БОЛТОВОЕ БЕЗЗАЗОРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ФЛАНЦЕВ
BOLTLESS GAPLESS CONNECTION OF FLANGES

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, энергетического машиностроения, и может быть использовано в конструкциях узлов высоконагруженных фланцевых соединений валов и роторов машин, например, энергетических турбоагрегатов, судовых валопроводов и т.п. Техническое решение обеспечивает стягивание и жесткую фиксацию соединяемых фланцев, при этом соединяемые фланцы могут представлять собой как фланцы полумуфт, установленных на соединяемых валах, так и фланцы, выполненные непосредственно на самих соединяемых валах.
Конструкции высоконагруженных фланцевых соединений должны иметь высокую несущую способность, обеспечивающую возможность передачи необходимых величин крутящих моментов. Следует отметить, что высоконагруженные фланцевые соединения подлежат периодической разборке, например, при проведении плановых ремонтно-профилактических работ, с последующей повторной сборкой, что обуславливает требования к данным конструкциям по обеспечению высокой точности сборки (центрирования соединяемых валов и установочных отверстий во фланцах), технологичности выполнения монтажных работ, а также высокой ремонтопригодности, обеспечивающей возможность выполнения повторной сборки без дополнительной механической обработки отдельных элементов фланцевого соединения. Кроме того, при разработке фланцевых соединений стремятся минимизировать наличие конструктивных элементов, выступающих во внешнее пространство за пределы поверхностей соединяемых фланцев, так как при высоких скоростях вращения вала важное значение приобретает снижение аэродинамических потерь.
Основным видом нагрузки фланцевого соединения является крутящий момент, который передается соединительными крепежными элементами, работающими на срез и смятие [адрес интернет-страницы: https://inzhener-info.ru/razdely/konstruirovanie/peredacha-krutyashchego-momenta/flantsevye-soedineniya/flantsevye-soedineniya-dlya-peredachi-krutyashchego-momenta.html]. Также в передаче крутящего момента участвуют силы трения, возникающие между контактирующими поверхностями соединяемых фланцев при затяжке соединительных элементов.
В конструкциях высоконагруженных фланцевых соединений чаще всего используют призонные цилиндрические болты, которые обеспечивают передачу крутящего момента за счет сил сопротивления срезу [Е.П. Жильников и др. «Фланцевые соединения авиационных конструкций. Расчет и конструирование»: учебное пособие. Самара: Изд-во СГАУ, 2006, стр. 3-4]. Призонным называют болт, диаметр гладкой части стержня которого определяется из условия обеспечения работы соединения на срез и выполняется с высокой точностью обработки; призонные болты устанавливают в точно обработанные отверстия по посадке без зазора [адрес интернет-страницы: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1284874].
о
Следует отметить, что в конструкциях фланцевых соединений также могут применяться шпильки с центральным призонным участком. Однако шпилечные соединения применяются значительно реже, чем болтовые соединения, что обусловлено следующими факторами. Шпилька содержит два резьбовых участка (с двух концов шпильки), что снижает жесткость соединения и его несущую способность, а также требует при сборке соединения выполнения затяжки фиксирующих элементов (гаек) с обеих сторон шпильки, что усложняет выполнение сборки узла и увеличивает количество технологических операций. Кроме того, шпилечное соединение по сравнению с болтовым характеризуется бльшим осевым габаритом, так как требуется установка фиксирующих элементов (гаек) с обеих сторон шпильки, что, в свою очередь, ведет либо к увеличению толщины фланцев и массы узла (в случае расположения фиксирующих элементов в расточках фланцев, т.е. заподлицо с наружными поверхностями фланцев с целью снижения сопротивления при вращении вала), либо к ухудшению аэродинамических качеств конструкции соединения, если с целью уменьшения толщины фланцев (или невозможности выполнения во фланцах расточек под гайки) концы шпильки с установленными на них гайками выступают за пределы наружных поверхностей фланцев.
Также следует подчеркнуть, что в соединениях фланцев, обеспечивающих передачу крутящего момента, нежелательно использование крепления соединительными элементами, проходящими через сквозное отверстие в одном фланце в глухое резьбовое отверстие, выполненное во втором фланце, так как такое соединение, как правило, не обеспечивает необходимого усилия стягивания фланцев для их жесткой фиксации.
Количество соединительных элементов, диаметр их расположения и другие параметры принято определять для конкретного фланцевого соединения с учетом действующих нагрузок, обеспечения условий прочности и т.д. [Е.П. Жильников и др. «Фланцевые соединения авиационных конструкций. Расчет и конструирование»: учебное пособие. Самара: Изд-во СГАУ, 2006, стр. 22-23].
