Расчёт уплотнения фланцевого соединения





 

Фланцевое соединение (рисунок 2.13) – широко применяемый вид разъемных соедине-ний в пищевом оборудовании, обеспечивающий герметичность и прочность конструкций, а также простоту изготовления, разборки и сборки.

Соединение состоит из двух фланцев 1, болтов 2 (шпилек) и уплотнительного элемента 3 (проклад-ки), устанавливаемого между уплотнительными поверхностями фланцев и позволяющего обеспе-чить герметичность при относительно небольшом усилии затяжки болтов (шпилек).

 

Уплотнительный элемент должен отвечать следующим основным требованиям:

— заполнять все микронеровности уплотни-тельных поверхностей фланцев при воз-можно малом напряжении контакта при сборке фланцевого соединения;

 

— сохранять герметичность соединения и це-лостность прокладки при упругих деформа-циях фланцев, болтов (шпилек) от дейст-вующих нагрузок (для этого материал уп-лотнительного элемента должен обладать

1 – фланцы; 2 – болт;

упругими свойствами);

3 – уплотнительный элемент

— сохранять герметичность соединения в ус-

(прокладка)

ловиях длительного воздействия обрабаты-

 

ваемой среды во всем возможном диапазоне Рисунок 2.13 – Фланцевое соединение


 


 
п
 
обж п1 п ,

Расчёт и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Элементы теории и сборник задач Уплотнение соединений в машинах и аппаратах

изменения температуры;

 

— материал уплотнительного элемента не должен быть дефицитным.

Уплотнительный элемент, у которого одно из измерений (толщина) мало по сравнению с двумя другими (ширина и диаметр), принято называть прокладкой. Весьма различные усло-вия эксплуатации обусловливают и многообразие применяемых материалов для изготовле-ния прокладок. Изготавливают прокладки:

а неметаллические (фторопласт, полиэтилен, полихлорвиниловый пластикат, асбест, паронит, резина и т. п.);

б металлические (сталь, никель, алюминий, медь, свинец и т. п.); в комбинированные (асбест в обкладке из листового металла, полимеры в сочетании с

 

металлами и т. п.).

 

Твердость материала прокладок должна быть меньше твердости материала фланцев. Неметаллические прокладки, как правило, изготовляют толщиной от 1 до 3 мм, метал-

 

лические – от 2 до 3,5 мм, а комбинированные – от 3,5 до 5 мм. Для того, чтобы при обжатии прокладка не уменьшала проходное сечение фланцевого соединения, ее внутренний диаметр делается несколько больше внутреннего диаметра фланца.

Рассмотрим фланцевое соедине-    
ние аппарата, предназначенного для    
работы под внутренним избыточным    
давлением. Для достижения герметич-    
ности прокладка должна быть сжата    
при сборке соединения (рисунок 2.14, а)    
настолько, чтобы исчезли каналы меж-    
ду неровностями на контактных по-    
верхностях прокладок и фланцев.    
Это будет иметь место при выпол- t = 20 ºC  
нении условия  
   


 

(2.1)

 

где обж минимально необходи-

мое напряжение контакта для сжа-тия прокладки, зависящее от мате-риала прокладки, МПа, п1 напряже-

 

ние на поверхности контакта про-кладки с фланцами при сборке соеди-

 

нения, МПа, допускаемое на-

 

пряжение сжатия прокладки, МПа.

 

Таким образом, по завершении сборки соединения реакция прокладки на фланец должна быть следующей:

Fп1 п1Sп , (2.2)

где Sп площадь поверхности контакта прокладки с фланцем, м2.

 

Необходимое для сборки фланце-вого соединения болтовое усилие мо-жет быть получено, исходя из рассмот-рения схемы действия нагрузок на фланец в этот момент (рисунок 2.14, а).

F   F F 4M D п.ср , (2.3)  
  п1      
где F1 внешнее осевое растяги-  
                   


 

 

а – при сборке соединения; б – в рабочих условиях

Рисунок 2.14 – Схема действия нагрузок на фланец


 


Расчёт и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Элементы теории и сборник задач Уплотнение соединений в машинах и аппаратах

вающее (+) или сжимающее (—) усилие, действующее на фланцевое соединение при его сборке, Н, M1 внешний изгибающий момент, действующий на фланцевое соединение при его

сборке, Н м , Dп.ср. средний диаметр прокладки, м.

