МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Задание студентам очной формы обучения

на выполнение практической работы №2

по дисциплине «Механизмы и детали машин инженерных систем»

модуля: «Механическое оборудование инженерных комплексов и систем»

Москва 2017

Введение

Для студентов очной формы обучения предусмотрено выполнение расчетной работы: подбор болтов крепления фланцев трубопровода.

Задание №2

Тема: расчет болтов, затянутых под нагрузкой при действии внешнего нагружения.

Цель работы: приобрести навык расчета болтов для типовой конструкции болтового соединения.

Задание. 1. По исходным данным рассчитать диаметр болтов крепления крышки трубы к фланцу трубы газопровода (см. рис. 2.1) и определить размеры фланцев.

2. Нарисовать эскиз крепления крышки (при контролируемой затяжке болтов).

Работа соединения происходит следующим образом. На трубу накладывают прокладку и фланец и вставляют болты и слегка навинчивают гайки; затем эти гайки затягивают гаечным ключом в порядке крест-накрест, а не подряд, и только после этого подают основную нагрузку в виде давления, например, газа (некоторые технологические подробности, например по проверке отсутствия утечки газа, здесь опускаем). Предварительная затяжка вызывает растяжение болтов и сжатие соединяемых фланцев. После подачи основной нагрузки болты получают дополнительное растяжение, а сжатие фланцев уменьшается. Таким образом, предварительная затяжка болтов с усилием F_зат должно быть таким, чтобы после приложения основной нагрузки герметичность соединения не нарушилась бы. В данной практической работе определяется полная нагрузка на болт и подбирается соответствующая ей резьба болта.

Исходные данные

1 Давление газа в трубопроводе:

1.1 постоянное величиной p;

1.2 переменное, изменяется от 0 до p.

1.3 Величина давления (только в учебных целях) равна, МПа

p=0,4+0,1·N₁,

где N₁ – две последние цифры в номере зачетной книжки.

2 D₁-наружный диаметр трубы (табл.1), мм.

3 Z-число болтов крепления фланца (табл.1).

4 δ -толщина стенки трубы (табл.2), мм.

5 Затяжка болтов:

5.1 неконтролируемая;

5.2 контролируемая.

6 Тип прокладки выбирается студентом самостоятельно.

1. Таблица 2.1

Наружный диаметр трубы и число болтов крепления фланца

N1	Наружный диаметр D1,мм						Число болтов Z
	Для двух последних цифр номера зачетной книжки (N1)
	1…20	21…40	41…60	61…80	81…00
01…12	426	480	500	530	422	24
13…25	325	351	377	402	299	22
26…38	200	210	220	299	325	20
39…51	170	180	190	194	200	18
52…64	152	159	160	168	170	16
65…77	130	140	146	150	160	14
78…90	108	110	114	121	130	12
91…00	410	420	430	440	450	24

Таблица 2.2

Толщина стенки трубы

D1,мм	<200	200…300	300…400	>400
δ,мм	12	16	20	25

2. 

Рис. 2.1 Схема болтового соединения

5. Порядок выполнения работы

1.Определяем силу давления газа на крышку

Q=π·D₁²·p/4

2. Определяем силу давления газа на один болт (внешняя нагрузка на болт)

F=Q/Z

3. Определяем нагрузку на болт после предварительной его затяжки и приложения внешней нагрузки F в предположении, что после возможна дополнительная затяжка болта

F₀= F_зат +χ·F =1,3· (K_зат · (1-χ)+χ) ·F,

где F_зат - усилие, с которым болт затягивают до приложения внешней нагрузки,

K_зат -коэффициент затяжки (принять по условию герметичности стыка из интервала значений K_зат =1,3…2,5-мягкие прокладки, K_зат =2,5…3-фасонные металлические про -кладки, K_зат =3…5-плоские металлические прокладки),

χ- коэффициент внешней нагрузки (принять из интервала значений для мягких прокладок χ=0,4…0,6, или для фасонных металлических прокладок -χ=0,3…0,4, или для плоских металлических прокладок -χ=0,2…0,3 )

4.Выбираем материал болта.

Обычно для рассматриваемой конструкции используют стандартные болты, изготовленные из углеродистой стали (табл. 3). Поэтому рекомендуется выбирать сталь 20 или 35, но по результатам расчета можно выбрать и др. сталь.

1. Таблица 2.3

Механические характеристики материала болта

Класс прочности		Материал	Предел прочности σв, МПа	Предел текучести σт, МПа	Предел выносливости σ-1, МПа
болта	гайки
3.6	4	Ст3 и сталь10	340	200	160
4.6	5	сталь 20	400	240	170
5.6	6	сталь 35	500	300	180
6.6	8	сталь 45	600	360	240
8.8	10	сталь 35Х	800	640	280
10.9	14	сталь 10ХГСА	1000	900	300
14.9	14	сплав ВТ16	1200	1100	350

5.Предварительно определяем внутренний диаметр болта

d₁

где [σ]-допускаемые напряжения на растяжение материала болта.

[σ]=σ_т/[S_т],

где [S_т]-допускаемый коэффициент запаса.

Допускаемый коэффициент запаса [S_т ] выбирают в зависимости от характера нагрузки, контролируемости затяжки, марки стали и диаметра болта.

5.1 При статической нагрузке.

5.1.1 Статическая нагрузка, неконтролируемая затяжка - см. табл.4. В этом случае допускаемый коэффициент запаса [S_т ] определяют интерполяцией, например с помощью графика или аналитически.

5.1.2 Контролируемая затяжка - [S_т ]=1,5…2,5

5.2 Переменная нагрузка: неконтролируемая затяжка - [S_т]=2,5…4, контролируемая затяжка - [S_т ]=1,5…2,5.

В 5.1.2 и 5.2 руководствуются положением, что чем меньше диаметр болта и чем ответственнее соединение, тем больше должен быть коэффициент запаса.

По значению d₁ из табл.5 выбрать и записать ближайшее стандартное значение внутреннего d₁ и наружного d диаметров резьбы болта (предпочтение диаметрам без скобок; если получили d<6, то принять d=6 мм)

5.3 Выбранный допускаемый коэффициент запаса [S_т] должен соответствовать полученному диаметру болта. Если этого нет, то назначают [S_т] по полученному диаметру болта d и вновь определяют d₁ и т.д.

Таблица 2.4