Соединительные крепежные элементы (болты или шпильки), обеспечивающие стягивание и фиксацию фланцев, устанавливают в соосных сквозных отверстиях фланцев и осуществляют их затяжку, при этом происходит незначительное удлинение соединительного элемента и уменьшение его диаметра, что приводит к увеличению первоначального установочного зазора. Так, например, во фланцевом соединении ротора турбоагрегата величина формулярного зазора (определяемая нормативными расчетными документами) при установке болтов в отверстиях соединяемых фланцев не должна превышать 0,02 мм. При затяжке болтов требуемое удлинение болта составляет 0,15 – 0,20 мм, расчетное уменьшение его диаметра при этом составляет 0,04 – 0,05 мм, следовательно, радиальный зазор после затяжки болтов с цилиндрической призонной частью может достигать величины 0,07 мм (но, как показывает практика, этот зазор может достигать и больших значений). Важно также отметить, что каждый соединительный элемент (цилиндрический болт) вследствие технологических отклонений будет иметь зазор, отличающийся (с высокой вероятностью) от величины зазора других соединительных элементов, установленных в соединяемых фланцах.
Вследствие этого при использовании цилиндрических соединительных элементов при больших нагрузках, близких к номинальным, или возможных быстрых изменениях нагрузки будет происходить взаимное смещение фланцев (проскальзывание) до выборки радиальных зазоров между наружными поверхностями цилиндрических призонных болтов и внутренними поверхностями установочных отверстий во фланцах в неравномерной последовательности – первоначально на одном или нескольких болтах с наименьшими радиальными зазорами, затем, после деформации первых болтов, на других болтах и т.д.
Смещение соединяемых фланцев приводит к расцентровке роторов (появляется так называемая «коленчатость»), вследствие чего ухудшается вибрационное состояние машины (турбоагрегата). Кроме того, на болтах, установленных с наименьшими зазорами, могут возникнуть запредельные напряжения смятия и среза, приводящие к деформациям и механическим повреждениям (вплоть до разрушения, что может привести к аварийной ситуации при работе турбоагрегата), что негативно влияет на несущую способность соединения.
При наличии деформированных или поврежденных цилиндрических болтов разборка соединения является трудоемкой и длительной операцией, зачастую приводящей к повреждению рабочих поверхностей отверстий в соединяемых фланцах. Восстановление рабочих поверхностей отверстий во фланцах путем их совместной обработки (райберовка отверстий) является трудоемкой технологической операцией, значительно удлиняющей время ремонта турбоагрегата, при этом фланцы могут выдержать только ограниченное число райберовок, что значительно снижает ресурс работы муфты или вала.
В связи с указанными выше факторами актуальна разработка конструкций беззазорных фланцевых соединений, предназначенных для передачи крутящего момента, обладающих высокой несущей способностью, обеспечивающих высокую надежность работы машины, ремонтопригодность и точность сборки.
В машиностроении применяются конструкции фланцевых соединений, в которых обеспечена выборка радиального зазора за счет установки в соосных отверстиях фланцев разжимной втулки с внутренним осевым коническим отверстием, в котором в качестве соединительного элемента установлена шпилька, имеющая центральный конический участок, ответный осевому коническому отверстию втулки. На каждом из двух наружных резьбовых концов шпильки установлена (накручена) гайка. Такие шпилечные фланцевые соединения известны, например, по патентам №№ DE3432194A1 [«Clamping pin», МПК F16B35/04, F16B5/02, дата публ. 13.03.1986], US5170551A [«Alignment of shaft flanges», МПК F16B5/02, дата публ. 15.12.1992], CN201461669U [«Positioning bolt», МПК F16B35/00, дата публ. 12.05.2010]. Применение конической разжимной втулки для выборки радиального зазора позволяет в процессе работы при передаче крутящего момента минимизировать в соединительных элементах механические деформации, что, в свою очередь, обеспечивает сохранение качества высокоточных поверхностей отверстий во фланцах при проведении демонтажных работ, а значит, и высокую ремонтопригодность соединения. Однако наличие двух резьбовых участков шпильки снижает жесткость и несущую способность соединения, а также усложняет выполнение монтажных работ, увеличивая количество технологических операций при установке и затяжке гаек на двух концах шпильки. Кроме того, шпилечное соединение увеличивает осевые габариты и массу узла.
Известно беззазорное соединение фланцев [патент № RU2519996C1 «Легкосъемное беззазорное крепежное соединение фланцев», МПК F16B5/02, дата публ. 20.09.2014], содержащее втулку, установленную в сквозных соосных цилиндрических отверстиях фланцев, сопряженную по внутренней конической поверхности с установленной в ней конической шпилькой, на резьбовых концах которой навинчены гайки. Втулка зафиксирована в осевом направлении за счет выполнения со стороны большего диаметра конуса торцевого буртика, упирающегося в торцевую поверхность расточки во фланце. Втулка выполнена с продольными разрезами, начинающимися от торца втулки со стороны меньшего диаметра конуса. Однако, как было отмечено выше, для шпилечных соединений характерно снижение жесткости конструкции за счет наличия двух резьбовых участков на концах шпильки с установленными фиксирующими элементами (гайками), что также обуславливает большее количество технологических операций при сборке-разборке соединения, а кроме того, конструктивной особенностью шпилечного соединения является увеличенный осевой габарит соединения.
