственные затухающие колебания (вынуждающая сила W = 0, )

– вынужденные колебания без учета сопротивлений (, , в формуле получается, что первый член является вынужденными колебаниями, остальные два члена свободными колебаниями)

Формула вынужденных колебаний получается из вторых двух членов уравнения упругих колебания после отбрасывания свободных колебаний и замены в формуле

Т.е. вынужденные колебания являются гармоническими (так же как и собственные)

Амплитуда вынужденных колебания находится возведением в квадрат указанных двух членов формулы и последующим сложением:

Как видно из формулы амплитуда вынужденных колебаний пропорциональна возмущающей силе, зависит от сравнительной частоты свободных р и вынужденных m колебаний, определяющих затухание свободных колебаний f.

При m<p амплитуда С приближается к статической деформации вала.

При m=p амплитуда С достигает больших величин, наступает явление резонанса вала.

В отсутствии сопротивлений произойдет разрушение вала через определенный промежуток времени.

При m>p амплитуда С стремиться к нулевому значению, колебания отсутствуют.

Приведем график амплитуд колебаний:

Как видно из рисунка, при резонансной частоте происходит разрыв кривой прогиба вала и разрушение вала.

При расчете вала необходимо не допускать наличия расчетных частот в пределах биения, то есть в пределах близких к резонансной частоте для недопущения разрушения вала. Запас может превышать критическую частоту на 20%. Такой запас, например, установлен для валов центробежных нефтяных насосов в ГОСТ 32601.

При сложении свободных и вынужденных колебаний получается результирующее колебание как результат наложения колебаний, колебание получается в форме биений: