Раздел 15
Виды фланцевых соединений. Приемы соединения и разъединения фланцев, применяемый инструмент. Уплотнительный материал для резьбовых и фланцевых соединений. Правила изготовления и установки прокладок между фланцами.
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.
Контактирующие и неконтактирующие фланцы
Для классификации и расчета фланцевых соединений важно учитывать, имеется ли между фланцами уплотнительная 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.
Рис. 1. Типы фланцевых соединений с неконтактирующими фланцами (тип А) и с контактирующими фланцами (тип Б)
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.
Различают соединения фланцев со стыком полосовой, кольцевой, прямоугольной формы 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.
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.