Известно применение болтовых фланцевых соединений, содержащих эксцентриковые элементы, которые обеспечивают точное совмещение осей (центрирование) соединяемых компонентов и выборку радиального зазора. Так, например, известно болтовое беззазорное фланцевое соединение двух компонентов по патенту № US7037027B2 [«Bolted connection of two components with alignment compensation in three dimensions», МПК F16B5/02, дата публ. заявки 02.06.2005], которое содержит внутренний и внешний эксцентриковые диски, внутренний диск расположен с возможностью вращения в отверстии внешнего; через внутренний эксцентрик проходит болт, с одного конца которого выполнена головка, соединенная с эксцентриковым устройством, а с другого – зажимной конус; при затяжке болта зажимной конус обеспечивает выборку зазора в установочном отверстии первого компонента. Также известно соединение по патенту № US9273712B2 [«Fastening system with eccentric», МПК F16B39/22, F16B5/02, дата публ. 01.03.2016], предназначенное для передачи крутящего момента и содержащее эксцентриковую втулку и зажимной элемент, затягивание которого осуществляется при вращении эксцентрика. Однако следует отметить высокую конструктивную сложность узлов, содержащих эксцентрики, а также их невысокую надежность. Кроме того, наличие эксцентриков в качестве замыкающих элементов снижает несущую способность устройства.
о
Известно болтовое соединение фланцев [патент № RU2090786C1 «Соединение», МПК F16B5/02, дата публ. 20.09.1997], содержащее установленный в отверстиях соединяемых деталей болт, на промежуточной части стержня которого выполнен конический участок с бльшим основанием конуса со стороны головки, и втулку с прорезью, сопряженную с коническим участком болта и отверстиями соединяемых деталей, гайку и промежуточный элемент, который выполнен в виде выступа на опорной поверхности гайки. Также известно фланцевое соединение [а.с. СССР № SU839863 «Узел фланцевого соединения», МПК F16B5/02, B63H25/38, дата публ. 23.06.1981], содержащее фланцы с отверстиями, в которые установлены цилиндрические вставки, выполненные из двух полуцилиндров, с внутренней конической осевой расточкой и болты, соединяющие фланцы, при этом промежуточный участок стержня каждого болта, расположенный между резьбовым концом болта и головкой болта, выполнен коническим, а участок между конической частью стержня болта и головкой болта выполнен цилиндрическим, с диаметром меньше, чем внутренний диаметр резьбы болта. Известные соединения (№ RU2090786C1, № SU839863) характеризуются достаточно простым конструктивным выполнением, однако следует обратить внимание, что при затяжке болта высока вероятность отклонений смещения втулки относительно болта, что может привести к снижению несущей способности и надежности работы узла, а также ухудшению вибрационного состояния машины. При разборке таких соединений возможно появление задиров на рабочих поверхностях цилиндрических отверстий фланцев и соединительных элементов (болтов, втулок), что потребует дополнительной механической обработки отверстий во фланцах и замены соединительных элементов при последующей сборке соединения.
Также известны болтовые фланцевые соединения, характеризующиеся достаточно простым конструктивным выполнением, например: по патенту № RU2341694C2 [«Узел соединения деталей машин», МПК F16B5/02, дата публ. 20.12.2008], содержащее две соединяемые детали и болт с гайкой, со стороны которой установлена разрезная коническая втулка под посадку без зазора втулки в деталь и болта во втулку, болт устанавливается во втулку с заданным зазором; по патенту № RU2266441С2 [«Узел фланцевого соединения», МПК F16B5/02, дата публ. 20.12.2005], содержащее соединяемые фланцы, в сквозных отверстиях которых установлены цилиндрические втулки с расположенными в них болтами с гайками, втулки выполнены с внутренним коническим выступом в зоне разъема соединяемых фланцев, а болты выполнены с ответным наружным коническим пояском, сопрягающимся с выступом втулок, при этом втулки выполнены разрезными с радиальной односторонней прорезью вдоль оси. Однако в качестве недостатка известных технических решений следует отметить их невысокую жесткость, что значительно снижает несущую способность соединения и надежность работы.
