Определение болтовой нагрузки в фланцевых соединениях ( РД 26-15-88 или ГОСТ)

Нагрузка на болты и шпильки от внутреннего давления находят по формуле:

Q_Б = Q_Д + R_П,

где Q_Б – нагрузка на болты;

Q_Д – нагрузка от внутреннего давления в аппарате;

R_П - нагрузка на прокладку, необходимая для её смятия.

Нагрузка от давления среды равна:

Q_Д = р,

где р – внутреннее давление среды, которое при расчёте на условное давление принимают равным р_У, а при расчёте на рабочее давление – равным р _РАБ;

D_n – средний диаметр прокладки.

Нагрузка R_П на пркладку зависит от внутреннего давления, конструкции уплотняемых поверхностей, а также конструкции, материала и качества прокладки:

R_П = m·p· ·D·в_о,

где m - коэффициент удельного давления на прокладку, показывающий, во сколько раз удельное давление должно быть больше внутреннего давления, чтобы условие герметичности было выполнено (выбирается по см. табл.);

в_о - эффективная ширина прокладки, которую принимают в зависимости от конструкции прокладки и уплотнительных поверхностей.

Тогда нагрузку на болты или шпильки в общем виде можно представить следующим образом:

Q_Б = р + m·p· ·D·в_о.

Эффетивная ширина прокладки (в_о ) зависит от формы привалочных поверхностей

в_о = в_п при в_п ≤ 15 мм

в_о =3,8 при в_п > 15 мм.

Для металлических прокладок овального или восьмигранного сечения:

в_о =,

где в_п – ширина выбранной прокладки плоской, овальной или восьмиграннной в мм, выбирается по таблице в зввисимости от диаметра (см. табл.). Для соединения типа шип-паз в_п - это ширина выступа паза.

Нагрузка на болты при их затяжке Q_Б1 , необходимую для начального смятия прокладки рассчитывается по формуле:

Q_Б1 = 0,5 ·p· ·D·q_ОБЖ,

где q_ОБЖ – удельное давление обжатия, котрое нужно создать на поверхности прокладки для её смятия (см. табл.).

Удельное давление на прокладку зависит от конструкции и материала прокладки (предела текучести). Величину q_ОБЖ принимают с таким расчётом, чтобы в результате смятия контактных поверхностей прокладки получить герметичное соединение.

Обычно, если давление среды в аппарате низкое, а прокладки выбраны твёрдые, то

Q_Б1 > Q_Б

и, наоборот, при значительных давлениях и мягких прокладках

Q_Б1 < Q_Б.

При расчёте фланцевого соединения на условное давление принимают большее из значений: Q_Б или Q_Б1.

При расчёте по рабочим условиям на повышенную температуру предварительно сравнивают значение Q_Б1 с величиной

,

где Q_Б –определяют в зависимости от величины рабочего давления

(р_РАБ);

, - допускаемые напряжения для рассчитываемого элемента (болтов или фланца) при температуре соответственно 20^оС и рабочей t.

Если получают Q_Б1 > Q_Б , то расчёт ведут по Q_Б1. В противном случае для расчёта принимают нагрузку Q_Б по рабочим условиям.

Расчёт фланцевого соединения с учётом изгибающего момента

Рассмотрим ещё один вариант нагрузки на фланцевое соединение. Здесь фланцевое соединение нагружено не только внутренним давленим, но и внешним изгибающим моментом.

М = Q_O l.

Рисунок см. конспект

М = Q_O l.

Кончно, в таком случае появляется дополнительная нагрузка на болты, которую можно определить следующим образом.

Фланец сжат несколькими болтами; площадь поперечного сечения каждого болта – F_Б; общая площадь поперечного сечения болтов равна

n · F_Б,

где п - количество болтов.

Заменим площадь поперечного сечения болтов эквивалентной площадью поперечного сечения кольца со средним диаметром D_n (средний диаметр прокладки). Тогда

где d_о - внутренний диаметр резьбы болта;

п – число болтов;

δ – толщина стенки кольца фланца.

Из данной формулы определим толщину стенки кольца:

δ =

Момент сопротивления кольца:

W =

Напряжение изгиба в кольце:

σ =

Подставим значение δ в это уравнение, получим

σ =

Отсюда дополнительная нагрузка q_и на один болт, возникающая от действия внешнего изгибающего момента равна:

q_и = σ =

Общая дополнительная нагрузка на болты фланцевого соединения:

Q_и = q_и · п =.

Поэтому при наличии внешнего изгибающего момента фланцевое соединение рассчитывают на большую из нагрузок:

Q_БФ = Q_Б + Q_И; или Q_1БФ = Q_Б1 + Q_И .

Особенности конструирования и расчёт болтов фланцевого соединения

Число болтов или шпилек определяют по наибольшей нагрузке по формулам:

п = или п =,

где [q_Б] - допускаемая нагрузка на один болт

[q_Б] = · ·[ σ ].

РИС, БОЛТ, ШПИЛЬКА

Для шпилек с проточеной средней частью, если диаметр средней части (d_C) меньше внуреннего диаметра резьбы (d_O), в последнюю формулу вместо d_O нужно подставить d_C.

При расчёте на условное давление принимают для крепёжных деталей фланцев аппаратных:

аппаратных [ σ ] =; арматурных [ σ ] =.

При расчёте на рабочее давление допускаемое напряжение следует принемать при рабочей температуре. При повышенных температурах, когда металл ещё не подвержен ползучести, для низко- и среднелегированных сталей, например, 30ХМА, 25Х2М1Ф:

[ σ ] =:-;

для углеродистых и высоколегированных сталей коэффициент запаса прочности по пределу текучести снижают до п_Т = 1,9 -: 2,3.

Диаметр болтов или шпилек принемают, как правило, не менее 16 мм.

Для создания расчётного удельного контактного давления на уплотнительных поверхностях прокладки необходимо, чтобы шаг между болтами t ≤ 5d, где d - наружный диаметр резьбы болта.

При больших давлениях шпильки ставят с шагом 3 d или даже 2.5 d, но не менее 2 d + 18 мм; при этом для завёртывания гаек необходимо использовать только торцевые ключи.

Число болтов и их диаметр, найденые расчётом, округляют в большую сторону, учитывая, что число болтов должно быть кратно четырём.

В связи с этим максимальную нагрузку, которую могут воспринять болты, находят по формуле

Q _БМ = п [q_Б],

Где п – принятое число болтов;

[q_Б] - допускаемая нагрузка на болт, определяемая по вышеприведенной формуле.

При определении рамеров фланца учитывают условную расчётную нагрузку

Q_БФ =,

где нагрузку Q_Б принемают равной большему из значений Q_Б и Q_1БФ.