Беззазорное крепежное соединение фланцев

Предлагаемое техническое решение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано для стягивания и жесткой фиксации фланцев полумуфт валов машин, в том числе роторов энергетических турбоагрегатов большой мощности, во время монтажа и ремонтов.
В настоящее время одним из основных способов соединения фланцев полумуфт роторов турбоагрегатов является соединение цилиндрическими призонными болтами. Призонные болты устанавливаются в отверстия полумуфт с зазором 0,02-0,04 мм (патент РФ №2087290 «Способ соединения валов фланцевыми полумуфтами с соединительными призонными болтами», МПК В23Р 19/06, опубликовано 20.08.1997 г.). На практике, как правило, зазоры на разных болтах составляют до 0,06 мм, а зачастую, и более, что может привести к ухудшению первоначальной центровки роторов, и, как следствие, к ухудшению вибрационного состояния валопровода. Кроме этого, каждый болт в одном фланцевом соединении может быть установлен в отверстие с различным радиальным зазором. При этом на болтах, установленных с наименьшими зазорами, могут появляться повышенные напряжения смятия и среза, что может привести к серьезной аварии. Вышеперечисленные проблемы приводят к недостаточной жесткости фиксации фланцев, что значительно снижает надежность фланцевого соединения. Также при извлечении призонных болтов, часто происходят повреждения соединительных болтов и отверстий в полумуфтах.
Другим широко распространенным способом соединения фланцев полумуфт роторов турбоагрегатов является легкосъемное крепежное соединение с радиальным натягом (беззазорное). Основным недостатком такого соединения является конструкция конической втулки, ограничивающая ее податливость и требующая большого усилия для ее разжатия. Это значительно затрудняет сборку-разборку фланцевого соединения и не обеспечивает необходимую жесткость, и как следствие, надежность соединения.
Решением указанных технических проблем является применение беззазорного крепежного соединения фланцев полумуфт, состоящего из шпильки с конусной посадочной поверхностью и втулки, имеющей внутреннюю коническую часть и наружную цилиндрическую поверхность.
Известно техническое решение «Легкосъемное беззазорное крепежное соединение фланцев» (патент РФ №2519996, МПК F16B 5/02, опубликовано 20.06.2014 г.). Данное техническое решение содержит втулку, установленную с зазором в сквозных соосных цилиндрических отверстиях соединяемых фланцев валов. Втулка выполнена с внутренним осевым коническим отверстием, в котором установлена шпилька, имеющая центральный конический участок. Втулка и шпилька сопряжены по коническим поверхностям, на резьбовых концах шпильки установлены гайки, обеспечивающие возможность ее перемещения и регулировки усилия затяга. Втулка выполнена с возможностью фиксации ее положения в соединении в осевом направлении посредством упорного буртика, выполненного на втулке со стороны большего диаметра конуса и контактирующего с торцевой поверхностью расточки, выполненной во фланце. Втулка выполнена с призонным рабочим участком и с четырьмя продольными разрезами, начинающимися от торца втулки со стороны меньшего диаметра конуса и заканчивающимися на нерабочем участке втулки со стороны большего диаметра конуса. На торцах шпильки выполнены пазы.
Недостатком данного решения является низкая технологичность соединения, поскольку в размер диаметра каждого конкретного отверстия целесообразно оперативно, в условиях станции, протачивать или шлифовать наружную цилиндрическую поверхность втулки, предварительно изготовленную с припуском. Такую обработку конической втулки с продольными разрезами проводить затруднительно, так как из-за разной жесткости в крайних сечениях и большой податливости ее разрезной части трудно обеспечить необходимое качество обработки наружной цилиндрической поверхности. Из-за высокой податливости, втулка после нескольких циклов сборки/разборки, пластически деформируется и теряет свою первоначальную форму.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению, по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является «Легкосъемное крепежное соединение с радиальным натягом» (патент РФ №2239731, МПК F16B 5/02, опубликовано 10.11.2004 г.), направленное на повышение надежности и упрощение выполнения сборочных работ. Крепежное соединение фланцев с радиальным натягом (беззазорное) содержит втулку, установленную с зазором в сквозных соосных цилиндрических отверстиях соединяемых фланцев. Втулка выполнена с внутренним осевым коническим отверстием, в котором установлена шпилька, выполненная с центральным коническим участком и сопряженная с внутренней конической поверхностью втулки. По всей длине втулки выполнен продольный сквозной разрез. На резьбовых концах шпильки установлены гайки. На втулке со стороны конической поверхности большего диаметра выполнен буртик для фиксации втулки в осевом направлении и от поворота при затяжке гаек.
Недостатком известного устройства является низкая надежность из-за снижения несущей способности фланцевого соединения. При разжатии втулки конической шпилькой, деформации в различных поперечных сечениях, а, следовательно, и напряжения будут неодинаковыми в разных направлениях, поэтому передаваемые шпильками перерезывающие силы от крутящего момента во фланцах будут неодинаковыми, что может привести к появлению в отдельных шпильках запредельных напряжений и остаточных деформаций. Для разжатия втулки требуется большое усилие.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, заключается в повышении надежности и технологичности крепежного соединения фланцев, а также в снижении трудоемкости выполнения сборочно-монтажных работ.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается беззазорное крепежное соединение фланцев, содержащее втулку, установленную с зазором в сквозных соосных цилиндрических отверстиях соединяемых фланцев и выполненную с внутренним осевым коническим отверстием, в котором установлена шпилька, выполненная с центральным коническим участком и сопряженная с внутренней конической поверхностью втулки. По всей длине втулки выполнен продольный сквозной разрез.