В качестве технического решения (прототипа), наиболее близкого по совокупности существенных признаков к заявляемому болтовому соединению фланцев, предлагается соединительная система (фланцевое соединение) по патенту № RU2470195C2 [«Соединительная система и способ соединения, в частности, со всесторонним силовым замыканием», МПК F16B5/02, дата публ. патента 20.12.2012, заявка PCT № WO2009036740, дата публ. заявки 26.03.2009], содержащая первую и вторую составные части (соединяемые фланцы), в которых выполнены сквозные соосные отверстия, в которых установлен проходящий через указанные отверстия цилиндрический болт, зафиксированный по месту в первом фланце за счет упора головки болта в торцевую наружную поверхность первого фланца и имеющий резьбу, выполненную на другом конце (со стороны второго соединяемого фланца). На резьбовом конце болта навинчена натяжная гайка, обеспечивающая затяжку соединяемых фланцев. Соединение содержит конусную пару, установленную в соосных отверстиях фланцев. Конусная пара содержит внутренний конус, представляющий собой внутреннюю коническую поверхность осевого отверстия наружной втулки (называемой промежуточным зажимным элементом), а также наружный конус, представляющий собой наружную коническую поверхность внутренней втулки (называемой коническим зажимным элементом), установленной в осевом отверстии наружной втулки. Таким образом наружная втулка и размещенная внутри нее внутренняя втулка сопряжены по рабочим коническим поверхностям (т.е. по внутренней поверхности наружной втулки и наружной поверхности внутренней втулки). Наружная втулка выполнена с одним шлицем, представляющим собой продольную прорезь, обеспечивающую возможность распора наружной втулки. В осевом отверстии внутренней втулки расположен упомянутый выше крепежный соединительный элемент – болт. На выступающий резьбовой конец внутренней втулки навинчена нажимная гайка, которая при сборке обеспечивает возможность регулирования положения внутренней втулки, а в рабочем состоянии прижата к соответствующей упорной поверхности фланца, что обеспечивает возможность передачи осевого усилия затяга болта при стягивании фланцев. Болт и установленная на нем натяжная гайка обеспечивают затяжку соединяемых фланцев с помощью внутренней втулки и навинченной на нее осевой нажимной гайки, создавая радиальное и осевое натяжение. Известное техническое решение позволяет обеспечить силовое замыкание соединяемых частей (фланцев), обеспечивает устранение радиального люфта (выборку радиального зазора), что исключает деформации и повреждения крепежных элементов (болтов) при передаче крутящего момента. Кроме того, возможно многократное выполнение разборки и последующей сборки соединения при обслуживающих работах, что обеспечивает высокую ремонтопригодность соединения.
Однако, в качестве недостатка известного технического решения следует отметить его высокую конструктивную сложность: применение конусной пары, состоящей из двух втулок, сопряженных по коническим поверхностям и обеспечивающих возможность выборки радиального зазора при осевом перемещении внутренней втулки относительно наружной; наличие нажимной гайки, накрученной на выступающий за пределы фланца резьбовой конец внутренней втулки и расположенной между натяжной гайкой и фланцем в упор к торцевой (упорной) поверхности фланца, что снижает жесткость и надежность узла и усложняет выполнение монтажных работ. Также следует отметить, что наличие нажимной гайки увеличивает осевые габариты фланцевого соединения и снижает аэродинамические характеристики узла при работе машины. Кроме того, при выполнении одной продольной прорези в наружной втулке при выборке радиального зазора происходит неравномерная деформация втулки в радиальном направлении и, как следствие, неравномерное распределение напряжений, что может привести к появлению повышенных напряжений в соединении, к возможным остаточным деформациям, а также к снижению несущей способности и надежности работы соединения.
Следует отметить, что в рассматриваемом патенте № RU2470195C2 также описано выполнение фланцевого соединения, в котором использован крепежный соединительный элемент, имеющий центральный конический участок. Соединительный элемент установлен в коническую втулку, расположенную в сквозных отверстиях фланцев, с возможностью взаимодействия с втулкой по сопрягаемым коническим поверхностям. В таком выполнении по сравнению с описанным выше используется только одна втулка – втулка с внутренней рабочей конической поверхностью, при этом на одном конце крепежного соединительного элемента установлена натяжная гайка (как в описанном выше выполнении), а на другом конце вместо головки болта выполнена резьба и также установлена натяжная гайка (в качестве контргайки), с помощью которой можно осуществлять осевую затяжку. Втулка выполнена с одним шлицем (продольной прорезью), который простирается от торца втулки, противоположного торцу, со стороны которого выполнена наружная резьба для установки нажимной гайки (т.е. со стороны большего диаметра конуса). Таким образом данное выполнение представляет собой шпилечное фланцевое соединение с конической шпилькой, которое, как отмечалось ранее, характеризуется по сравнению с болтовым соединением меньшей жесткостью (вследствие наличия двух резьбовых участков соединительного крепежного элемента). При этом в данном соединении также содержится нажимная гайка, установленная (накрученная) на выступающий участок конической втулки между натяжной гайкой и упорной поверхностью фланца, что также уменьшает жесткость, усложняет конструкцию и увеличивает осевой габарит соединения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции при одновременном обеспечении высокой надежности работы соединения.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается болтовое соединение фланцев, содержащее соединяемые фланцы с выполненными в них сквозными соосными цилиндрическими отверстиями, в которых установлена втулка. Внутреннее осевое отверстие втулки имеет рабочую поверхность, выполненную конической. Втулка выполнена с продольными разрезами (прорезями), начинающимися от торца втулки со стороны большего диаметра конуса. В осевом отверстии втулки установлен болт, стержень которого имеет конический рабочий участок, сопряженный с конической поверхностью осевого отверстия втулки. Больший диаметр конического участка стержня болта выполнен со стороны головки болта. Торцевая часть втулки со стороны меньшего диаметра конуса снабжена буртиком, расположенным в выполненной для его размещения расточке фланца с возможностью упора торцевой поверхности буртика, обращенной в сторону большего диаметра конуса, в ответную торцевую упорную поверхность расточки. На резьбовом конце болта, выступающем за пределы втулки, установлена гайка, имеющая возможность упора своей торцевой упорной поверхностью в ответную упорную поверхность фланца. Между торцевой упорной поверхностью гайки и обращенной к ней торцевой поверхностью буртика втулки имеется зазор.
