Виды фланцевых соединений, применяемых в машиностроении

Определение фланцевых соединений

В машиностроительной практике применяется множество деталей, выполненных в виде разнообразных оболочек и пластин, соединяющихся с помощью фланцев.

Фланцевыми называют соединения крепежными изделиями (болты, шпильки, гайки) элементов корпусов, оснащенных специальными поясками – фланцами.

↑ В начало

Контактирующие и неконтактирующие фланцы

Для классификации и расчета фланцевых соединений важно учитывать, имеется ли между фланцами уплотнительная прокладка прокладка (например, как в трубопроводных фланцах) или ее нет.

Неконтактирующие фланцы

Некоторые из них, например детали химического и нефтехимического машиностроения, сосуды, работающие под давлением, трубопроводные системы и другие, соединяются с помощью фланцев, между которыми предусмотрен конструктивный зазор. По внутреннему краю такие фланцы контактируют лишь через узкую прокладку, которая, будучи сжата начальными усилиями крепежа, обеспечивает плотность соединения. По остальной поверхности фланцы не контактируют, вследствие чего затягивание болтов или шпилек приводит к изгибу фланцев и прилегающих к ним областей оболочек. Для расчета деталей с неприлегающими фланцевыми соединениями существуют методы упругого и предельно-пластического анализа.

Фланцевые соединения с неконтактирующими фланцами (фланцевые соединения с уплотнительной прокладкой) обычно применяются в устройствах и узлах, требующих высокой степени герметизации. Соединения с фланцами применяются на трубопроводном транспорте, а также на специальных ответственных промышленных  трубопроводах химических и энергогенерирующих предприятий. 

Контактирующие фланцы

Обычно в конструкциях, не требующих особой герметизации, часто используются фланцевые соединения с контактирующими фланцами (беспрокладочные фланцевые соединения). Соединения с контактирующими фланцами используют в конструкциях, не требующих полной герметизации стыка, например, в корпусах машин, шатунах, редукторах и т. д. 

Фланцевые соединения деталей энергетического и транспорт­ного машиностроения и других отраслей машиностроения являются плотно прилегающими. Детали с такими соединениями широко применяются в гидротурбиностроении и в других отраслях машиностроения. К ним относятся, например, трубчатые валы гидротурбин, корпуса затворов, детали трубопроводов ГЭС и др.

 

Затягивание болтов или шпилек вызывает деформацию таких фланцев в направле­нии усилий затяга и приводит к возникновению контактных на­пряжений по привалочным поверхностям фланцев (вдоль меридиональных сечений фланцев).

При расчете напряженного состояния фланцевых соединений и примыкающих к ним областей оболочек важно учитывать контактную жесткость соединения. При этом возникает сложная и важная задача определения контактных напряжений по площади плотного прилегания фланцевого соединения. Эти напряжения и размер площади плотного прилегания зависят от коэффициента затяга — отношения суммарного усилия затяга болтов фланцевого соединения к осевому усилию, — от внешних нагрузок и жесткости конструкции и являются важными показателями надежности фланцевого соединения.

↑ В начало

Формы стыков фланцевых соединений

Различают соединения фланцев со стыком полосовой, кольцевой, прямоугольной формы (рис. 2), а также других конфигураций.

Особенность работы фланцевых соединений – наличие деформаций изгиба и сдвига фланцев относительно противоположных соединяемых деталей и корпусов вследствие действия эксцентрической внешней нагрузки. Например, когда направление внешней нагрузки на болты крышек шатунов и фланцев не совпадает с осями крепежных элементов. В результате этого в соединяемых деталях и крепеже возникают дополнительные нагрузки (рис. 3).

Если жесткость материала фланцев достаточно велика или внешняя нагрузка на детали фланцевых соединений и деформации малы, можно использовать упрощенные расчеты соединения фланцев болтами или шпильками. Если указанные условия не выполняются, необходимо уточнять расчет.

↑ В начало

Классификация кольцевых фланцевых соединений в зависимости от характера сопряжения фланцев

В машиностроении часто используются детали с контактирую­щими симметричными (рис. 4, а) и несимметричными (рис. 4, б…з) кольцевыми фланцевыми соединениями.

Все симметричные и несимметричные фланцевые соединения можно разделить на два типа в зависимости от характера сопря­жения фланцев. Соединения с внутренними кольцевыми уплот­нениями и с конструктивным зазором между внутренними тор­цами фланцев (рис. 4, а; рис. 1, тип А) называют фланцевыми соединениями типа А, а соеди­нения с торцами, непосредственно прилегающими друг к другу (рис. 4; рис. 1, тип Б), — фланцевыми соединениями типа Б.

Соединения типа А составляют, например, стандартные фланцы для трубопроводов.

К соединениям типа Б относят соединения деталей гидротурбин, а также других машин и аппаратов. Элементы с такими сое­динениями часто претерпевают не только осевое усилие и внутреннее давление, но ещё и изгибающие и крутящие моменты. Внутреннее давление в таких конструкциях удерживается мяг­кой неметаллической прокладкой, располагаемой внутри окружности болтов или шпилек, и плотно прижатыми шлифованными приторцевыми поверхностями фланцев.

↑ В начало

Несимметричные кольцевые фланцевые соединения

Несимметричные кольцевые фланцевые соединения первого рода

Фланцевые соединения узлов машин, состоящие из двух

• предварительно напряженных
• плотно прилегающих
• неодинаковых

кольцевых фланцев, являющихся наружными или внутренними продолжениями двух неодинаковых оболочек переменной жесткости и малой конусности при воздействии на них осевого усилия и внутреннего давления, называются несимметричными фланцевыми соединениями первого рода (рис. 4, б). Детали с такими соединениями широко применяются в гидротурбиностроении и в других отраслях машиностроения. К ним относятся, например, трубчатые валы гидротурбин, корпуса затворов, трубопроводы ГЭС и др.

Несимметричные кольцевые фланцевые соединения второго рода

Фланцевое соединение называют несимметричным соединением второго рода, если два неодинаковых наружных фланца соединены с оболочками различного типа: один — пологой конической или сферической оболочкой, а другой — с оболочкой переменной жесткости и малой конусности или один — с конической, сферической или цилиндрической оболочкой, а другой — с кольцевой пластиной (рис. 4, в…д).

В машиностроении используются разнообразные ответственные конструкции, снабженные такими фланцевыми соединениями. К ним относятся, например:

• соединения крышек и днищ с корпусами рабочих колес поворотнолопастных гидротурбин,
• соединения корпуса реакторов с крышками,
• днищ с корпусами резервуаров и др.

Несимметричные кольцевые фланцевые соединения третьего рода

Фланцевое соединение называется несимметричным соединением третьего рода, если два неодинаковых фланца, один из которых наружный, а другой — внутренний по отношению к оболочкам, соединяют конструкции, образованные из конических и цилиндрических оболочек (рис. 4, е…з).

Кольцевые фланцевые соединения третьего рода применяются в машиностроении, как, например:

• крышки рабочих колес,
• верхние ободья радиально-осевых рабочих колес с валами гидротурбин,
• различные детали специзделий и др.

↑ В начало

Заключение

Применение фланцевых соединений далеко не ограничивается применением привычных фланцев плоских и фланцев воротниковых на типовых трубопроводах. В машиностроении используются соединения с контактирующими и с неконтактирующими фланцами, имеющими различные формы стыков и разнообразную геометрию сопряжения.

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