Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиФланцыРасчёты → Методы расчета конструкций и кинематика деформаций несимметричных фланцевых соединений третьего рода

Методы расчета конструкций и кинематика деформаций несимметричных фланцевых соединений третьего рода

Кольцевые несимметричные фланцевые соединения<br /> третьего рода

Кольцевые несимметричные фланцевые соединения
третьего рода

Фланцевые соединения третьего рода представляют собой чаще всего усеченные конические оболочки с двумя фланцами, один из которых является внутренним фланцем. Для расчета таких соединений можно с серьезными оговорками применять методы расчета оболочек с крышками и днищами (фланцами второго рода).

Дата публикации: 5 апреля 2011

Автор: Дроздов М.В., ООО «Инженерный Союз»

Разместите статью о трубопроводах в данном каталоге
Ваша информация на каталоге технических статей

Применение несимметричных кольцевых фланцевых соединений третьего рода

Конструкции с несимметричными фланцевыми соединениями третьего рода чаще всего используются в энергомашиностроении. К ним относятся, например, крышки крупных  поворотнолопастных рабочих колес гидротурбин, которые представляют собой усеченные конические оболочки с двумя фланцами (рис. 1,а), один из которых является внутренним фланцем.

Внутренний фланец II  крышки соединяется с фланцем I  вала, а наружный III с цилиндром IV рабочего колеса сильно затянутыми болтами. Такие же соединения имеют внутренние ободья радиально - осевых рабочих колес, ступицы роторов гидроагрегатов и другие.

Использование в расчетах схожести с фланцевыми соединениями второго рода

Положительные стороны сравнения с фланцами второго рода

Для расчета таких конструкций использовалась обычная схема поворотной деформации кольца, по которой определялись максимальные кольцевые напряжения внутренних колокон крышек - колец. Эта схема затем была уточнена для фланцевого соединения вала и крышки рабочего колеса проф. Л.М. Кочановым, который принимая фланец вала и фланец цилиндра сервомотора, как абсолютно жесткие, предполагал, что при деформации крышки с двумя фланцевыми соединениями, как при деформации жесткого кольца, она упирается наружной и внутренней кромками в сопряженные с ней фланцы (рис.1, а). Вследствие этого появляются реакции, распределенные по наружной и внутренней окружностям крышки, образующие реактивные моменты, препятствующие закручиванию сечений крышки. Величины этих моментов определяются по формулам для фланцевых соединений второго рода.

Меридиональное сечение

Рис.1. Меридиональное сечение крышки рабочего
колеса гидротурбин и схемы деформации ее
фланцевых соединений

Эта расчетная схема использовалась на практике определенное время, и она сыграла положительную роль в проектировании более рациональных конструкций.

Особенности расчетов соединений фланцев третьего рода

Однако отметим и недостатки методики:

  1. невозможность оценки влияния усилий предварительного затяга болтов или шпилек на напряженное состояние сечений перехода фланца к конической  части крышки;
  2. недоступность для расчета величины усилий затяга болтов (или шпилек), обеспечивающих сохранение определенной радиальной ширины нераскрытия и величину контактных напряжений между фланцами;
  3. невозможность расчета суммарных напряжений в болтах с учетом реальной кинематики деформации фланцев;
  4. существенная завышенность напряжений в сопряжениях оболочек.

К этому следует добавить еще, что цилиндрические жесткости фланцевых валов и крышек сервомоторов, как правило, меньше, чем цилиндрические жесткости крышек рабочих колес. Такое же положение имеет место в отношениях жесткостей фланцев валов и внутренних ободьев радиально-осевых рабочих колес.

Это означает, что если считать в некоторых случаях приемлемой схему точечного опирания фланцев, то, рассматривая фланцевое соединение в целом, нужно принимать точечный контакт наружной кромки сечения фланца стального приварного встык I вала  с сечением крышки II (рис.1. б, в), а не наоборот. При этом, записывая выражение для изгибающего момента, создаваемого контактной реакцией, следует учитывать, сто сечение фланца II крышки поворачивается в ту же сторону , что и сечение фланца I. Из этого вытекает, что моменты от контактных реакций, действующие на диаметральные сечения крышки, будут иметь обратные знаки, чем те, которые предполагались ранее.

Правильная интерпретация фланцевого соединения третьего рода

В методах расчета, которые будут изложены позже, нет недостатков, отмеченных ранее. Крышка рабочего колеса и подобные ей детали машин в ней рассматриваются как коническая оболочка с двумя фланцами, один из которых образует несимметричное фланцевое соединение третьего рода с фланцем вала гидротурбины, а другой - несимметричное фланцевое соединение второго рода с фланцем цилиндра рабочего колеса. Метод исходит из существующего положения о том, что в болтах фланцевых соединений создаются значительные усилия предварительного затяга и что внешние усилия не приводят к раскрытию фланцевого соединения, а лишь вызывают перераспределение контактных напряжений. В некоторых случаях фланцевое соединение может частично раскрываться с образованием весьма  малой клиновидной щели. Эти случаи  также будут рассмотрены.