В заявляемом изобретении, также как и в прототипе, в сквозных соосных цилиндрических отверстиях, выполненных в соединяемых фланцах, установлена втулка, имеющая внутреннюю коническую рабочую поверхность, которая сопрягается с наружной конической рабочей поверхностью ответной детали (элемента). Выборка радиального зазора в соединении осуществляется при осевом перемещении пары рабочих конических поверхностей относительно друг друга, когда внутренний элемент с наружной конической рабочей поверхностью входит в наружный элемент с внутренней конической рабочей поверхностью, при этом наружный элемент (втулка) имеет возможность разжиматься за счет продольных разрезов. Осевое силовое замыкание соединяемых фланцев осуществляется с помощью болта, упорная поверхность головки которого имеет возможность упора в ответную упорную поверхность одного фланца, а гайка, накрученная на свободный резьбовой конец болта, выступающий за пределы втулки, имеет возможность упора в ответную упорную поверхность другого соединяемого фланца, и при закручивании гайки происходит стягивание и плотное прижатие (силовое замыкание) в осевом направлении соединяемых фланцев. При этом при использовании и прототипа, и заявляемого технического решения обеспечивается технологичность и точность сборки (точность совмещения осей отверстий в соединяемых фланцах) за счет соединения сопрягаемых элементов по коническим поверхностям. Также следует отметить, что при разборке соединений не происходит повреждение обработанных с высокой точностью поверхностей болта, втулки и отверстий фланцев, а следовательно, отсутствует необходимость их замены или повторной обработки отверстий (их растачивания во фланцах), что увеличивает ресурс работы узла.
В отличие от прототипа в заявляемом изобретении выполнение болта, установленного в осевом отверстии втулки, стержень которого имеет конический участок, сопряженный с конической поверхностью осевого отверстия втулки, причем больший диаметр конического участка стержня болта выполнен со стороны головки болта, а также выполнение буртика втулки со стороны меньшего диаметра конуса так, как описано выше, по сравнению с прототипом (в котором выполнена конусная пара, состоящая из наружной и внутренней втулки, причем выступающий из наружной втулки конец внутренней втулки выполнен резьбовым для установки на него нажимной гайки, ограничивающей возможность движения внутренней втулки) позволяет упростить конструктивное выполнение болтового соединения фланцев (за счет исключения таких элементов как внутренняя втулка и нажимная гайка, накручиваемая на выступающий участок внутренней втулки с наружной резьбой), при этом также уменьшается осевой габарит соединения (за счет исключения из конструкции нажимной гайки). Указанные факторы позитивно влияют на повышение надежности работы узла и улучшение аэродинамических качеств конструкции в процессе работы машины. Также следует отметить, что выполнение втулки с продольными разрезами увеличивает ее податливость в радиальном направлении и позволяет обеспечить по сравнению с прототипом (в котором втулка выполнена с одним продольным разрезом) более равномерную деформацию втулки при выборке радиального зазора и повысить несущую способность и надежность работы узла. Кроме того, предлагаемое решение позволяет исключить резьбовую пару (нажимная гайка, накрученная на резьбовой конец внутренней втулки), что позволяет повысить жесткость соединения.
С целью предотвращения возможности ослабления прижима буртика втулки к торцевой поверхности расточки во фланце, вследствие которого возможно смещение втулки вдоль болта при эксплуатации машины (в случае появления возможных неблагоприятных сочетаний факторов, например, повышенной вибрации вала или погрешностей сборки, в частности, создание недостаточного натяга между поверхностями болта, втулки и установочных отверстий во фланцах), в болтовом соединении фланцев в зазоре между торцевой упорной поверхностью гайки и обращенной к ней торцевой поверхностью буртика может быть установлен прижимной элемент, размещенный в упор к торцевой поверхности буртика, при этом между торцевой упорной поверхностью гайки и обращенной к ней торцевой поверхностью прижимного элемента имеется зазор. Наиболее технологичным выполнением прижимного элемента является его выполнение в виде кольца.
С целью улучшения аэродинамических качеств, повышающих экономичность машины и понижающих температуру узла при работе, в болтовом соединении фланцев головка болта и гайка, накрученная на резьбовом конце болта, могут быть установлены в расточках, выполненных в соединяемых фланцах, таким образом, что головка болта и гайка не выступают за пределы наружных торцевых поверхностей соединяемых фланцев.
