УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ РАЗНОГО ДИАМЕТРА
CONNECTION ASSEMBLY OF PIPES OF DIFFERENT DIAMETERS

Изобретение относится к области строительства, а именно к узлам соединения труб разного диаметра, и может быть использовано при строительстве башен, мачт, опор линий электропередачи, опор контактных сетей электрического транспорта, опор освещения и т.п.
7
Известен узел соединения труб разного диаметра, включающий концы труб, вставленные друг в друга, торцовую кольцевую заглушку на трубе большего диаметра и кольцевую соединительную деталь, при этом торцевая кольцевая заглушка и кольцевая соединительная деталь прикреплены как к трубе большего, так и к трубе меньшего диаметра при помощи сварки (Патент РФ №2382266, МПК F16L 13/00, Е04В 1/5).
Недостатками этого узла являются низкая изгибная прочность сварного соединения трубы меньшего диаметра с кольцевой заглушкой на трубе большего диаметра, а также неразборность соединения.
Наиболее близким к изобретению является узел соединения труб разного диаметра, включающий концы труб большего и меньшего диаметров, на которых закреплены соответствующие соединительные детали, объединенные стяжными болтами (Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций. ЦБНТИ Минмонтажспецстрой СССР, 1989. - 51 с.).
В известном узле соединения труб разного диаметра соединительные детали представляют собой приваренные к концам труб разных диаметров фланцы, которые усилены ребрами жесткости (фасонками), прикрепленными к концам труб и фланцам на сварке.
Недостаток известного узла состоит в его низкой изгибной прочности при воздействии на опору, выполненную из труб разного диаметра, горизонтальных усилий, как, например, в опорах контактных сетей от натяжения проводов. Кроме того, большое количество сварных швов тонкостенных труб, сконцентрированных в местах их крепления с фланцами и ребрами жесткости, также значительно снижает прочность всего узла соединения труб разного диаметра.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение прочности узла соединения труб разного диаметра при воздействии на него изгибающего момента.
0
0
0
0
0
0
Указанная задача решается тем, что в известном узле соединения труб разного диаметра, включающем концы труб большего и меньшего диаметров, на которых закреплены соответствующие соединительные детали, объединенные стяжными болтами, согласно изобретению, соединительная деталь трубы большего диаметра D представляет собой торцовую заглушку с отверстиями для прохода стяжных болтов, соединенную на сварке с концом трубы большего диаметра, соединительная деталь трубы меньшего диаметра d выполнена в виде опорного кольца, внутренний диаметр которого соответствует диаметру d, основание опорного кольца имеет цилиндрический пояс с наружным диаметром D, который по высоте L от его верхней границы до верхнего торца опорного кольца уменьшается до диаметра d, опорное кольцо основанием наружу насажено на конец трубы меньшего диаметра по горячей посадке заподлицо с ее торцом, который на сварке соединен с основанием опорного кольца сварным швом с разделкой кромок, по контуру наружной поверхности основания опорного кольца выполнены гнезда для гаечного ключа с отверстиями, соосными отверстиям в торцовой заглушке, опорное кольцо и торцовая заглушка соединены между собой стяжными болтами, вставленными с внутренней стороны торцовой заглушки в ее отверстия, головки которых на сварке прикреплены к ней, при этом для соединения труб большего и меньшего диаметров D и d, равных соответственно 325 и 219 мм, толщиной их стенок соответственно 10 и 9 мм и высотой L опорного кольца и наружным диаметром его верхнего торца d, равными соответственно 200 и 225 мм, наружный диаметр опорного кольца D(x) определяют в зависимости от текущей координаты х, отсчитываемой от верхней границы цилиндрического пояса основания опорного кольца, из таблицы
На фиг. 1 приведен общий вид узла соединения труб разного диаметра; на фиг. 2 показана форма наружной поверхности опорного кольца; на фиг. 3 приведена зависимость изгибного напряжения на конце трубы меньшего диаметра, с напрессованным на него опорным кольцом, от координаты х.
