机械设备课程设计

1．HOCH2CH2OH

+

=概述

CH2→

CHCHO

H2O

1.1.机械设计的意义和主要内容

（1）机械设计的主要内容

《机械设计基础课程设计》是在完成《机械设计基础课程》课堂理论学习后的一项重要的实践性设计环节，要求学生综合运用机械设计基础课程及其它先修课程的理论和生成实际知识进行机械设计训练。结合一个简单的机械系统，综合运用所学理论和方法，使学生能受到拟定机械运动方案的初步训练，并能对方案中某些机构进行分析和设计，针对某种简单机器进行机构运动简图设计。

设计过程指从明确设计任务到编制技术文本为止的整个设计工作的过程，一般包括四个阶段：

1）明确设计任务和要求；

2）原理方案设计；

3）技术设计；

4）施工设计。

（2）设计的意义

1.通过课程设计实践环节，使学生树立正确的设计思想，培养学生综合运用理论与生产实际知识来分析和解决机械设计问题的能力，巩固和发展所学到的相关知识。

2.学习和掌握通用机械零件、机械传动装置或简单机械的一般设计方法，培养学生工程设计能力和分析问题、解决问题的能力。

3.进行机械设计基础技能的训练，如计算、绘图、运用设计资料（包括手册、标准和规范等）以及经验估算、CAD技术等机械设计方面的基本技能进行一次训练，以提高这些技能的水平，并为后续专业课程设计和毕业设计奠定基础。

4.结合工业设计专业特点，将结构设计与造型设计知识相结合，通过实践，使学生了解产品设计的基本原则和方法，创造性地提出解决方案，将学生培养成能够在设计中有工程自觉意识的工业设计师。

（3）设计要求：

1.根据机器的使用要求，通过功能分析，制定或分析设计方案。

2.根据机器的工作状态分析和零件载荷计算，合理地选择零件材料，计算正确零件工作能力和确定零件主要参数和尺寸。

3.综合考虑制造工艺、安装和调试、使用和维护、经济和安全等问题，对机器和零部件进行结构设计。

4.图面符合绘图标准规范，尺寸标注正确，技术要求完整合理；说明书计算准确、内容完整、层次清楚、格式规范。

1.2.反应釜基础知识和应用背景

（1）反应釜的基础知识

1、反应釜是在一定压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的两种或多种液体以及液体与固体或气体物料混匀，促进其反应的设备。通常伴随有热效应，由换热装置输入或移出热量。

2、釜体上的夹套主要是用于加热和冷却的模块。釜体内筒通常为一圆柱形壳体，它提供反应所需空间；传热装置的作用足满足反应所需温度条件；搅拌装置包括搅拌器、搅拌轴等，是实现搅拌的工作部件；传动装置包括电机、减速器、联轴器及机架等附件，它提供搅拌的动力；轴封装置是保证工作时形成密封条件，阻介质向外泄漏的部件。内筒一般为钢制圆筒。封头大多选用标准椭圆形封头，为满足工艺要求釜体上安装有多种接管，如物料进出口管、检测装置接管等。常用的传热装置有夹套结构的壁外传热和釜内装设换热管传热两种形式，应用最多的是夹套传热。当反应釜采用衬里结构或夹套传热不能满足温度要求时，常用蛇管传热方式。

3、反应釜根据反应釜的制造结构可分为开式平盖式反应釜、开式对焊法兰式反应釜和闭式反应釜三大类，根据反应釜的密封型式不同可分为:填料密封、机械密封和磁力密封。这次我们实验用的是夹套反应釜，夹套反应釜主要有搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管等一些附件构成。而搅拌容器又可以分为罐体和夹套两部分。

