Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиКрепежБолтыПрименение → Болты фланцевых соединений под нагрузкой в эксперименте

Болты фланцевых соединений под нагрузкой в эксперименте

Жесткость фланцев больших Ру обеспечивает надежность всех деталей фланцевого соединения

Жесткость фланцев больших Ру обеспечивает надежность всех деталей фланцевого соединения

Фланцевый крепеж несет на себе высокую нагрузку от давления внутренней среды трубопровода, а также от внешних усилий различного происхождения. Теоретические расчеты групповых болтовых соединений должны быть проверены на эксперименте.

Дата публикации: 9 мая 2011

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

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

Крепеж в экспериментах

Крепеж: болты, шпильки и гайки – несет на себе большую статическую и динамическую нагрузку, которую бывает сложно рассчитать с большой точностью. Поэтому зачастую встает необходимость практической проверки качества крепежных деталей с приложением к ним различных растягивающих и изгибающих усилий.

Исследование усилий в стальных болтах

Экспериментальное фланцевое соединение (1-6 - номера болтов)

Рис. 1. Экспериментальное фланцевое соединение
(1-6 - номера болтов)

Экспериментальное исследование усилий в болтах выполнялось на соединении с кольцевыми контактирующими фланцами (рис. 1). Соединение с шестью болтами из стали 45 нормализованной (σв = 950 МПа) затягивалось предварительно с силой Fo и нагружалось в разрывной машине растягивающей силой F и изгибающим моментом Ми.

Изгибающий момент фланцевого соединения

Изгибающий момент создавался смещением линии действия силы F относительно оси фланцевого соединения на lF.

Кривые изменения полных усилий

Рис. 2 . Кривые изменения полных усилий
в затянутом (1) и незатянутом (2) болтах
и силы затяжки (3) в зависимости от
внешней нагрузки при толщине фланцев
а) l1 + l2 = 18 + 36 мм; б) l1 +l2 = 18 + 36 мм

Силы, действующие на болты, контролировались с помощью тензорезисторов (база 10 мм, сопротивление 90 Ом), включенных в плечо тензометрического усилителя 8АНЧ-7 по схеме с компенсацией изгиба.

Отдельные результаты исследования приведены на рис. 2, рис. 3. Анализ результатов показывает, что при нагружении фланцевого соединения осевой растягивающей силой, а также при совместном действии растягивающей силы и изгибающего момента (внецентренное растяжение) наблюдается нелинейное изменение дополнительных и, как следствие, полных усилий в болте. Это объясняется непрерывным смещением зоны контакта вследствие деформаций изгиба стягиваемых соединительных деталей трубопроводов.

Зависимость нагрузки на болт от предварительной затяжки болтов и жесткости фланцев на изгиб

Кривые изменения полных усилий

Рис. 3. Кривые изменения полных усилий
и изгибающего момента в болтах фланцевого
соединения
в зависимости от силы затяжки
при внецентренном растяжении
(1-6 - номера болтов)

Кривые изменения деформации в соединении при действии внешней силы

Рис. 4. Кривые изменения
деформации в болтовом
соединении при действии
внешней силы

С увеличением внешней нагрузки возрастает и сила, действующая на болт. Она оказывается тем большей, чем меньше сила предварительной затяжки болтов и жесткость фланцев на изгиб.

Из анализа зависимостей для соединений при растяжении (см. рис. 2) следует, что кривые изменения полных усилий в болтах (1) и сил предварительной затяжки (3) смещены относительно прямой 2 для незатянутого соединения и идут практически параллельно ей. Последнее свидетельствует об отсутствии полного раскрытия стыка, что связано со смещением зоны контакта стыков к периферийному диаметру. 

Интенсивное увеличение силы, действующей на болты, в этом случае объясняется «рычажным» взаимодействием фланцев. Это взаимодействие наиболее отчетливо проявляется при тензометрировании соединений с полосовым стыком (рис. 4). Кривые на этом рисунке построены по показаниям тензометров 1—8) при нагружении соединения силой F без учета деформации от затяжки, которая исключалась путем сведения показаний прибора на нуль при балансировке усилителя перед нагружением.

