Устройство для фиксации болтового соединения фланцев вращающегося трубопровода
ROTATING PIPELINE FLANGES BOLTED CONNECTION FIXING DEVICE

Изобретение относится к области резьбовых соединений, а именно к устройствам для фиксации болтовых соединений фланцев вращающегося трубопровода, преимущественно большого диаметра.
В резьбовых крепежных соединениях прочность обеспечивается путем создания в них большой стягивающей нагрузки, которая создается при контролируемой затяжке болтового соединения. По завершении процесса затяжки в болтовом соединении образуется нагрузка сжатия, поскольку гайка, перемещаясь к головке болта, создает между фиксируемыми деталями сжимающую силу. Ослабление резьбового соединения - это последующая потеря части этой сжимающей нагрузки. При этом возникают условия, способствующие откручиванию гайки. Основными причинами являются релаксация материала резьбового соединения и самоослабление резьбового соединения (самооткручивание гайки). Релаксация напряжений в материале приводит к снижению напряжений (переходу части упругих напряжений в пластические) и соответственно к снижению усилия прижима одной детали к другой. Самоослабление может быть вызвано действием на соединение динамических нагрузок из-за вибраций или перепада температур. При этом возникающие поперечные нагрузки ведут к возникновению сил трения, действующих на гайку и создающих в ней откручивающий момент. Многократные перемещения деталей относительно друг друга в конечном итоге приводят к ослаблению резьбового соединения. Самоослабление резьбовых соединений, приводящее к возможным поломкам механизмов, может быть предотвращено только с помощью различных методов фиксации.
Известно устройство для фиксации резьбового соединения, выполненное в виде пружины (JP 4253143, 2009 г.). В известном техническом решении пружина выполнена спиральной, один конец которой закреплен на периферийной части удерживающей шайбы, установленной на фиксируемой гайке, а другой конец пружины закреплен на стопорном элементе, выполненном в виде неподвижно закрепленного штыря. Устройство при сборке устанавливают таким образом, что закрепленный на шайбе конец спиральной пружины направлен в сторону, противоположную направлению завинчивания гайки или болта. Устройство обеспечивает возможность фиксации гаек и головок болтов резьбового соединения с заданным моментом затяжки путем навивки спиральной пружины определенной жесткости вокруг фиксируемой гайки или головки болта, что исключает возможность самопроизвольного раскручивания элементов резьбового соединения.
Известно устройство для фиксации резьбового соединения выполненное в виде пружины (GB 2132301, 1987 г.). В известном техническом решении устройство для фиксации содержит запирающие элементы, например катушки, обернутые вокруг попарно расположенных гаек. При этом фиксирующий элемент устройства выполнен в виде пружины, связанной по диагонали с соответствующими запирающими элементами, а свободные концы пружины связаны с запирающими элементами при помощи вырезов, образующих замковое соединение таким образом, что устройство представляет собой замкнутую бесконечную (8-образную) петлю.
Недостатками известных технических решений являются сложность их конструкций и невозможность применения для фиксации соединения фланцев вращающегося трубопровода, поскольку они не обеспечивают надежность фиксации при возникновении вибраций или ударных нагрузок.
Известно устройство для фиксации резьбового соединения фланцев, включающее фиксатор положения головок болтов, расположенный на поверхности фланца со стороны головок и предназначенный для взаимодействия с головками, причем высота фиксатора не менее высоты головки болта, и фиксатор положения гаек (RU 64721, 2007 г.). В известном техническом решении пружина выполнена в виде U-образной пружинной скобы, входящей своими концами в соответствующие отверстия гайки и головки болта.