 

В рабочих условиях при наличии внутреннего давления в аппарате на фланец действуют нагрузки, представленные на рисунке 2.14, б.

 

Равнодействующее продольное (осевое) усилие от действия внутреннего давления

 

  FД 0,25 Dп.ср pрв ,         (2.4)  
                 
где pрв внутреннее давление, Н.                    
                     
Болтовое усилие при наличии внутреннего давления            
  F F F F 4M D , (2.5)  
    п2   Д   с.п.      
где F2 внешнее осевое растягивающее (+) или сжимающее (—) усилие, действующее  
на фланцевое соединение в рабочих условиях, Н, M2 внешний изгибающий момент, дейст-  
вующий на фланцевое соединение в рабочих условиях Н м , Fп2 реакция прокладки на фла-  
нец в рабочих условиях, Н, равная   Fп2 п2 Sп ,         (2.6)  
               

где п2 напряжение на поверхности контакта прокладки в рабочих условия, Па, Sп -

площадь поверхности контакта прокладки с фланцем, м2.

Для сохранения герметичности соединения в рабочем состоянии необходимо выполне-

 

ние условия          
min п2 , (2.7)  
п2 п      

где пmin2 минимальное напряжение контакта прокладки и фланца в рабочих условиях,

 

при котором сохраняется герметичность, МПа.

 

Значение min зависит от упругих свойств материала прокладки и, кроме того, прямо  
п2  

пропорционально значению внутреннего давления р. При создании обжатия прокладки, не-обходимого для обеспечения герметичности соединения, только за счет осевого сжимающего усилия, выражения (2.3) и (2.5) примут вид

 

  F1 Fп1 п1 Sп ,     (2.8)
F F F F 4 M D . (2.9)
п2 Д 2 с.п.    

Усилие FД , возникающее при действии внутреннего давления, раздвигает соединение на расстояние x . Пружина динамометра сжимается на эту же величину, в результате чего

внешнее сжимающее усилие увеличивается:  
F2 F1 k x2 x1 k x . (2.10)

При этом происходит восстановление толщины прокладки на ту же величину x, что приводит к уменьшению напряжения на контактных поверхностях соединения.

 

Согласно закону Гука, для материала прокладки, обладающего упругими свойствами

 

    п1   п2     x E п ,   (2.11)  
    h  
                     
                  п            
где h толщина прокладки, м, Еп модуль упругости прокладки, Па.    
Из уравнения (2.10) с учетом выражений (2.8) и (2.9)    
x F F     FД ( п1 п2 ) S    
                  . (2.12)  
                       
k           k    
                       

Подставив в уравнение (2.11) выражение x из последней зависимости и сгруппировав члены, получим


 

 


Расчёт и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Элементы теории и сборник задач Уплотнение соединений в машинах и аппаратах

  п1   п2         FД , (2.13)  
1 k yп Sп  
               
где уп податливость прокладки ( yп hп (Еп Sп )).          
                           

Тогда формула для расчёта напряжения на контактных поверхностях соединения в ра-

 

бочих условиях примет вид  
п2 п1 kж (FД Sп ), (2.14)

1

где kж коэффициент жесткости соединения (kж 1 kп ) .

Тогда с учетом условий (2.1) и (2.7) для расчёта минимально необходимого напряжения на поверхности контакта и прокладки и фланца при сборке соединения может быть получено следующее выражение

 

  max   min kж FД Sп        
  п2      
      , (2.15)  
п1 max   обж      
                 

где

 

  min kп p . (2.16)  
п2  

Нормативные значения коэффициента давления на прокладку kп, минимально необходи-

мого напряжения контакта для обжатия прокладки обж , допускаемого напряжения   и  
модуля упругости Еп приведены в таблице 2.1.         п      
                 
Таблица 2.1 – Характеристика материалов для плоских неметаллических прокладок        
  Коэффи-   Напряжение контакта Модуль уп-  
  циент дав-       прокладки, МПа  
Материал прокладки ления на           ругости Еп,  
  обжатия допускаемое  
  прокладку   МПа      
  kn     обж            
        п          
Резина (мягкая) твердостью до 1,2 МПа 0,5     0,2 0,5 3 (1 b   )  
           
                2 hп  
Резина (жесткая) твердостью свыше 1,2     0,3 4 (1 b )  
МПа     2 hп  
           
                       
Паронит толщиной 1 мм, 2,5            
Картон асбестовый толщиной 3 мм            
                     
Фторопласт-4 толщиной 3 мм 2,5            
                       

Примечание: b ширина прокладки, h – толщина прокладки.

