Shaft Criteria¶

Samenvatting¶

Shaft Criteria (ascriteria) zijn de technische eisen waaraan een mengas moet voldoen om veilig, betrouwbaar en nauwkeurig te functioneren. De as vormt de verbinding tussen de aandrijving en de impeller en brengt het volledige vermogen en koppel van de motor over naar het product.

Bij het ontwerpen van een mengas wordt niet alleen gekeken naar de diameter van de as. Ook factoren zoals buiging, torsie, kritische toerentallen, materiaalkeuze, vermoeiing, corrosie en doorbuiging spelen een belangrijke rol.

Binnen Jongia worden voor iedere menginstallatie berekeningen uitgevoerd om ervoor te zorgen dat de as voldoende sterk en stijf is voor de beoogde toepassing.

Theorie¶

Wat is een mengas?¶

De shaft (as) is het draaiende onderdeel dat de beweging van de motor en gearbox overbrengt naar de impeller.

Tijdens bedrijf wordt de as continu belast door:

het gewicht van de impeller;
het eigen gewicht van de as;
de weerstand van het product;
dynamische krachten;
trillingen.

De as moet deze belastingen jarenlang kunnen weerstaan zonder te bezwijken of overmatig te vervormen.

Waarom zijn shaft criteria belangrijk?¶

Een verkeerd ontworpen as kan leiden tot:

overmatige doorbuiging;
sterke trillingen;
beschadigde lagers;
defecte mechanical seals;
vermoeiingsscheuren;
lager rendement;
onverwachte stilstand.

Daarom wordt iedere as ontworpen volgens vaste technische criteria.

Belangrijkste ontwerpcriteria¶

Bij het ontwerpen van een mengas worden meerdere eigenschappen beoordeeld.

Sterkte¶

De as moet sterk genoeg zijn om het benodigde koppel over te brengen zonder plastisch te vervormen of te breken.

Hierbij wordt gekeken naar:

torsiespanning;
buigspanning;
gecombineerde belasting;
veiligheidsfactor.

Stijfheid¶

Een sterke as is niet automatisch een goede as.

Wanneer een as te veel doorbuigt, kunnen problemen ontstaan met:

lagers;
mechanical seals;
uitlijning;
impellerpositie.

Daarom wordt ook de maximale toelaatbare doorbuiging berekend.

Kritisch toerental¶

Iedere as heeft een eigenfrequentie.

Wanneer het toerental van de mixer dicht bij deze frequentie komt, kan resonantie ontstaan.

Gevolgen zijn onder andere:

sterke trillingen;
lawaai;
snelle lagerslijtage;
beschadiging van de as.

Daarom wordt ervoor gezorgd dat het bedrijfstoerental voldoende ver van het kritische toerental ligt.

Vermoeiing¶

Een mengas draait vaak duizenden uren per jaar.

Zelfs wanneer de belasting relatief laag is, kan door de voortdurende wisselende belasting metaalmoeheid ontstaan.

Bij de berekeningen wordt daarom rekening gehouden met:

het aantal belastingcycli;
spanningswisselingen;
levensduur.

Materiaalkeuze¶

De keuze van het materiaal is afhankelijk van:

mechanische belasting;
corrosie;
temperatuur;
hygiëne;
kosten.

Veel gebruikte materialen zijn:

RVS 316L;
Duplex;
Super Duplex;
Hastelloy;
titanium.

Voor agressieve chemische processen worden hoogwaardige legeringen toegepast.

Diameter van de as¶

Een grotere diameter maakt een as:

stijver;
sterker;
minder gevoelig voor trillingen.

Daartegenover staan ook nadelen:

hoger gewicht;
hogere materiaalkosten;
grotere lagerbelasting;
meer energie nodig om de as op snelheid te brengen.

De optimale diameter is daarom altijd een compromis.

Torsie¶

Tijdens het mengen wordt de as op torsie belast.

Torsie zorgt ervoor dat de as een kleine hoekverdraaiing krijgt.

Bij zeer lange assen moet worden gecontroleerd of deze verdraaiing binnen de toegestane grenzen blijft.

Doorbuiging¶

Vooral lange mengassen kunnen door hun eigen gewicht of door de belasting van de impeller doorbuigen.

Te veel doorbuiging kan leiden tot:

onbalans;
aanlopen;
sealproblemen;
lagerbelasting.

Bij lange assen wordt daarom regelmatig gebruikgemaakt van:

support bearings;
dikkere assen;
aangepaste impellers.

Uitlijning¶

De as moet goed zijn uitgelijnd met:

de motor;
de gearbox;
de koppeling;
de lagers.

Een verkeerde uitlijning verhoogt de belasting op vrijwel alle draaiende onderdelen.

Oppervlakteafwerking¶

Bij productcontact speelt ook de oppervlaktekwaliteit van de as een rol.

Afhankelijk van de toepassing kan de as worden:

geslepen;
gepolijst;
elektropolijst.

Een glad oppervlak:

vermindert productaanhechting;
vergemakkelijkt reiniging;
verhoogt de corrosiebestendigheid.

Ontwerp volgens normen¶

Hoewel iedere fabrikant eigen ontwerpmethoden gebruikt, worden berekeningen vaak gebaseerd op internationale normen en richtlijnen.

Daarnaast maken engineers gebruik van:

sterkteberekeningen;
eindige-elementenanalyse (FEA);
trillingsanalyses;
praktijkervaring.

Zo ontstaat een as die zowel veilig als economisch verantwoord is.

Praktijk bij Jongia¶

Binnen Jongia wordt de mengas voor iedere installatie specifiek ontworpen. Engineers berekenen onder andere het benodigde koppel, de maximale buigspanning, de doorbuiging en het kritische toerental. Daarbij worden de eigenschappen van het product, de tankgeometrie, het type impeller en de bedrijfsomstandigheden meegenomen.

Bij grote top-entry mixers met lange assen zijn deze berekeningen extra belangrijk. Een kleine verandering in asdiameter, materiaal of impeller kan grote invloed hebben op trillingen en de levensduur van lagers en mechanical seals.

Door gebruik te maken van geavanceerde ontwerpsoftware en praktijkervaring wordt een optimale balans gezocht tussen sterkte, stijfheid, gewicht, kosten en betrouwbaarheid.

Veelgemaakte fouten¶

Denken dat een dikkere as altijd beter is. Een grotere diameter verhoogt de sterkte, maar maakt de constructie ook zwaarder en duurder.
Alleen naar sterkte kijken. Doorbuiging, trillingen en kritische toerentallen zijn minstens zo belangrijk.
Het kritische toerental onderschatten. Resonantie kan ernstige schade veroorzaken, ook wanneer de as sterk genoeg is.
Vergeten dat de as onderdeel is van een complete aandrijflijn. Lagers, koppelingen, gearbox en impeller beïnvloeden elkaar onderling.
Materiaalkeuze uitsluitend baseren op corrosiebestendigheid. Ook mechanische eigenschappen, lasbaarheid, vermoeiingssterkte en kosten spelen een belangrijke rol bij het ontwerp van een mengas.