Кривые изменения сил, действующих на фланцевое соединение при приложении растягивающих и изгибающих нагрузок

Рис. 5. Кривые изменения сил, действующих на болты фланцевого соединения
при приложении растягивающих и изгибающих внешних нагрузок l1 + l2 = 9 + 18 мм):
а - Fo = 2,65 кН; 1 - F = 0,5 кН, МИ = 0,53 кН⋅м; 2 - F = 1 кН; МИ = 1,06 kH⋅м;
3 - F = 1,5 кН; МИ = 1,59 kH⋅м; 4 - F = 2 kH; МИ = 2,12 кН⋅м; б - F =1,5кН, 
МИ = 1,59 kH⋅м; 5 - F = 26,5 кН⋅м; б - F0 =18 кН; 7 - F0 =12 кН.

Для жестких на изгиб фланцев наблюдается полное раскрытие стыка (в точке А на рис. 2, а) при больших нагрузках, и кривая изменения полных усилий сливается с кривой для незатянутого соединения. 

Кривые распределения усилий в болтах при внецентренном растяжении (рис. 5) также имеют нелинейный характер (в основном для податливых на изгиб фланцев и при небольшой силе затяжки болтов).

Результаты исследований показали, что при возрастании силы предварительной затяжки существенно снижается  дополнительная нагрузка на болты.

Заказ и покупка фланцев большей жесткости (фланцев больших Ру) и снижение усилий в болтах

Увеличение жесткости фланцев (например, за счет толщины фланцев) также приводит к снижению усилия в болтах.

Этот факт говорит о нецелесообразности попыток экономии на фланцах. Заказ фланцев стальных должен выставляться с учётом внешних нагрузок на фланцевое соединение, что зачастую приводит к необходимости делать заказ и покупку фланцы больших Ру. Закладываемая таким образом прочность фланцев обеспечивает надежность фланцевого соединения в целом.

Уменьшение силы предварительной затяжки болтов при увеличении внешней нагрузки на соединение стальных фланцев

Опытами установлено, что при увеличении внешней нагрузки наблюдается необратимое уменьшение силы предварительной затяжки болтов соединения (см, кривые 3 на рис. 2). Это связано с пластическим смятием микронеровностей по поверхности стыка.
При повторных затяжках снижение усилия становилось меньшим.

Исследования болтовых соединений с полосовыми стыками

Зависимость дополнительной силы, действующей на болт соединения с полосовым стыком

Рис. 6. Зависимость дополнительной силы,
действующей на болт соединения с полосовым
стыком при F0 = 32 кН.

Результаты исследования изменения дополнительной силы, действующей на болт в соединении с полосовыми стыками (рис. 6), аналогичным результатам испытаний круглофланцевых соединений.

С увеличением внешней нагрузки на эти соединения становится заметным рычажное взаимодействие пластин. Сравнение экспериментальных и расчетных значений усилий в болтах растягиваемых соединений показывает, что расчет постоянной податливости удовлетворительно согласуется с экспериментом для жестких (толстых) стальных фланцев, а также для податливых на изгиб фланцев при сильной предварительной затяжке и небольшой внешней нагрузке.

 

Заключение

Характер распределения усилий между болтами при действии на фланцевое соединение изгибающих и растягивающих нагрузок ближе к тому, что дает расчет по переменной податливости. Этот метод можно использовать при определении усилий в жестких фланцах, а также в болтах, крепящих жесткие стыки к жестким основаниям.  При расчете сил, действующих на податливые на изгиб фланцы, по обоим методам получают значения, которые часто меньше экспериментальных. В этом случае целесообразнее использовать метод расчета по постоянной податливости.

При выборе фланцев ответственного назначения следует оформлять заказ с повышенным значением Ру для снижения плотности напряжений во всех деталях фланцевого соединения.

Список литературы

  1. Якушев А. И. Влияние технологии изготовления и основных параметров резьбы на прочность резьбовых соединений.. – М. : Оборонгиз, 1956.
  2. Волошин А. А. Расчет фланцевых соединений трубопроводов и сосудов.. – Л. : Судпромгиз, 1959. – 365 c.
  3. Waters E. O. Calculation of the flat face Flanges with metal-to-metal contact beyond the Bolt Circle // Journal of Engineering for Power. Transact, of the ASME, 1968, ser. A, N 3..

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

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100