УЗЕЛ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ

УЗЕЛ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ
Полезная модель относится к машиностроению, в частности к фланцевым соединениям деталей машин и может быть использована для соединительных муфт валов электроприводов и трубопроводной арматуры, предназначенных для открытия и закрытия прохода арматуры с пульта управления и остановку запорного устройства арматуры в любом промежуточном положении.
В известных конструкциях электроприводов общепромышленного и взрывозаш;иш,енного исполнения типов «М, «А, «Б, «В, «Г, «Д, присоединительные фланцы входного и выходного валов выполняют в виде квадрата с четырьмя отверстиями круглого профиля под крепежные элементы типа болт-гайка. Данные приводы присоединяются к затворам трубопроводов, имеющим аналогичный присоединительный фланец и вал входной - шпиндель привода затвора. При изготовлении такой конструкции присоединительного фланца к ней не предъявляются высокие требования по точности расположения присоединительных отверстий. В результате при несовпадении отверстий даже в рамках технологических допусков при затяжке болтов крепления происходит принудительный изгиб, как выходного вала, так и шпинделя, что негативно сказывается на работе затвора, а при быстром перекрытии прохода усилия и моменты для управления арматурой достигают больших значений, что может привести к невыполнению затвором своих функций.
Известны конструкции узлов фланцевого соединения сильнонагруженных деталей машин, в которых осуществляется соединение болтами, установленными во фланцевые отверстия без зазоров и с зазорами (Иванов М.н. Детали машин. М.: «Высшая школа. 1991г. с. 382).
МПК6 F16L 23/02
Фланцевые соединения, состоящие из двух фланцев и болтов, устанавливаемых в отверстиях со значительным зазором, позволяют во многих  совместить отверстия обоих фланцев. Затяжка болтового соединения таких соединений создает на контактной поверхности между фланцами силу трения, полностью уравновешивающую внешнюю силу. При этом сила затяжки до пяти раз может превосходить внешнюю силу и поэтому диаметры болтов должны достигать больших величин.
Установка болтов без зазоров позволяет получить муфты меньших габаритов, поэтому она более распространена, В узле фланцевого соединения, в котором болты устанавливаются в отверстия без зазора, соединяемые детали должны совместно обрабатываться. Причем отверстия в соединяемых фланцах калибруют разверткой или растачивают совместно, а диаметр стержня болта выполняют с допуском, обеспечивающим заданную посадку. Эти технологические операции весьма трудоемки. Сборка и разборка таких соединений не только трудоемки, но приводят к задирам посадочных поверхностей отверстий фланцев и пшифованных поверхностей болтов. При расчете такого типа групповых болтовых соединений от совместного действия поперечных и осевых усилий принимают, что болты нагружены равномерно. Однако, как показали экспериментальные исследования усталостной прочности таких соединений, болты нагружаются от сдвигающих нагрузок существенно неравномерно. Эти недостатки существенно снижают конкурентоспособность рассматриваемого узла соединения.
Известен узел фланцевого соединения, содержащий установленные в отверстиях фланцев цилиндрические втулки и расположенные в них с зазором болты с гайками (А.С, №985399, МКИЗ F03B 11/00, 30.12.1982г.). Такая конструкция допускает смещение фланцев при воздействии поперечной нагрузки на болты от крутящего момента, передаваемого валом, вследствие чего изгибаются болт и втулка. При этом в крайних сечениях
болтов и втулок, одним из которых является резьбовая часть болта, возникают максимальные напряжения, которые суммируются с напряжениями в резьбе, возникающими из-за концентрации, что опасно для прочности соединения. К недостатку можно отнести также наличие втулки, что дополнительно ослабляет фланцы.
Известен узел соединения фланцев с помощью полупризонных болтов, установленных с расчетными зазорами (А.С. №1564428, МПК5 F16D 1/00, 15.05.1990Г,). Основным недостатком этого решения является значительный изгиб болта по всей длине, причем максимальные изгибные напряжения приходится на сечение резьбовой части болта, которое совпадает с первым витком гайки, т.е. на сечение, в котором, как правило, имеют место значительные концентрации напряжений и которое разрущается, прежде всего, в соединениях с болтами, установленными с зазорами.
В качестве протопита взят узел фланцевого соединения по патенту РФ №2169876, МПК7 F16 L 23/00, 27.06.2001г., содержащий два фланца, в которых выполнены профильные отверстия под крепежные элементы типа болт-гайка. В отличие от предшествующего решения во фланце, к которому примыкает гайка, профильное болтовое отверстие выполнено под посадку болта без зазора, плавно переходящее к плоскости разъема, а в другом фланце профильное отверстие, в котором установлен болт с расчетным зазором, выполнено плавно переходящее к концентрическим цилиндрическим расточкам большего диаметра, примыкающим с одной стороны к плоскости разъема, а с другой - к опорной поверхности головки болта.
К недостатку данного изобретения можно отнести отсутствие численных значений параметров профиля отверстий во фланце, обеспечивающего посадку болта с зазором, что не позволяет оценить надежность фланцевого соединения. Не достаточно надежное данное соединение фланцевого узла обусловлено вышеприведенными доводами для 3
узлов фланцевого соединения посредством болтовых элементов, установленных в отверстиях фланцев с зазором.