 

Минимально необходимое при сборке соединения сжимающее прокладку усилие может быть определено по формуле

Fmin min S п . (2.17)  
п1      
           

Расчёт фланцевого соединения включает расчёт количества болтов с учетом их прочно-сти и расчёт толщины фланцев, которые проводят на условное давление (принимается в за-висимости от заданного рабочего давления). Для проведения расчёта количества болтов тре-буется конструктивный выбор формы и материала прокладки.

 

Нагрузку на болты определяют, во-первых, для рабочих условий, когда соединение на-ходится под давлением, и, во-вторых, для условий при сборке (монтаже) аппарата, когда давление в аппарате отсутствует, но производится затяжка болтов, обеспечивающая началь-ное сжатие прокладки, необходимое для получения герметического соединения.

 

Нагрузку на болты при рабочих условиях находят по формуле

F р p Dрасч (0,785 Dрасч b k n ) , (2.18)  
б п п п      
               

 


Расчёт и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Элементы теории и сборник задач Уплотнение соединений в машинах и аппаратах

где р условное (или рабочее) давление, Па; kn коэффициент давления на прокладку

 

(принимается по таблице 2.1); bп – ширина прокладки, м; Dпрасч расчётный диаметр про-

 

кладки, м.

 

Dпрасч 0,5 Dпmax dпmin .

 

Нагрузку на болты при их затяжке, необходимую для начального смятия прокладки, рас-считывают по формуле

F` Dрасч b п , (2.19)  
б п п      
             

где п допускаемое напряжение материала, Па.

 

Для расчёта болтов принимают большее из значений нагрузок на болты от давления в соединении или от затяжки болтов, когда давление отсутствует. Обычно при низких давле-ниях и твердых прокладках значение нагрузки на болты от их затяжки больше нагрузки на болты от давления в аппарате, а при значительных давлениях и мягких прокладках – наобо-рот.

 

Количество болтов (шпилек) определяют по выражению

 

n Fб qб , (2.20)

где Fб наибольшая нагрузка на болт, Н; qб допускаемая нагрузка на один болт, Н.

 

Допускаемую нагрузку на один болт определяют по выражению

q 0,785 d2 , (2.21)
б    

где d диаметр болта или шпильки, м; допускаемое напряжение при растяже-нии, Па.

 

Допускаемое напряжение при растяжении для болтов при расчёте фланцевых соедине-ний с уплотнительным материалом рекомендуется принимать меньше предела прочности материала болтов в 5; 6,5; и 8 раз в зависимости от тщательности их выполнения.

 

Количество болтов фланцевого соединения, найденное в результате расчёта, округляют в большую сторону, принимая кратным четырем.

Толщина круглого приваренного фланца, испытывающего напряжение изгиба, может быть рассчитана по формуле

 

0,75   F Dб D Dб     0,012, (2.22)  
n Dб n d0 d0 и    
         

где D6 – диаметр окружности расположения центров болтов, м, D – внутренний диа-метр, м, п – окончательно принятое число болтов, d0 – диаметр отверстия под болт, м, и – допускаемое напряжение при изгибе фланца, Па, (принимается меньше ,

 

в 5–8 раз).

 





Читайте также:
Романтизм как литературное направление: В России романтизм, как литературное направление, впервые появился ...
Основные направления модернизма: главной целью модернизма является создание...
Эталон единицы силы электрического тока: Эталон – это средство измерения, обеспечивающее воспроизведение и хранение...
Русский классицизм в XIX веке: Художественная культура XIX в. развивалась под воздействием ...

Рекомендуемые страницы:



Вам нужно быстро и легко написать вашу работу? Тогда вам сюда...

Поиск по сайту

©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-12 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:

Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ!
Обратная связь
0.027 с.