（2）反应釜的应用背景

反应釜普遍应用于石油化工、橡胶、农药、燃料、医药和三大合成材料等过程工业，其中三大合成材料是指塑料、合成橡胶和合成纤维。它们是用人工方法，由低分子化合物合成的高分子化合物，又叫高聚物。反应釜用来完成化工工艺过程的反应。反应釜内进行化学反应的种类很多，控制条件差异很大，物料的聚集状态也各不一样。反应釜具有如下特点：1）操作灵活：可以按照工艺要求进行间歇式、半间歇式及连续操作。

2）温度易于控制：根据生产需要，控制生产的时间，易于控制反应速率。

目前，反应釜逐渐大容积化，这是增加产量、减少批量生产之间的质量误差、

降低产品成本的有效途径和发展趋势；反应釜的搅拌器，已由单一搅拌器发展到用双搅拌器或外加泵强制循环。反应釜发展趋势除了装有搅拌器外，尚使釜体沿水平线旋转，从而提高反应速度；合理地利用热能，选择最佳的工艺操作条件，加强保温措施，提高传热效率，使热损失降至最低限度，余热或反应后产生的热能充分地综合利用。

1.3.本设计的主要思路

（1）设计的主要思路

夹套反应釜主要有搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管等一些附件构成，而搅拌容器又可以分为罐体和夹套两部分。反应釜的设计可分为工艺设计和机械设计两大部分。工艺设计的主要内容有：反应釜所需容积（2m3）、传热面积及构设计成形式、搅拌器形式和功率、转速、管口方位不值等。本文叙述了带搅拌的夹套反应釜设计的程序及注意事项，简述了从问题的提出到参数的确定的全过程。夹套反应釜设计主要包括以下设计及有关零部件、绘图，包括总装图、不见图和零件图等几大部分。

1.总体结构设计

根据工艺的要求，并考虑到制造安装和维护检修的方便来确定各部分结构形式。

2.搅拌器的设计

①根据工艺参数确定各部几何尺寸；

②考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜体和夹套材料

③对罐体、夹套进行强度和稳定性计算、校核。

3.传动系统设计，包括选择电机、确定传动类型、选择联轴器等。

4.决定并选择轴封类型及有关零部件。

5.绘图，包括总图、部件图。

反应釜机械设计

工艺说明

产品介绍：

1-3丙二醇：无味、透明粘稠液体有吸湿性、与水、醇及多种有机溶剂互溶、稍溶于苯和氯仿能与酸反应生成酯。

1-3丙二醇，可作为进一步生产香料、药物等多聚物或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET ）、聚对苯二甲酸丁二酯（PBT ）、聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT ）等高聚物的单体；缩合脱水产物α，β-不饱和醛氧化得到相应的可广泛用作精细化工生产原料的羧酸。

工艺介绍：

该反应是以丙烯醛，水和氢气和碱性催化剂为原料制。以丙烯醛、水、氢气和碱性催化剂为原料制备1-3丙二醇，

罐体几何尺寸计算 1确定筒体自内径

一般由工艺条件给定全容积，筒体内径按照D1公式估算

3

14i

V

D π≈

（1）

式中 V------------工艺条件给定容积，m 3； i-------------长径比，1

1

D H i =

根据题意取i=1.2。已知V=2.5，则

mm 13852

.114.35

.24i

V

4D 3

3

1=??=π≈

，查阅压力容器公称直径GB9019-1998圆整为

D1=1400mm,同时得到V 1m =1.539m 3/m ，F 1m =4.40m 2。 2确定封头尺寸

根据设计要求，该反应釜的封头选用标准为椭圆形封头，类型是EHA 。

椭圆封头选取标准件，它的内径与筒体内径相同，即DN=D1=1400mm 。查附表4，曲边高度h 1=350mm ，直边高度h 2=25mm ，封头总高度为H=h 1+h 2=375mm ，内表面积F 封=2.2346m 2，容积V 封=0.3977m 3。 3、确定筒体高度