Настоящая полезная модель при простоте изготовления профильных отверстий во фланцах, решает задачу повышения надежности соединения фланцев при минимальных габаритах, как фланцев, так и крепежных элементов, за счет посадки без напряжения болтов в профильных отверстиях фланцев с контактом (опорой) их по боковым поверхностям отверстий. В конечном итоге полезная модель обеспечивает повышение надежности срабатывания приводов и самих затворов при значительных нагрузках.
Поставленная задача решается тем, что в узле фланцевого соединения, содержащем два фланца, в которых выполнены профильные отверстия под крепежные элементы типа болт-гайка, в каждом фланце выполнено, по крайней мере, по четыре отверстия, имеющих овальный профиль, причем в одном фланце все отверстия в радиальном направлении выполнены шириной равной диаметру болтов, и в тангенциальном направлении данные отверстия выполнены длиной:
/...,
а во втором фланце все отверстия в тангенциальном направлении выполнены шириной равной диаметру болтов, и в радиальном направлении длиной:
/,, 2hE
d - диаметр болтов;
R - радиус окружности, на которой располагаются оси болтов;
h - высота фланцев;
Е - модуль упругости материала фланцев;
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на Фиг. 1 и Фиг. 2 представлен профиль, соответственно первого и второго фланцев; на Фиг. 3 представлен вид на узел фланцевого соединения со стороны первого фланца; на Фиг. 4 и Фиг. 5 представлен соответственно вид А-А и вид В-В Фиг. 3; на Фиг. 6 представлена расчетная схема напряжений, действующих на болт при несовпадающих отверстий во фланцах.
Узел фланцевого соединения состоит из фланцев 1 и 2. Во фланце 1 выполнено четыре овальных отверстия 3, меньшая ось которых размещена радиально, а большая - тангенциально. Во фланце 2 выполнено четыре овальных отверстия 4, меньшая ось которых размещена тангенциально, а большая - радиально. В совмещенных отверстиях 3 и 4 фланцев 1 и 2 размещены крепежные болты 5 с гайками 6.
Определение минимально допустимых больших длин осей отверстий в тангенциальном и радиальном направлениях, соответственно для первого и второго фланцев могут быть определены из условия прочности крепежных болтов.
Определение минимальной длины в радиальном направлении отверстий второго фланца, при условии, что ширина отверстий в радиальном направлении в первом фланце равна диаметру болтов J, можно пояснить следующими выкладками.
При постановке болтов диаметром d в несовпадающие отверстия при последующей их затяжке болты будут стремиться совместить отверстия, при этом со стороны боковой поверхности болта на соответствующую боковую поверхность отверстия будут действовать напряжения crjij, приводящие к
возникновению деформаций S, стремящихся к обеспечению перемещений ЛК для каждого фланца, то есть к выборке эксцентриситета 2 AR (Фиг. 6). Причем относительная деформация в радиальном направлении будет
где R - радиус окружности, на которой располагаются оси болтов.
Из закона Гука имеем: /j  - (2),
где Е - модуль упругости материала фланцев.
Действие напряжения aj в радиальном направлении эквивалентно
действию на болт силы F: jp   (3),
где h - высота фланцев; d - диаметр болта.
Разрешая уравнения (1) - (3) относительно AR, получим:
FR М   (4)
dhE
Действие на болт силы F приведет к появлению в поперечном сечении болта напряжений среза т (Фиг. 6) под действием которых болт может разрушиться. Условие прочности по напряжениям среза имеет вид:
4F т  , (5)
где г - допускаемое напряжение среза для материала болтов.
Разрешая уравнение (5) относительно F и подставляя последнее в (4) получим:
4hE
Следовательно, минимальная длина в радиальном направлении отверстий второго фланца будет величина, определяемая неравенством:
/2 + 2ДКилиl2 d+.
Определение минимальной длины в тангенциальном направлении отверстий первого фланца, при условии, что ширина отверстий в тангенциальном направлении во втором фланце равна диаметру болтов d, аналогично вышеприведенным выкладкам. Легко показать, что в этом случае величина А/ определяется так:
6
(7),
Следовательно, минимальная длина в тангенциальном направлении
отверстий первого фланца будет величина, определяемая неравенством:
+ 2А/или/,.
Заданные профили отверстий 3 и 4 в обоих фланцах при смещении отверстий, как в радиальном, так и в тангенциальном направлениях в пределах допустимых технологических допусков на изготовление отверстий во фланцах, позволяет обеспечить при пересечении этих отверстий «просвет в виде круглого отверстия диаметром, равным диаметру болтов, для установки болтов без изгибов. Таким образом, при сборке заявленного узла фланцевого соединения с заданным профилем отверстий под болты с одной стороны обеспечивается установка болтов в несоосные отверстия двух фланцев без изгибов, а с другой стороны - обеспечивается контакт (опора) боковых поверхностей болтов с боковыми поверхностями отверстий обоих фланцев. 1