Кинематика деформации соединений фланцев третьего рода

Виды деформированного состояния несимметричных фланцевых соединений третьего рода

В зависимости от величины коэффициента затяга и жесткости фланцев I и II и оболочек, примыкающим к ним, могут быть следующие виды деформированного состояния несимметричных фланцевых соединений третьего рода:

  • коэффициент затяга мал, вследствие чего внешние усилия, раскрывают фланцы полностью (рис.2, а); в этом случае отсутствует взаимодействие фланцев I и II (рис.3,а). Фланцы вместе с оболочками, примыкающими к ним, могут рассчитываться независимо друг от друга;
  • коэффициент затяга и цилиндрические жесткости фланцев I, II, и примыкающих к ним оболочек таковы, что ы процессе деформации фланцевого соединения диаметральное сечение фланцев поворачивается вокруг общего центра тяжести с ним, как одно целое (рис.2, б); расчетная схема, соответствующая этому случаю, представляет  собой сопряжение двух конических оболочек с одной кольцевой деталью;
  • коэффициент затяга и жесткости сопряженных элементов таковы, что внешние усилия не раскрывают фланцевое соединение, но уменьшают абсолютное значение нормальных контактных напряжений  между фланцами с внутренней  стороны меридионального сечения и увеличивают их с наружной стороны (рис.2,в);
  • коэффициент затяга и жесткости элементов таковы, что внешние усилия  уменьшают  абсолютное значение контактных напряжений  с наружной стороны меридионального сечения (рис.2,г) и увеличивают их с внутренней стороны.

Формулы для расчета фланцев и оболочек, соответствующие первому случаю, могут быть получены из формул, соответствующих третьему или четвертому случаям, если отбросить в этих формулах члены, выражающие взаимное влияние фланцев.

Схемы деформации

Рис. 2. Схемы деформации несимметричного
фланцевого соединения третьего рода

В расчетной схеме, соответствующей  второму случаю, фланцевое соединение заменено одним кольцом. Рассмотрим третий и четвертый случай.

Если внешние нагрузки не вызывают раскрытия по всей ширине  p-q первоначального прилегания фланцев (рис.3, а), то эпюра контактных напряжений вдоль этой линии может иметь один из видов, изображенных на рис. 3, б, г, в зависимости от углов поворота сечений фланцев.

Если угол поворота наружного торца фланца I больше соответствующего угла поворота фланца II (φ12), то эпюра контактных напряжений может иметь вид, изображенный на рисунке 3, б. В этом случае момент от нормальных контактных напряжений препятствует повороту сечения фланца I вокруг центра тяжести и способствует повороту сечения фланца II по направлению внешнего момента.

При φ12 имеет место обратное явление (рис. 3, г).

Если  φ1 = φ2 и если болтовое усилие проходит через середину отрезка p -q, то нормальная контактная реакция  не будет образовывать реактивного момента (рис. 3, в).

raschetnaya_schema.png

Рис. 3. Расчетная схема несимметричного
фланцевого соединения третьего рода

Но поскольку эти углы неизвестны, заранее неизвестно, какая эпюра из показанных на рис. 3, б-г имеет место в каждом отдельном случае. Таким образом, характер эпюры вдоль p -q является дополнительной неизвестной в данном случае. В соответствии с характером деформации рассматриваемых фланцевых соединений, при всех отношениях φ1 и φ2 касательные усилия создают моменты, противоположные внешним моментам.

При некоторых значениях коэффициента затяга  фланцевое соединение может частично раскрываться, оставаясь плотным лишь на участке X1 (штриховые линии на рис. 3, б, г) или оставаться плотным по всей ширине. Причем в зависимости от соотношения углов поворота  наружных торцов фланцев I и II раскрытие фланцев может начинаться с внутренней стороны от точки q (рис. 3, б), штриховая линия , или с наружной стороны  - от  точки p (рис.3, г).

Заключение

В зависимости от величины коэффициента затяга и жесткости фланцев и оболочек, примыкающим к ним, могут реализоваться различные виды деформированного состояния несимметричных фланцевых соединений третьего рода. Поэтому практически невозможно построить одну универсальную методику расчёта всех типов фланцевых соединений и других деталей трубопроводов.

Список литературы

  1. Бугов А. У. К расчету прочности фланцевых соединений крупных валов гидротурбин // М.-Л. : Гидротурбиностроение, 1957, №4... – с. 233-246.
  2. Waters E. O., Taylor I. H. The strength of Pipe Flanges // Mechanical Engineering, 1927, May, N 5.
  3. Батышев А. И. Проектирование и производство заготовок / А. И. Батышев. – 2-е изд., испр. и доп.. – М.: Изд-во МГОУ, 2005. – 108 c.

Получив доступ к данной странице, Вы автоматически принимаете Пользовательское соглашение.

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100