反应釜容积V 通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度H1按 公式（2）计算，并进行圆整。

m V V V H 11/）（封-= （2）

式中：V 封——封头容积，m 3；

V1m ——1m 高筒体容积，m 3/m ； V 1m =1.539m 3/m ，V 封=0.3977m 3

mm 1366539.1/）3977.05.2（H 1=-=，圆整后H1=1400mm

当筒体高度确定后，应按圆整后的筒体高度修正设计容积，则

3封1m 1修正m 5523.23977.04.1539.1V H V V =+?=+?=

夹套几何计算

夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的要求而定。夹套和筒体的连接常焊接成封闭结构。 1、夹套内径

夹套下封头直径D2可根据筒体内径D1选取

因为D1=1400mm ，在700-1800mm 之间，所以D2=D1+100=1400+100=1500mm

2、 夹套高度计算

夹套高H2由传热面积决定，不能低于液料高。若装料系数η没有给定，则应合理选用装料系数的值，尽量提高设备利用率。通常取η=0.6-0.85。 η=操作容积/全容积=2.0/2.5=0.8 夹套高H2由公式 计算：

lm

封

2V V -V H η=

其中操作容积V1=V η=0.8?2.5=2.0m 3

H2=（0.8?2.5523-0.3977）/1.539=1.0684m=1068.4mm 圆整为H2=1100mm 3、 传热面积的计算

夹套所包围罐体的表面积（筒体表面积F 筒+封头表面积F 封）一定要大于工艺要求的传热面积F ，即

F F F 封筒≥+

式中 F 筒---------筒体表面积F 筒，F 筒=H 2?F 1m ，m 2 F 封-------封头面积，m 2

F 1m --------1m 高筒体内表面积，m/m 2

221m 筒m 84.440.4100.1H F F =?=?=

22封筒3m 7.0746m 2.23464.84F F >=+=+

因此符合传热要求。因圆筒型夹套传热面积小，故选用圆筒型夹套。

夹套反应釜的强度计算

当反应釜的几何尺寸确定后，则要根据已知的公称直径、设计压力和设计温度进行强度计算，确定罐体及夹套的筒体和封头的厚度。

1强度计算的原则及依据 根据任务书给出的条件，反应釜体内为正压外带夹套，被夹套保围的罐体分别按内压和外压计算，罐体内压为0.6Mpa ，外压为极限时最大内外压差0.3Mpa ；其余部分按内压圆筒设计。 圆筒为正压外带夹套 ：

（1） 当圆筒体的公称直径DN ≥600mm 时，被夹套包围部分的筒体分别按内压和外压计

算，取其中最大值；其余部分按内压圆筒设计。

（2） 当圆筒体的公称直径DN ＜600mm 时，全部圆筒分别按内压圆筒和外压圆筒计算，取

其中较大值。

按内压对筒体和封头进行强度计算 压力计算

材料选择Q235R ，由 设计压力P1（罐体内）0.6Mpa ，设计压力P2（夹套内）0.9Mpa ，可得：工作压力（罐体内）为0.6/1.1=0.55Mpa

工作压力（夹套内）为0.9/1.2=0.75Mpa

设计温度（罐体内）t1=115℃；温度（夹套内）t2=135℃； 液柱静压力：Mpa 014.04.110100.110gh 10P 36-61H

=????=ρ=-

式中 ρ--------水的密度，kg/m 3； g--------重力加速度，取值10m/s 2； h-------罐体筒体高度H1=1.4m ； 计算压力：Mpa 614.0014.06.0P P P 1H 11C

=+=+=

液柱静压力忽略，计算压力：P 2C =P 2=0.9Mpa 罐体及夹套厚度计算

因我们选用的为双面焊的对接焊缝且局部无损伤，故选取罐体及夹套焊接接头系数

85.0=?