Результаты расчетных исследований и испытаний опытных образцов предлагаемого соединения, когда разжимная конусная втулка выполнялась с различным количеством и расположением продольных разрезов, показали, что равномерное распределение усилия при затяге обеспечивается при симметричном расположении продольных разрезов, при этом установлено, что достаточная податливость при сборке соединения с одновременным обеспечением прочности в процессе работы при передаче крутящего момента достигается при выполнении во втулке четырех продольных разрезов. Таким образом, в качестве оптимального конструктивного выполнения может быть предложено выполнение болтового соединения фланцев, при котором втулка выполнена с четырьмя симметрично расположенными продольными разрезами.
Графические материалы содержат пример конкретного выполнения заявляемого беззазорного болтового соединения фланцев, которое может быть использовано, например, при соединении роторов турбоагрегатов и других крупногабаритных машин.
На фиг. 1 представлено изображение беззазорного болтового фланцевого соединения, главный вид, разрез; на фиг. 2 представлено изображение конической разжимной втулки, главный вид, разрез.
Предлагаемое изобретение содержит соединяемые фланцы 1 и 2, в которых выполнены сквозные (проходные) цилиндрические отверстия, соответственно 3 и 4. Отверстия 3 и 4 выполнены соосными, имеют одинаковый диаметр, их поверхности обработаны по высокому классу точности (по 9 классу или выше). Соосность отверстий 3 и 4 обеспечивается путем их совместной обработки (райберовки) во фланцах 1 и 2. Как уже было отмечено ранее, фланцы 1 и 2 могут являться как фланцами соединительных полумуфт, установленных на соединяемых валах, так и фланцами, выполненными непосредственно на самих соединяемых валах.
В отверстиях 3 и 4 установлена разжимная втулка 5, имеющая осевое отверстие 6. Рабочая наружная поверхность 7 втулки, сопрягаемая с поверхностями отверстий 3 и 4, выполнена цилиндрической (под установку в отверстиях 3, 4, точность обработки поверхности 7 соответствует точности обработки поверхностей отверстий 3, 4). Рабочий призонный (т.е. обработанный по высокому классу точности) участок 8 поверхности внутреннего осевого отверстия 6 втулки 5 выполнен коническим (на фиг. 2 больший диаметр конуса обозначен D, меньший диаметр конуса обозначен d). Поверхность рабочего участка 8 может быть обработана по 9 классу точности или выше.
Втулка 5 выполнена с продольными разрезами 9 (фиг. 2), начинающимися от торца втулки со стороны большего диаметра D конического отверстия 6. В представленном примере втулка 5 имеет четыре симметрично расположенных продольных разреза 9. Такое выполнение продольных разрезов обеспечивает равномерность деформации и достаточную податливость втулки при сборке соединения, а также необходимую прочность при передаче крутящего момента в процессе работы. На практике ширина разрезов обычно выполняется минимальной, исходя из технологических возможностей – примерно 2 мм, длина неразрезного участка выбирается с учетом обеспечения прочности неразрезного участка при одновременном обеспечении необходимой податливости разрезной части.
Во внутреннем осевом отверстии 6 втулки 5 установлен болт 10. Стержень болта выполнен с призонным коническим участком 11, сопрягаемым с рабочим участком 8 осевого отверстия 6 втулки 5. Конический участок 11 болта 10 выполнен сужающимся в направлении от головки 12 болта 10 к его резьбовой части 13. Согласно расчетным методикам, применяемым в турбостроении, длина призонного участка болта обычно составляет двукратную величину диаметра отверстия во фланце (или наружного диаметра втулки). На торце головки 12 болта 10 выполнено резьбовое отверстие 14, используемое при сборке и разборке соединения для обеспечения возможности смещения или извлечения болта 10.
В представленном примере во фланце 2 выполнена расточка 15 под установку головки 12 болта 10, при этом упорная торцевая поверхность 16 головки болта упирается в торцевую поверхность 17 расточки 15, ограничивая осевое перемещение болта 10. Выполнение расточки 15 для размещения головки 12 болта 10, утопленной в теле фланца 2 (заподлицо с наружной поверхностью фланца), позволяет исключить в конструкции узла элементы, выступающие за пределы наружной поверхности фланца 2, что улучшает аэродинамические характеристики узла в процессе работы.
По торцу втулки 5 со стороны меньшего диаметра d конуса выполнен буртик 18, под который во фланце 1 выполнена расточка 19. Наружный диаметр буртика 18 больше диаметра отверстия 3, выполненного во фланце 1. Буртик 18 упирается своей торцевой поверхностью 20 (внутренней торцевой поверхностью) в ответную торцевую поверхность 21 расточки 19.
Упор буртика 18 в поверхность 21 обеспечивает технологичность выполнения монтажных-демонтажных работ и ремонтопригодность конструкции. Такое выполнение буртика, а именно, со стороны меньшего диаметра конуса позволяет при разборке соединения ослабить натяг и расцепить болт и втулку в первый момент приложения усилия к болту за счет фиксации и упора буртика, что значительно облегчает извлечение болта 10 из втулки 5, предотвращая повреждение (появление задиров) рабочих поверхностей втулки 7 и отверстий 3 и 4 в соединяемых фланцах, а также обеспечивает фиксацию положения втулки 5 при сборке соединения.
