Расчет вала ЭЦН. Различают валы прямые, коленчатые и гибкие. Наибольшее распространение имеют прямые валы. Коленчатые валы применяют в поршневых машинах.
Гибкие валы допускают передачу вращения при больших перегибах.
По конструкции различают валы и оси гладкие, фанонные или ступенчатые, а так же сплошные и полые.
Образование ступеней на валу связано с закреплением деталей или самого вала в осевом направлении, а также с возможностью монтажа детали при подсадках с натягом. Полые валы изготавливают для уменьшения массы или в тех случаях, когда через вал пропускают другую деталь, подводят масло и пр. Прямые валы изготавливают преимущественно из углеродных и легированных сталей.
Валы рассчитывают на прочность. Расчет вала на прочность. Во время работы вал насоса подвергается воздействию крутящего момента, осевой сжимающей нагрузки на верхний торец вала и радиальной нагрузки.
Радиальная нагрузка на вал вызывается насосным расположением валов секций насоса и протектора и возможность неточного изготовления шлицевого соединения. Предварительно оценивают средний диаметр вала по внутреннему диаметру шлицев d концентрационных напряжений и изгиба вала фкр Mкр.max Mкр.max 3.26 Wр 0,2 d3 вн. где, dвн. Мкр.max 3.27 0,2 фкр Максимальный крутящий момент Мкрmax Nmax 3.28 w где, N max- приводная мощность двигателя, 13 т w р n - угловая скорость, сек 30 п-частота вращения электродвигателя, об мин. Напряжение на кручение определяем по пределу текучести материала ут. Допустимое касательное напряжение при кручении принимаем с коэффициентом запаса прочности з 1,5 ф ф фт ут 3.18 з 2з Для вала насоса ЭЦН берем сталь 40ХН с пределом текучести ф 750 Мпа. Насосное соединение валов и некомпенсированные зазоры создают радиальную нагрузку в 60-130 кг.с, действующую на шлицевой конец вала насоса.
Радиальная нагрузка Р, находится по формуле Р1 K 3E J ?у 3.29 C3 где, К - коэффициент, учитывающий компенсирующее влияние зазоров и равный 0,45-0,85 Е - модуль упругости материала вала, Па. J - момент инерции вала, принимаемый с учетом тела втулки.
М ?у - стрела прогиба шлицевого конца вала, вызванная неспособнос- тью в сочленении насоса и протектора, принимается равным 25 10 м С - расстояние от центра подшипника до середины муфты, м Момент инерции вала J р d4вн. а D-dвн. D dвн. z 3.30 64 где, а - ширина шлицы, м D - наружный диаметр шлицев, м z - число шлицев.
Радиальная нагрузка на вал Р2, зависящая от неравномерной передачи крутящего момента шлицами малы и ею можно пренебречь. Пять работающих шлицев дают нагрузку, равную 0,2 Р, где Рокр. 2 Мкр.max 3.31 dср. где, D - средний диаметр шлицев. Р2 0,2 Рокр. 3.32 Изгибающий момент на шлицевом конце вала Мизгб.max Р1 Р2 b 3.33 где, b-расстояние от середины муфты или от точки приложения силы Р до проточки под стопорное кольцо, м. Мизг.max. Р1-Р2 b. Зная момент изгиба и момент кручения, можно определить напряжение изгиба и кручения в опасном сечении вала под проточку на стопорное кольцо . уизг.max Мизг.max 3.34 Wx Wх р d4кр. 3.35 32 D где, Wх- момент сопротивления в месте проточки под стопорное кольцо, м dкр диаметр вала в месте проточки под стопорное кольцо, м уизгб.min Мизг.min 3.36 Wx Напряжение кручения фкр. Мкр.max 3.37 Wp Wр 2 Wx - полярный момент сопротивления вала в месте проточки под стопорное кольцо Эквивалентное напряжение находим по четвертной прочности уэкв. ?у2изг.max 3ф2 3.38 По этой величине и пределу текучести материала вала устанавливается запас прочности с учетом статистических нагрузок п ут 1,3 3.39 уэкв Исходные данные Приводная мощность двигателя N 2000Вт. Частота оборотов двигателя п 2840 об мин. Предел текучести материала вала у 750 МПа. Модуль упругости материала вала У 20 10 МПа. По данной методике произведем расчет с цифровыми значениями Момент инерции вала J р d4вн. а D-dвн D dвн 2 z 64 J 3,14 0,0124 0,0035 0,017 - 0,012 0,017 0,012 2 6 64 J 2,3 10-10 м Нагрузка создаваемая работающими шлицами Р2 0,2 Рокр. Р2 0,2 Mкр.max dср Р2 0,2 2 67,28 0,0155 Р2 1736,2584. Максимальный изгибающий момент в месте проточки под стопорное кольцо Мизг.max Р1 Р2 b Мизг.max 258,957 1736,258 0,035 Мизг.max 69,83 Н м. Минимальный изгибающий момент в этом сечении Мизг.min Р1-Р2 b Мизг.min 258,957-1736,258 0,035 Мизг.min 51,74 Н м Напряжение изгиба в опасном сечении уизг.max Мизг.max Wx где, W р d4кр 32 D W 3,14 0,01574 32 0,017 W 3,51 10-7 м3 Это мы нашли осевой момент сопротивления вала уизг.max. 69,83 3,51 10-7 уизг.max 198,945Мпа Минимальное напряжение изгиба уизг.min. 51,71 3,51 10-7 уизг.min. 147,321 МПа Напряжение кручения фкр Мкр.max Wp где, Wр 2 Wх Wр 2 3,51 10-7 Wр 7,02 10-7 м Это мы нашли полярный момент сопротивления вала фкр. 67,28 7,02 10-7 фкр. 96,114 Мпа Эквивалентное напряжение уэкв ?у2 изг.max фкр2 уэкв v198,9452 3 96,1142 уэкв. 259,409 Мпа Запас прочности по пределу текучести п ут 1,3 уэкв п 750 259,409 п 2,8 Из результатов расчетов видно, что вал из стали 40 ХН диаметром 17 мм со шлицем и с проточкой под стопорное кольцо выдерживает заданные нагрузки с коэффициентом запаса прочности п 2,8, который удовлетворяет условию 2,8 1,4 . 3.5.Прочностной расчет 3.5.1.