0
0
0
0
Узел соединения труб разного диаметра включает концы труб 1 большего D и 2 меньшего d диаметров, торцовую заглушку 3 с отверстиями для прохода стяжных болтов 4, соединенную на сварке с торцом трубы 1. Соединительная деталь трубы 2 выполнена в виде опорного кольца 5, внутренний диаметр которого соответствует диаметру d, основание опорного кольца 5 имеет цилиндрический пояс 6 с наружным диаметром D, который по высоте L между верхней границей цилиндрического пояса и верхним концом опорного кольца 5 уменьшается до диаметра d. Опорное кольцо 5 основанием наружу насажено на конец трубы 2 по горячей посадке заподлицо с ее торцом, который на сварке соединен с основанием опорного кольца 5 сварным швом 7 с разделкой кромок. По контуру наружной поверхности основания опорного кольца 5 выполнены гнезда 8 для гаечного ключа с отверстиями соосными отверстиям в торцовой заглушке 3 для прохода стяжных болтов 4. Опорное кольцо 5 и торцовая заглушка 3 соединены между собой стяжными болтами 4, вставленными с внутренней стороны торцовой заглушки 3 в ее отверстия, головки 9 которых на сварке прикреплены к ней, а концы затянуты гайками 10.
Сборка узла соединения труб разного диаметра производится следующим образом.
Глухое соединение конца трубы меньшего диаметра 2 с опорным кольцом 5 осуществляется по горячей посадке, обеспечивающей гарантированный натяг. Для получения этой посадки опорное кольцо 5 предварительно нагревается в минеральном масле до температуры 100-120°С и насаживается на конец трубы 2 основанием наружу заподлицо с ее торцом. После чего для повышения надежности торец трубы 2 на сварке соединяется с основанием опорного кольца 5 сварным швом 7 с разделкой кромок.
С внутренней стороны торцовой заглушки 3 в выполненные в ней отверстия вставляются стяжные болты 4, головки 9 которых на сварке прикрепляют к ней. После этого торцовую заглушку 3 с выступающими из нее резьбовыми концами стяжных болтов 4 приваривают к торцу трубы 1 большего диаметра. Подготовленные таким образом концы труб 1 и 2 соединяют друг с другом, при этом стяжные болты 4 входят в соосные отверстия, выполненные в основании опорного кольца 5, и затягиваются гайками 10.
0
0
0
0
0
0
Узел соединения труб разного диаметра можно представить в виде консоли, состоящей из трубы меньшего диаметра d=2r с запрессованным на ней опорным кольцом, основание которого жестко закреплено на торцовой заглушке трубы большего диаметра D=2R, нагруженной на свободном конце длиной L поперечной силой F (фиг. 2). Наружный диаметр опорного кольца D(x)=2R(x) изменяется по высоте L от диаметра D у его основания до диаметра d=2r верхнего торца. Толщина стенки трубы меньшего диаметра равна h.
max
0
Форма наружной поверхности опорного кольца, охватывающего конец трубы меньшего диаметра, подобрана таким образом, чтобы во всех сечениях соединения изгибные напряжения не превышали допустимого значения σ и были по возможности одинаковы при обеспечении плавного перехода от диаметра D к диаметру d. Исходя из этих условий, осуществляется наиболее полное использование материала опорного кольца и устраняется местная концентрация напряжения, связанная с резким изменением сечения основания опорного кольца в месте его жесткой заделки в торцовую заглушку трубы большего диаметра.
Для произвольного сечения консоли равного сопротивления изгибу, отстоящего на расстоянии х от места ее жесткой заделки, условие обеспечения требуемой прочности имеет вид
изг
изг
0
где М(х) - изгибающий момент, М(х)=F⋅(L-х);
W(x) - момент сопротивления кольцевого сечения,
, здесь R=R(x).
0
0
0
0
Поперечная сила F приложена к консоли на расстоянии L от места ее жесткой заделки. Тогда в сечении х=0 будет действовать изгибающий момент M=FL. Момент сопротивления кольцевого сечения при х=0 с наружным радиусом R равен
Изгибное напряжение в сечении х=0 составит
L
L
В сечении х=L верхнего торца опорного кольца величины M и W имеют значения
Изгибные напряжения в сечении х=L равно
Будем отыскивать форму наружной поверхности опорного кольца - зависимость R=R(x) из следующих условий.