Резьбовой конец 13 болта 10 выступает за пределы торца втулки 5 со стороны буртика 18. На резьбовом конце 13 болта 10 установлена гайка 22. В представленном примере выполнения гайка 22 расположена в расточке 24 фланца 1 с целью исключения элементов, выступающих за пределы наружной поверхности фланца 1 (для улучшения аэродинамических качеств конструкции). Для обеспечения работоспособности соединения торцевая упорная поверхность 25 гайки 22 должна упираться в торцевую упорную поверхность 26 расточки 24 фланца 1 (ответную упорную поверхность фланца), при этом между обращенными друг к другу торцевыми поверхностями гайки и буртика должен быть зазор.
В представленном примере выполнения фланцевого соединения между поверхностью 25 гайки 22 и поверхностью 27 буртика 18 установлен прижимной элемент, например, как показано на фиг. 1, выполненный в виде кольца 28 и установленный в упор к поверхности 27 буртика 18. Кольцо 28 обеспечивает дополнительную фиксацию положения втулки 5 в осевом направлении с целью дополнительного повышения надежности соединения (в случае появления возможных неблагоприятных сочетаний факторов: повышенной вибрации вала, погрешностей сборки, в том числе, недостаточного натяга между поверхностями болта, втулки и отверстий во фланцах и т.п.), при этом кольцо 28 и торцевая поверхность 25 гайки 22 не должны контактировать между собой (на практике величина зазора S обычно составляет 0,5 – 1 мм). Расточка 24 со стороны наружной поверхности фланца 1 закрыта заглушкой 29, закрепленной к болту винтом 30, ввинченным в резьбовое отверстие в торце резьбового конца болта.
Возможно выполнение соединения, при котором буртик 18 может выступать в осевом направлении за пределы расточки 19. В этом случае в гайке со стороны ее торцевой поверхности, обращенной к втулке, требуется выполнить выборку (расточку), соответствующую выступающей части буртика, но с учетом соблюдения требования наличия зазора между торцевой поверхностью буртика и той торцевой поверхностью гайки, которая расположена напротив торца буртика, так как для обеспечения жесткой фиксации фланцев и работоспособности соединения требуется обеспечить упор торцевой упорной поверхности 25 гайки 22 в ответную упорную торцевую поверхность (в торцевую поверхность расточки либо наружную торцевую поверхность фланца).
Следует отметить, что возможно выполнение, при котором резьбовая часть 13 болта 10 и установленная на ней гайка 22 расположены за пределами наружной поверхности фланца 1, и торцевая поверхность гайки упирается в наружную поверхность фланца 1. Также возможно выполнение, при котором головка 12 болта 10 тоже может быть расположена за пределами наружной поверхности фланца 2 и ее торцевая поверхность упирается в наружную поверхность соответствующего фланца (фланца 2). Кроме того, головка болта и/или резьбовая часть болта с накрученной гайкой могут частично выступать за пределы соответствующих фланцев. Однако, как было отмечено ранее, наличие выступающих элементов несколько снижает аэродинамическое качество конструкции. Поэтому предпочтительным выполнением является такое, при котором и головка болта, и гайка утоплены в теле фланцев.
1
2
2
1
1
2
В представленном примере наружная и внутренняя поверхности втулки 5 выполнены с рабочими призонными (обработанными по высокому классу точности) участками соответственно f и f, каждый из которых заключен между обниженными нерабочими участками поверхности, которые выполнены с более грубой обработкой поверхности (на фиг.1, 2 отдельными позициями не обозначены), при этом границы призонного рабочего участка f внутренней поверхности втулки с каждой из торцевых сторон втулки расположены в осевом направлении ближе к торцам втулки, чем соответствующие границы призонного рабочего участка f наружной поверхности. При этом разрезы 9, начинающиеся от торца втулки 5 со стороны большего диаметра D конического отверстия 6, заканчиваются на нерабочем участке внутренней поверхности втулки 5 перед буртиком 18 (т.е. разрезы проходят через призонные участки f и f). Такое выполнение позволяет дополнительно уменьшить жесткость втулки в радиальном направлении, обеспечивая более плотное прилегание наружной цилиндрической поверхности втулки 5 к поверхностям отверстий 3 и 4, выполненных во фланцах 1 и 2, а также позволяет уменьшить усилие, требуемое для деформации втулки в радиальном направлении при распоре коническим болтом, при этом обеспечивается равномерный расчетный контакт по рабочим поверхностям без дополнительной притирки, а также дополнительно облегчается вытяжка болта из втулки при разборке соединения.
Для изготовления отдельных элементов соединения может быть использован, например, материал марки 25Х1МФ, являющийся наиболее распространенным в турбостроении для изготовления крепежных болтов фланцевых соединений.