设计温度下材料需用应力=147Mpa 罐体筒体计算厚度

[]mm

45.3614

.085.014721400

614.02D P δ1t

11C 1=-???=

-=

C

P φσ

夹套筒体计算厚度

[]mm

42.59

.085.014721500

9.02D P δ2t

22C 2=-???=

-=

C

P φσ

罐体封头计算厚度

[]mm

44.3614

.05.085.014721400

614.05.02D P δ1t

1

1C ,

1=?-???=

-=

C

P φσ

夹套封头计算厚度

[]mm

41.59

.05.085.014721500

9.05.02D P δ2t

2

2C ,

2=?-???=

-=

C

P φσ

取最小厚度mm 6min =δ作为计算厚度δ，腐蚀裕量C2=2.0mm ， 罐体筒体设计厚度mm C 45.50.245.32d 1=+=+=δδ 夹套筒体设计厚度mm C 42.70.242.52d 2=+=+=

δδ

罐体封头设计厚度mm C 44.50.244.32,

d 1=+=+=δδ

夹套封头设计厚度mm C 41.70.241.52,

d 2=+=+=

δδ

钢板厚度负偏差C1=0.6mm ；

罐体筒体名义厚度mm 9n 1=δ（满足mm C mm 6.055.245.3611min =>=-=-δδ）

夹套筒体名义厚度mm 9n 2=δ 罐体封头名义厚度mm 9,

n 1=δ 夹套封头名义厚度mm 9,n 2=δ 按外压对筒体和封头进行稳定性校核 假设一：罐体筒体名义厚度mm 12n =δ； 厚度附加量mm 8.2C C C 21=+= 罐体筒体有效厚度mm C n 2.98.212e =-=-=

δδ

罐体筒体外径mm 142412214002D D n 10=?+=+=δ 筒体计算长度mm 12173503

1

1100h 31H L 12=?+=+

= 式中 H2--------夹套筒体高度，H2=1100mm ；

h1----------曲边高度，350mm

系数855.01424/1217D /L 0==； 系数8.1542.9/1424/D e 0==δ 系数A 由图得：A=0.0008 系数B 由图得：B=100

许用外压[]0.9Mpa

Mpa 65.0/D B

P e

0<==

δ，不满足对稳定性的要求。

假设二：罐体筒体名义厚度mm 14n =δ；

钢板厚度负偏差mm 8.0C 1=； 厚度附加量mm 8.2C C C 21=+=； 罐体筒体有效厚度mm C n 2.118.214e =-=-=

δδ；

罐体筒体外径mm 142814214002D D n 10=?+=+=δ； 筒体计算长度mm 12173503

1

110025h 31H L 12=?+=++

= 式中 H2--------夹套筒体高度H2=1100mm ；

h1---------由表查得h1=350mm ； 系数173.11428/1217D /L 0==； 系数5.1272.11/1428/D e 0==δ； 系数A 由图得：A=0.00085； 系数B 由图得：B=120；

许用外压

[]0.9Mpa

Mpa 94.0/D B

P e

0>==

δ，满足对稳定性的要求。

假设罐体封头名义厚度mm n 14=δ；

罐体封头厚度负偏差mm 8.2C C C 21=+=； 罐体封头有效厚度mm C n 2.118.214,

,

e =-=-=

δδ；

罐体筒体外径mm 142814214002D D ,

n ,1,

0=?+=+=δ； 标准椭圆封头当量球壳外半径mm 2.128514289.0D 9.0R ,

0,

0=?==；

系数

001

.0,

/R 0.125A e ,

0==

δ，系数B=120；

许用外应力

[]0.9Mpa

Mpa 05.1/R B

P e

0>==

δ

罐体封头最小厚度mm D n 1.20015.01400%15.01mi =?==δ（小于e δ，满足要求）。 罐体封头名义厚度为14mm 。 2.5．轴的强度和刚度计算