х
1. Изгибное напряжение σ имеет значение
на участке консоли kL≤х≤L, где величина коэффициента k<1 определяется для конкретных геометрических размеров и параметров нагружения узла соединения методом численной оптимизации. При этом строилась зависимость R=R(x) для ряда значений коэффициента k и выбиралось его наименьшее значение, обеспечивающее максимальную длину участка консоли с равным сопротивлению изгибу, при ограничении, связанном с недопущением резкого изменения сечения основания опорного кольца в месте ее жесткой заделки.
x
2. Распределение изгибного напряжения σ вдоль оси х на участке 0≤х≤kL задано в виде
где коэффициенты а, b, с находятся с учетом следующих равенств
а
0
Из (6) следует, что =σ.
Из (7) и (8) получаем ;
После подстановки значений коэффициентов а, b, с в (5) имеем
изг
Таким образом, при известных зависимостях σ(x) и М(х) функция R(x) определяется из уравнения
Пример конкретного выполнения
0
0
Оценка эффективности предложенного узла соединения труб разного диаметра проведена при его применении в широко используемых в контактных сетях электрического транспорта опорах, состоящих из двух звеньев: нижнее звено труба 325×10 мм ГОСТ 10706-76 и верхнее звено труба 219×9 мм ГОСТ 10704-91. Расчетная схема нагружения узла с учетом [Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Гатиятов, И.З. Экспериментальные исследования узлов соединения труб разного диаметра в опорах контактных сетей электротранспорта // Вестник гражданских инженеров, 2014, №6. С. 90-95] предусматривала жесткое закрепление в горизонтальном положении конца трубы большего диаметра и приложении поперечной нагрузки F, равной 15 т, к консольной части трубы меньшего диаметра на расстоянии L=0.8 м от места ее жесткого закрепления. Высота L опорного кольца составляет 0.2 м, наружный диаметр цилиндрического пояса его основания D равен 325 мм, наружный диаметр верхнего торца опорного кольца d составляет 225 мм. Коэффициент k равен 0.375.
0
L
Изгибные напряжения σ в сечении х=0 и σ в сечении х=L, определенные из (2) и (3), составляют соответственно 40.902 и 217.35 МПа.
На фиг. 2 показана форма наружной поверхности опорного кольца, в виде зависимости R=R(x), полученной из уравнения (10).
Наружный диаметр D(x) опорного кольца в зависимости от координаты х определяют из таблицы
0
Из приведенного на фиг. 3 распределения изгибного напряжения σ(x) вдоль высоты L, полученного с учетом (4) и (9), следует, что на большей части высоты L опорного кольца практически удовлетворяется условие равного сопротивления изгибу при обеспечении плавного перехода от наружного диаметра трубы большего диаметра D к наружному диаметру d в его верхнем торце.
0
0
В качестве устройства прототипа было принято соединение труб диаметрами D=325 и d=219 мм с помощью фланцев, усиленных 4-мя ребрами жесткости (фасонками), имеющими высоту 200 мм, толщину 10 мм и ширину в нижней части равную .
0
Расчет узла соединения труб на изгиб, проведенный согласно [2] по программе ANSYS, показал, что изгибные напряжения в месте приварки трубы диаметром d=219 мм к фланцу, при той же схеме нагружения, как у предложенного устройства, составляет 359,4 МПа, что значительно на 32,8% больше, чем наибольшее изгибное напряжение в предложенном устройстве.
0
0
Таким образом, изобретение позволяет повысить надежность соединения и его прочность за счет увеличения момента сопротивления трубы меньшего диаметра с насаженным на нее опорном кольце, в зоне его крепления с торцовой заглушкой трубы большего диаметра, при обеспечении плавного перехода от диаметра D к диаметру d, а также исключения сварного шва на наружной поверхности трубы меньшего диаметра в месте ее крепления с верхним торцом опорного кольца.