Функционирование заявляемого соединения фланцев осуществляется при работе соединенных между собой валов (роторов) машин, например, крупных энергетических турбоагрегатов.
Сборка соединения производится следующим образом. В соосные отверстия 3 и 4 во фланцах 1 и 2, подготовленные для соединения фланцев полумуфт, со стороны фланца 1 устанавливают втулку 5 до упора буртика 18 своей торцевой поверхностью 20 в торцевую поверхность 21 расточки 19 во фланце 1. Со стороны фланца 2 в осевое отверстие 6 втулки 5 устанавливают болт 10 до упора головки 12 торцевой поверхностью 16 в торцевую поверхность 17 расточки 15 фланца 2. Втулка и болт соприкасаются по сопрягаемым коническим поверхностям. При втягивании болта 10 во втулку 5 втулка разжимается до соприкосновения с поверхностями отверстий 3 и 4 и создания радиального натяга по сопрягаемым поверхностям болта 10, втулки 5 и отверстий 3, 4 (происходит выборка радиального зазора). На резьбовой конец 13 болта 10 устанавливают гайку 22 и обжимают, например, динамометрическим ключом, до нормируемого усилия, обеспечивая стягивание и жесткую фиксацию соединяемых фланцев. Вследствие гарантированного отсутствия радиальных зазоров по сопрягаемым поверхностям болта 10, втулки 5 и отверстий 3, 4 соединяемые фланцы всегда будут занимать положение, аналогичное их первоначальной центровке при райберовке отверстий. При этом обеспечивается технологичность сборки и высокая точность центровки роторов (валов). Для установки втулки 5 и фиксации ее положения при затяге болта 10 могут быть использованы технологические приспособления, например, съемная упорная втулка, а также определены установочные торцевые зазоры, контроль которых осуществляется при проведении сборки соединения. При сборке конструкции возможно обеспечение компенсации допусков изготовления отдельных элементов соединения путем изменения положения втулки вдоль оси (например, за счет установки шайбы между упорными поверхностями буртика и расточки фланца или за счет уменьшения толщины буртика). Как правило, это производится только один раз при первой сборке соединения, так как в последующем все размеры деталей остаются неизменными.
При передаче крутящего момента во время эксплуатации машины вследствие плотной радиальной посадки (выборки радиального зазора) в соединениях «болт - втулка - отверстие фланца» все крепежные элементы (болты и втулки), работающие на срез и смятие, начинают воспринимать нагрузку одновременно и равномерно, сохраняя это качество в процессе эксплуатации, вследствие чего минимизируются возможные риски возникновения повышенных напряжений и деформаций в крепежных соединительных элементах и риски их разрушения, обеспечивается стабильный штатный режим работы машины (турбоагрегата), что, в свою очередь, обеспечивает повышение надежности и ресурса работы.
Разборка соединения производится в обратном порядке, причем, как было отмечено выше, извлечение болта 10 из втулки 5 не требует приложения значительных усилий благодаря выполнению буртика 18 втулки 5 со стороны меньшего диаметра конуса и обеспечению упора буртика в ответную торцевую упорную поверхность. Следует обратить внимание, что экспериментально было установлено, что при отсутствии буртика со стороны меньшего диаметра конуса при извлечении болта из втулки, как правило, болт и втулка не расцепляются, а извлекаются вместе, причем требуется постоянное приложение больших усилий, при этом происходит образование задиров на обработанных с высокой точностью поверхностях отверстий 3 и 4 во фланцах, что обуславливает необходимость повторной высокоточной обработки отверстий после операции разборки, что неприемлемо. При выполнении буртика со стороны меньшего диаметра конуса буртик фиксирует втулку, позволяя (за счет фиксации и упора буртика) ослабить натяг в первый момент приложения усилия к болту при извлечении болта из соединения. Разборка заявляемого соединения значительно облегчается и ускоряется, так как вследствие выборки радиальных зазоров в соединениях «болт - втулка - отверстие фланца» и равномерного распределения усилий по всем болтам во время эксплуатации машины исключается возникновение деформаций в крепежных соединительных элементах.
Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом характеризуется более простым, технологичным и жестким конструктивным выполнением (за счет исключения нажимной гайки, внутренней втулки и резьбового соединения нажимной гайки с втулкой), что позволяет повысить надежность конструкции и несущую способность узла, а также уменьшить осевой габарит соединения. Кроме того, предлагаемое выполнение продольных разрезов обеспечивает более равномерное распределение разжимного усилия втулки при выборке радиального зазора, что также обеспечивает повышение несущей способности и надежности работы узла. Результаты проведенных расчетно-экспериментальных исследований и испытаний опытных образцов подтвердили обеспечение высокой точности центрирования валов (согласно требованиям, предъявляемым к точности соединения роторов машин, в частности турбоагрегатов), высокую технологичность выполнения монтажных работ, обеспечение требуемой несущей способности соединения и надежности работы узла в целом.