Да ли употреба опруге{0}}оптерећеног држача за монтажу смањује циклично напрезање на хладном крају ПФА грејача током вибрација изазваних мешалицом{1}}?

The agitator induces vibration in stirred tanks that results in cyclic bending moments on the cold end of the PFA heater (flange to sheath transition). This cyclic stress (usually 2-8 MPa peak) causes fatigue cracking after 106-107 cycles (months to years). By using a spring-loaded mounting bracket, where the heater flange is held against springs rather than rigidly bolted, the transmitted vibration amplitude to the cold end is reduced by 60-90% and the cycle stress by 0.5-2 MPa. The springs are mechanical filters: a low stiffness (10–50 N/mm) allows the heater to follow the vibration rather than fight it and dissipate energy by dampening. For tanks with agitator speeds >100 обртаја у минути или са неуравнотеженим радним колима, опруге{1}}оптерећене конзоле повећавају век замора на хладном крају 3–10×. За апликације са ниским вибрацијама (<50 RPM) rigid mounting is suitable.

Пренос вибрација и концентрација напрезања
На чврсто постављеном грејачу, прирубница се причвршћује директно на зид резервоара. Вибрација мешалице на зиду резервоара (амплитуда 0,1-1,0 мм на 10-50 Хз) се у потпуности преноси на прирубницу грејача. Хладни крај, где ПФА плашт излази из прирубнице, је конзолни корен. У овом тренутку момент савијања је М=Ф × Л где је Ф=м × а (маса грејања × убрзање), а Л је дужина грејача. За грејач од 1,5 м, 3 кг са вибрацијом зида резервоара од 0,5 мм при 20 Хз (а 4 м/сец2), Ф 3 к 4 12 Н, М 12 к 0,75 (центар масе) 9 Нм. На хладном крају (модул пресека З ≈ 2.000 мм³ за зидну цев од 25 мм, 2 мм) напон савијања σ=М/З=9е6 Н·мм / 2.000 мм³=4, 500 Н/мм? То је 4,5 ГПа - незамисливо. Грешка : З за цев 25*2 мм=π ( Д 4 - д 4 )/32Д=0.098 ( 390,625 - 194,481 ) / 25=0.098 * 196,144 / 25=19,222} мм {{50}=9,000,000/769=11,700 Н/мм2=11.7 МПа. То се може урадити. Ово циклично оптерећење од 11,7 МПа на 20 Хз (1,7 милиона циклуса/дан) може да изазове квар у ПФА (граница замора ≈ 5-8 МПа) у року од неколико недеља.

Опружни-носач (к=30 Н/мм) са пригушењем смањује пренесено убрзање на 0,3-0,5 м/с2. Ф=3 × 0.4=1.2 НМ=1.2 × 0.75=0.9 Нм σ=900,000 / 769=1,170 Н/мм2=1.2 МПа - знатно испод границе замора. Грејач се никада не гаси.

Поређење животног века замора (мешалица 200 о/мин, вибрација зида резервоара од 0,3 мм)
Тип монтаже Брзина опруге (Н/мм) Преношено убрзање (м/с²) Вршно циклично напрезање на хладном крају (МПа) Циклуси до отказа (10⁷ циклуса основна линија) Процењени век трајања при 200 РПМ (сати)
Чврсто (без опруга) ∞ (~10.000) 4,0–5.0 10–15 1 × 10 6 800
Чврста гумена подлога (5 мм) 500–1,000 2.5–3.5 6–9 3 × 106 2,500
Носач од меке гуме 100-200 1.2-2.0 3-5 2к10^7 16,000
Spring isolator (steel springs) 30-60 0.5-0.8 1-2 >1 × 10⁸ >80.000 (10+ година)
Spring + viscous damper 20–40 0.2–0.4 0.5–1 >1 к 10⁹ Неограничено
Флексибилна плетена веза (без чврстог носача) Н/А (раздвојено)<0.1 <0.3 Indefinite Indefinite (best)
Спринг{0}}Правила дизајна учитаних заграда
Да бисте ефикасно смањили вибрације:

Брзина опруге: Изаберите к тако да природна фреквенција грејача на опругама, ф_н=(1/2π)√(к/м), буде < 0,5 × фреквенција мешалице. За м{6}} кг, мешалица ф=3.3 Хз (200 РПМ), жељени ф_н < 1,6 Хз. Затим к=м (2π фн ) 2=3 (10) 2=300 Н/м=0.3 Н/мм - сувише благо. Практичне опруге имају 10-50 Н/мм стога фн=(1/2π)√(50,000/3)=0.16√16,667=0.16к129=21 Хз – изнад фреквенције мешалице. Због тога се још више тресе! Опруге треба да буду довољно мекане да поставе $ф_н$ испод фреквенције побуде. ф_н би требало да буде<2 Hz for 200 RPM (3.3 Hz). That means k = m (2π*2)² = 3 (12.6)² = 3 (159) = 477 N/m = 0.48 N/mm - very soft. Use rubber isolators (soft rubber) or air springs. Metal coil springs @ 10 N/mm fn = 1/2pi*sqrt(10,000/3) = 0.16 * sqrt(3333) = 0.16 * 58 = 9.3 Hz - still over agitator frequency. So, metal springs alone are not enough. Use rubber mounts (softer) or flexible braided connectors.

пригушивање: Користите еластомерно пригушивање (гумене подлошке) да бисте апсорбовали енергију и избегли резонанцију. Меке опруге могу да резонирају при покретању-или заустављању ако нису пригушене.

Ход: Опруге треба да имају довољан ход (5-10 мм) да прилагоде амплитуду вибрација без искорењивања.

Најбоље решење: флексибилно раздвајање
For agitators with significant vibration (>200 RPM, >0,5 мм амплитуде) оптимална опција нису опруге, већ флексибилно плетено метално црево које повезује грејач са прирубницом резервоара (погледајте члан #21). Црево лабаво виси на грејачу. Плетени нерђајући челик има веома ниску крутост на савијање, тако да вибрације из резервоара не путују кроз црево. Ово потпуно изолује грејач. Нема опруга, нема умора, нема слома.

Пример поља
Хемијски реактор са мешалицом од 300 обртаја у минути (небалансирано радно коло) имао је квар на хладном-крају ПФА грејача сваких 4 до 6 месеци. Постројење је било опремљено опругом (к=20 Н/мм гумени изолатори), али је ипак отказало након 9 месеци. Амплитуда вибрација прирубнице грејача била је 0,3 мм од врха до врха. Постројење је претворено у флексибилни плетени носач за одвајање црева. Грејач није имао хладне{11}}прслине након 3 године рада. 200хосесавед200хосесавед уштедело је 2.000 долара у замени грејача и 20 сати застоја.

Закључак: Смањење напрезања помоћу носача са опругом, флексибилно раздвајање је боље
Монтажни носачи{0}}оптерећени опругом смањују циклично напрезање на хладном крају ПФА грејача за 60–90% током вибрација изазваних мешалицом-у поређењу са крутом монтажом, повећавајући век трајања замора 3–10 пута. Гумени изолатори (к=50–200 Н/мм) су ефикасни за ниске-до-умерене вибрације (<200 RPM, <0.3 mm amplitude). Only springs are not enough for strong vibration (>200 RPM, >0,3 мм) јер светлосне опруге (к<1 N/mm) are required to keep the natural frequency below the excitation frequency. In these situations employ flexible braided hose decoupling, which is the sole method to minimise stress to minimal levels. Measure the vibration. Calculate the stress. Pick the isolation. The weak point is the cold end. Guard it. A rigid mount is a crack waiting to happen. Separation or Decoupling. Your heater will live.