强度和刚度计算是为了避免过度的弯曲和扭曲的变形，它们的大小与工作应力的大小有关。因此，应注意：

a. 使轴的形状接近于等强度条件，以充分利用材料的承载能力。

b. 尽量避免各轴段剖面突然改变，以降低局部应力集中，提高轴的疲劳强度。

c. 改变轴上的布置，有时可使轴上的载荷减少。 1、轴功率的计算

轴功率是一个专业术语，即轴将动力（电机功率）传给功部件功率。功率值小于电机额定功率。实质上轴功率跟联轴器有很大的关系。

查假设釜内介质为水： 粘度

μ= 0.8937Pa ?s （25℃） 密度

ρ= 997.043kg/m3（25℃）

推进式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的1/5～1/2 推进式搅拌器直径

462140033.033.01j =?=?=D D mm

转速

n=200r/min=200/60r/s=3.33r/s

雷诺数96.7928937

.0043

.99733.3462.0μρRe 22=??==n D j

查图功率因数KN=3，功率准数校正总系数，与搅拌器的形式，几何参数，搅拌容器形状及内附件有关。 总功率

kW

W D K N J N 325.22325462.033.3043.9973ρn 5353==???==

2、扭矩T

轴转速（n ，r/min ）：n=200 r/min 扭矩（T ，N ?m ）：m N 1.02=200

2.325

×9550=n P ×

9550=T ?

P ——轴所传递的功率（kW ）；

n ——轴转速（r/min ）。 3、轴径的计算

轴径（d ，mm ）

[]mm P

62.19200

2.325

61.86200325.21475.02.01055.9n

2.01055.9d 333

633

6==????=

??≥

τ

当轴的截面有开槽时，计算的轴径应适当增大。一般地，开一个键槽时轴径增大3%-5%；开

两个键槽时，增大7%-10%。查资料可知，轴径增大5%，故计算可得：19.62×(1+0.05)=20.60mm ，然后圆整为标准直径，故d=25mm 强度足够。 4、轴的强度计算

轴的强度计算应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法。对于只传递扭矩的圆截面，其强度条件为 :

[]

ττρ

≤?==

3

6

2.01055.9d n P

W T

其中，式中：

τ——轴的扭剪应力，MPa ；

T ——扭距，N ?mm ；

ρW ——抗扭截面模量， ；对圆截面轴，ρW =∏3d /16≈0.23d

P ——轴所传递的功率，kW ； n ——轴的转速，r/min ； d ——轴的直径，mm ；

[τ]——轴的材料的许用应力，MPa 。

已知本设计中，P=2.325kW ，n=200r/min ，d=25mm ，[τ]=147MPa ，则

MPa 147MPa 5.3525

2.01020.111Wp T τ3

3

≤=??== 5.、轴的加工要求

搅拌轴的形位公差和表面粗糙度的要求：一般搅拌轴要求运转平稳，为防止轴的弯曲对轴封处的不利影响，因此轴安装和加工要控制轴的直度。当转速n<100r/min 时，直度允许误差：1000：0.15。轴的表面粗糙度可按所配零件的标准要求选取。

一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。当搅拌轴较长时，轴的刚度条件变坏。为保证搅拌轴悬臂稳定性，轴的悬臂长L1，轴径d 和两轴承间距B 应满足以下关系： L1/B ≤4―5；L1/d ≤40―50

搅拌轴的支承常采用滚动轴承。安装轴承处的公差带常采用K6外壳孔的公差带常采用H7。安装轴承处轴的配合表面粗糙度Ra 取0.8~1.6，外壳孔与轴承配合表面粗糙度Ra 取1.6。

2．反应釜的配件类型

3.1．电动机的选型

反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。传动装置通常设置在釜顶封头的上端。选用电

机型号为Y100L-2 额定功率为3KW ，额定电流为6.3A,转速为2880r/min,效率为82%，重量为34kg 的电机。（同步转速3000r/min 2级） 3.2．支座选型

安装支座的作用是安装机架和密封箱体。安装支座常用形式为RS 和LRS 。由于安装支座的公称直径与凸缘法兰相同，在形式选取时应该注意与凸缘法兰的密封面相匹配。因此本小组设计选用RS 型支座。

