Лекція №4 зміцнення отворів в оболонках

1. Загальні положення.

2. Умови зміцнення одиночних отворів.

3. Умови зміцнення взаємозв’язаних отворів.

1. Загальні положення

Корпус апарата оснащується штуцерами для підключення до технологічних ліній, люками, оглядовими вікнами та іншими отворами. Отвори механічно послаблюють конструкцію та спричиняють високу концентрацію напружень поблизу країв. Компенсація послаблення відбувається двома способами: збільшенням товщини стінки оболонки та зміцненням краю отвору додатковим матеріалом. На рис.4.1 представлено варіанти зміцнення отворів за другим способом.

а б в

Рис.4.1. Конструкції зміцнення отворів: а – накладним кільцем та потовщенням стінки штуцера; б – відбортовкою; в – тороподібною вставкою

Перший спосіб зміцнення – нераціональний, оскільки область підвищених напружень незначна та обмежена діаметром:

, (4.1)

де – діаметр отвору; – розрахунковий діаметр оболонки.

У розрахунковій практиці поширений геометричний критерій зміцнення, що передбачає компенсацію площі поздовжнього січення за допомогою додаткових елементів (додаткової товщини штуцера, накладного кільця), розташованих в зоні зміцнення. Зоною зміцнення отвору (рис.4.2) вважається прямокутник зі сторонами:

та , (4.2)

де та – відповідно розрахункова та довжина зовнішньої та внутрішньої частин штуцера; – діаметр отвору штуцера; – товщина стінки штуцера; – розрахункова товщина елементу, що посилює обичайку (накладне кільце); – розрахункова довжина твірної оболонки в зоні зміцнення.

Умова зміцнення:

, (4.3)

де – площа поздовжнього січення вирізу, що підлягає компенсації; – площа поздовжнього січення оболонки, що приймає участь в зміцненні; – площа поздовжнього січення елемента, що зміцнює обичайку; та – площі поздовжнього січення відповідно зовнішньої та внутрішньої частин штуцера; та – відповідно відношення допустимого напруження матеріалу штуцера та елементу, що зміцнює, до допустимого напруження матеріалу оболонки, що зміцнюється.

Рис.4.2. Розрахункова схема зміцнення отвору

Враховуючи, що повна (виконавча) товщина стінок обичайки та штуцера завжди більше їх розрахункових значень та , то “надлишок” матеріалу забезпечує зміцнення отвору. Якщо апарат працює в умовах одночасної дії внутрішнього та зовнішнього тисків, то розрахунок зміцнення отворів необхідно проводити для обох режимів роботи.

Розрахунковий діаметр зміцнювального елемента:

- циліндричної оболонки:

, (4.4)

- конічного днища чи переходу:

, (4.5)

де – внутрішній діаметр днища (переходу) по центру отвору, що зміцнюється;

- стандартного еліптичного днища (кришки):

, (4.6)

де – відстань від центра отвору, що зміцнюється, до осі еліптичного днища (рис.4.3, д);

- сферичної оболонки:

, (4.7)

де – внутрішній діаметр сферичної оболонки.

Рис.4.3. Приклади зміцнення отвору штуцера: а – похилого ( 45º); б –розміщеного в площині поперечного січення; в – розміщеного поблизу несучої конструкції; г – розміщеного тангенціально; д – зміщеного на еліптичному днищі (кришці)

Розрахунковий діаметр круглого отвору штуцерів:

- в циліндричних чи конічних обичайках, якщо вісь отвору нормальна до їх осі чи нахилена (рис.4.3. б, г) в площині поперечного січення обичайки, а також для нормального штуцера сферичної та еліптичної оболонок:

; (4.8)

- для зміщеного штуцера на еліптичному днищі (рис.4.3, д):

; (4.9)

- в циліндричній чи конічній обичайці, а також сферичному днищі, якщо вісь отвору розміщена в площині поздовжнього січення оболонки (рис.4.3, а):

, (4.10)

де – кут нахилу осі штуцера відносно нормалі, 45º;

- для довільно нахиленого штуцера, коли велика вісь овального отвору на поверхні оболонки утворює з твірною обичайки деякий кут (рис.4.3, а):

; (4.11)

- для нормального штуцера за наявності відбортовки чи тороподібної вставки (рис.4.1, б, в):

, (4.12)

де – внутрішній радіус відбортовки чи тороподібної вставки; – розрахункова товщина стінки оболонки, що зміцнюється.

Розрахунковий діаметр овального отвору штуцера:

, (4.13)

за умови, що (рис.4.3, а).

Розрахункова довжина зовнішньої та внутрішньої частин штуцера, що приймають участь в зміцненні отвору:

; (4.14)

; (4.15)

де та – фактична довжина відповідно зовнішньої та внутрішньої частин штуцера.

Розрахункова довжина твірної оболонки в зоні зміцнення (рис.4.2):

. (4.16)

Розрахункова та повна товщина стінки оболонки, що зміцнюється, а також розрахункова та повна товщина стінки штуцера визначаються з врахуванням умови, що та .

Розрахунковий діаметр отвору, що не потребує зміцнення, за відсутності надлишкової товщини стінки елемента, що зміцнюється:

. (4.17)