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 п 1 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, п 1– 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:
| Fп 1 п 1 Sп, | (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 4 M | D | п. ср | , (2.3) | ||||
| п 1 | |||||||||
| где | F 1 | – 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, M 1– 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 4 M | D | , | (2.5) | ||||||
| п 2 | Д | с. п. | |||||||||
| где F 2 | – внешнее осевое растягивающее (+) или сжимающее (—) усилие, действующее | ||||||||||
| на фланцевое соединение в рабочих условиях, Н, | M 2 | – внешний изгибающий момент, дейст- | |||||||||
| вующий на фланцевое соединение в рабочих условиях Н м, | Fп 2 | – реакция прокладки на фла- | |||||||||
| нец в рабочих условиях, Н, равная | Fп 2 | п 2 Sп, | (2.6) | ||||||||
где п 2– 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 | п 2 | , | (2.7) | ||
| п 2 | п |
где п min2– 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 | |
| п 2 |
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
| F 1 | Fп 1 | п 1 Sп, | (2.8) | |||
| F | F | F | F 4 M | D | . | (2.9) |
| п 2 | 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: | |
| F 2 F 1 k x 2 x 1 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
| п 1 | п 2 | 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 | (п 1 п 2) 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
| п 1 | п 2 | 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 | |
| п 2 п 1 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 | ||||||
| п 2 | |||||||||
| , | (2.15) | ||||||||
| п 1 | max | обж | |||||||
где
| min | kп p. | (2.16) | ||
| п 2 |
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
| F min min S | п | . | (2.17) | ||
| п 1 | |||||
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 Dп max dп min.
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 d 2 | , | (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 d 0 | d 0 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).