При этом, согласно заявляемой полезной модели, через 90° от продольного сквозного разреза выполнены три продольных несквозных паза.
Продольные несквозные пазы повышают технологичность конструкции за счет большей жесткости и целостности втулки, при этом не снижают ее податливость. Наличие продольного сплошного разреза придает втулке незамкнутую форму, что ведет к повышению ее податливости и, как следствие, увеличивает жесткость фланцевого соединения, таким образом, повышается его надежность. Большая податливость позволяет производить полное распирание втулки, прилагая при этом меньшее усилие, что снижает трудоемкость выполнения сборочно-монтажных работ.
Результаты проведенных авторами расчетно-экспериментальных исследований показали, что наиболее оптимальным вариантом для обеспечения требуемых свойств в описанном выше беззазорном крепежном соединении фланцев является вариант втулки с одним продольным сплошным разрезом и тремя расположенными через 90° продольными несквозными пазами. Проведенные расчеты для указанного варианта соединения показали, что необходимое усилие, требуемое для раскрытия втулки, уменьшилось на 86% по сравнению с конструкцией втулки без продольных несквозных пазов.
Выполнение втулки с тремя несквозными пазами, расположенными через 90°, обеспечивает равномерное раскрытие втулки и, соответственно, равномерное распределение напряжений в ней.
Таким образом, предложенное техническое решение в совокупности указанных выше существенных признаков обеспечивает повышение надежности фланцевого соединения, обеспечивает повышение технологичности и снижение трудоемкости выполнения сборочно-монтажных работ.
Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения беззазорного крепежного соединения фланцев.
На фиг. 1 представлен разрез главного вида беззазорного крепежного соединения фланцев; на фиг. 2 - втулка, продольный разрез и вид слева.
Беззазорное крепежное соединение содержит втулку 1, установленную с зазором в сквозных соосных цилиндрических отверстиях 2 и 3 соединяемых фланцев 4 и 5 полумуфт (на фиг.не показаны) роторов турбоагрегатов. Втулка 1 выполнена с внутренним осевым коническим отверстием 6, в котором установлена шпилька 7 с гайками 8 и 9 на своих резьбовых концах. Шпилька 7 выполнена с центральным коническим участком 10 и сопряжена с внутренней конической поверхностью втулки 1. За втулкой 1 со стороны меньшего диаметра конуса расположена упорная втулка 11, предназначенная для фиксации положения втулки 1 в осевом направлении. По всей длине втулки 1 выполнен продольный сквозной разрез 12. Через 90° от продольного сквозного разреза выполнены три продольных несквозных паза 13. Остаточная толщина h втулки 1 в местах выполнения продольных несквозных пазов 13 должна быть минимальной, но при этом обеспечивать требуемую жесткость втулки 1 и не снижать ее прочностные характеристики. Ширина пазов 13 должны быть выполнена минимальной исходя из технологических возможностей. На резьбовых торцах шпильки 7 выполнены резьбовые отверстия 14 под винт 15 для крепления заглушек 16.
Для изготовления отдельных элементов крепежного соединения предпочтительно применять материал марки 25Х1МФ (наиболее распространенный в турбиностроении для изготовления шпилек и втулок фланцевых соединений роторов).
Стягивание и жесткая фиксация валов, в частности, роторов турбоагрегата, во время монтажа и ремонтов выполняется после операции центрирования. Сборка устройства производится следующим образом:
В сквозные соосные цилиндрические отверстия 2 и 3, подготовленные для соединения фланцев 4 и 5, устанавливается втулка 1 и шпилька 7. На шпильку 7 со стороны большего диаметра конуса устанавливается упорная втулка 11 и гайка 8, которая обжимается ключом до нормируемого незначительного усилия, обеспечивающего «нулевой» натяг по сопрягаемым поверхностям шпильки 7, втулки 1 и сквозным соосным цилиндрическим отверстиям 2 и 3. При этом втулка 1 насаживается на шпильку 7 и разжимается до соприкосновения с поверхностями сквозных соосных цилиндрических отверстий 2 и 3 и создания предварительного «нулевого» радиального натяга по сопрягаемым поверхностям шпильки 7, втулки 1 и сквозных соосных цилиндрических отверстий 2 и 3. На противоположный резьбовой конец шпильки 7 устанавливается гайка 9 до упора. Затем, гайка 9 отводится на расчетную величину, требуемую для обеспечения расчетного натяга. Дальнейшим затягиванием гайки 9 обеспечивается окончательный расчетный радиальный натяг по сопрягаемым поверхностям шпильки 7, втулки 1 и сквозных соосных цилиндрических отверстий 2 и 3.
После окончания затяга шпильки 7 к ее резьбовым торцам винтами 15 крепятся защитные заглушки 16.
Следует отметить, что при сборке устройства обжатие гаек 8 и 9 производится с помощью динамометрического ключа или гидравлического гайковерта.