3.3．联轴器型式的确定

常用的电机和 减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌轴之间的连接，都是通过联轴器来连接的。

由于T=111.02 N ?m 轴径d=25，由T 及n 条件查标准尺寸，查得TL5的数据为d=28mm,许用最大扭矩为125 N ?m ，[n]max=4600r/min ，满足要求。 所以选用TL5型弹性联轴器。

3.4．机架的选取

机架是安装减速机用的，它的尺寸应与减速机底座尺寸相匹配。其选用类型有三种，无

支点机架、单支点机架和双支点机架。

（1）无支点机架

机架本身无轴的支撑点，搅拌机是以减速机输出轴的两个支撑轴承位受力点。可用于传动小功率、不受或只受较小轴向负荷、搅拌不太强烈的搅拌装置。搅拌轴与减速机的联接必须用刚性联轴器。

（2）单支点机架

单支点机架的选择条件如下：

电动机或减速机有一个支点，经核算可承受搅拌轴的载荷；

搅拌容器内设有底轴层，作为一个支点；

轴封本体设有可以作为支点的轴承；

在搅拌容器内、轴中部设有导向轴承，可以作为一个支点。

当按上述条件选用单支点机架时，减速器输出轴与搅拌器之间采用弹性联轴器；当不具备上述条件时，减速器输出轴与搅拌器之间采用刚性联轴器。

（3）双支点机架

在不宜采用单支点机架或无支点机架时，可以选用双支点机架，但减速器输出轴与搅拌器之间必须采用弹性联轴器链接。

综上所述，此次设计选用的是单支点机架。单支点机架与无支点机架更适合较强烈的、传动功率较大的搅拌，且无双支点机架结构复杂。根据轴封形式，设计选用的填料密封，故选择B型单支点机架，且减速机自带机架，机架材料选用灰铸铁。

3.5．人孔的选取

人孔直径选择为600mm。便于工作人员在安装、清洗、维护时进出油罐或通风。人孔的形状有圆形和椭圆形两种。圆形孔制造方便，应用较广泛，所以本小组设计选用圆形人孔，开孔位于以椭圆封头为中心80%封头内直径的范围内，人孔的大小及位置应以人进出设备方便为原则。对于反应釜，还要考虑搅拌器的尺寸，以便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入筒体内。

3．总结

4.1．设计的主要结论

（1）反应釜是在一定压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的两种或多种液体以及液体与固体或气体物料混匀，促进其反应的设备。通常伴随有热效应，由换热装置输入或移出热量。

（2）反应釜的设计非常重要，像反应釜反应釜所需容积（2m3）、传热面积及构设计成形式、搅拌器形式和功率、转速、管口方位不值等对工艺有着比较大的影响。我们的这个设计是先从反应釜釜体的设计，包括反应釜筒体的设计和计算，反应釜筒体封头的设计选型和计算，反应釜筒体长度的设计，反应釜筒体壁厚设计；然后到反应釜夹套的设计。

（3）轴是组成机器的重要零件之一，轴的设计以及计算校核是我们的重点，大多数轴要负担和传递运动。轴的结构设计遵循一定的准则，要考虑轴的强度和刚度。

（4）最后到反应釜传动装置，其中包括，电动机的选型，减速器的选型，安装底座的设计。这次反应釜的设计用了机械设计基础中的齿轮传动，轴，联轴器等知识。

（5）减速器装置上的每一个零部件都是有表可查的。哪怕是一个小小的螺钉。所以每个步骤都会影响到工艺的结果。我们学会分析对工艺有影响的实验因素，以及认为操作误差。像长径比的影响对搅拌功率的影响，因为搅拌功率与搅拌轴直径的五次方成正比，如果搅拌桨叶的直径随釜体长径比的减小而增大时，将会增大搅拌功率以及对传热的影响，当使用夹套传热时，长径比的增大会使夹套的传热面积增大，同时改善传热效果。

设计的意义

设计存在的主要问题