При возникновении вибраций, ударных нагрузок или повышенной частоте вращения трубопровода фиксация одновременно головки болта и гайки общим конструктивным элементом определяет низкую надежность фиксации из-за возможного выпадения пружинной скобы из отверстий головки болта и гайки, что является существенным недостатком известного технического решения.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является устройство для фиксации болтового соединения фланцев вращающегося трубопровода, включающее фиксатор положения головок болтов, расположенный на поверхности фланца со стороны головок и предназначенный для взаимодействия с последними, высота которого не менее высоты его головки, и фиксатор положения гаек (RU 160922, 2015 г.). В известном техническом решении фиксатор положения головок болтов выполнен в виде кольцевого цилиндрического выступа (бурта), расположенного на внутренней относительно отверстий опорной поверхности фланца со стороны головок, а на головках выполнены лыски, предназначенные для взаимодействия с цилиндрической поверхностью выступа. Фиксатор положения гаек выполнен в виде бурта, расположенного на внешней опорной поверхности фланца со стороны гаек и содержит радиальные прорези. Устройство включает также стопорные пластины в виде шайб с центральными отверстиями для установки болтов, размещенные между опорной поверхностью фланца и соответствующей гайкой, которые содержат две лапки. Одна из лапок предназначена для размещения в соответствующей прорези бурта, а другая - для отгибания относительно пластины и взаимодействия с гранями соответствующей гайки, и дополнительные прижимные элементы, предназначенные для размещения между гайками и соответствующими стопорными пластинами. Каждый из прижимных элементов выполнен аналогично стопорной пластине в виде шайбы с одной лапкой, предназначенной для размещения в соответствующей прорези бурта. На боковой поверхности шайбы выполнен вырез, диаметр шайбы выбирают из условия размещения в вырезе отгибаемой лапки стопорной пластины, а толщину прижимного элемента определяют по определенной зависимости с учетом числа оборотов трубопровода, радиуса приложения центробежных сил, массы лапки прижимного элемента, размещенной в прорези бурта, предела прочности материала прижимного элемента и ширины бурта, а глубину прорезей в бурте принимают равной сумме толщин стопорной пластины и прижимного элемента.
Существенным недостатком известного технического решения является сложность конструкции устройства для фиксации болтового соединения фланцев вращающегося трубопровода большого диаметра.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в повышении надежности фиксации болтового соединения.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения заключается в обеспечении реализации эффекта самоподтягивания болтового соединения за счет использования упругих свойств устройства при одновременном упрощении его конструкции.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для фиксации болтового соединения фланцев вращающегося трубопровода, включающем фиксатор положения головок болтов, расположенный на поверхности фланца со стороны головок и предназначенный для взаимодействия с последними, высота которого не менее высоты головки болта, и фиксатор положения гаек, фиксатор положения головки каждого из болтов выполнен в виде расположенных радиально и симметрично относительно соответствующей головки болта параллельных выступов, расстояние между которыми не менее размера «под ключ» головки болта, фиксатор положения каждой из гаек выполнен в виде S-образной пружины, устройство снабжено цилиндрическими опорами по количеству гаек, расположенными на поверхности фланца со стороны последних на окружности, проходящей через центры гаек, причем диаметр каждой из опор не более диаметра описанной окружности соответствующей гайки и каждая опора размещена с зазором относительно соответствующей гайки, величина которого не менее диаметра стержня пружины, одна из петель S-образной пружины охватывает соответствующую гайку в направлении, противоположном направлению резьбы, а другая петля охватывает соответствующую цилиндрическую опору, причем петли охватывают гайку и опору менее чем на  длины описанной окружности гайки и диаметра опоры, соответственно диаметр петель меньше диаметра описанной окружности гайки на величину диаметра стержня пружины, концы пружины содержат прямолинейные участки, отогнутые в радиальном направлении к центру соответствующей петли, на гранях каждой из гаек и внешней поверхности соответствующих опор выполнены кольцевые канавки, глубина которых не превышает диаметр стержня пружины, на ребрах каждой гайки в канавках выполнены сквозные диаметральные отверстия, предназначенные для размещения прямолинейного участка охватывающей гайку петли пружины, а на боковой поверхности каждой из опор выполнено сквозное диаметральное отверстие, предназначенное для размещения прямолинейного участка охватывающей опору петли пружины.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как:
- выполнение фиксатора положения головки каждого из болтов в виде расположенных радиально и симметрично относительно соответствующей головки болта параллельных выступов, расстояние между которыми не менее размера «под ключ» головки болта обеспечивает упрощение конструкции устройства;
- выполнение фиксатора положения каждой из гаек в виде S-образной пружины, снабжение устройства цилиндрическими опорами по количеству гаек, расположенными на поверхности фланца со стороны последних на окружности, проходящей через центры гаек, причем диаметр каждой из опор не более диаметра описанной окружности соответствующей гайки и каждая опора размещена с зазором относительно соответствующей гайки, величина которого не менее диаметра стержня пружины, одна из петель S-образной пружины охватывает соответствующую гайку в направлении, противоположном направлению резьбы, а другая петля охватывает соответствующую цилиндрическую опору, причем петли охватывают гайку и опору менее чем на  длины описанной окружности гайки и диаметра опоры, соответственно диаметр петель меньше диаметра описанной окружности гайки на величину диаметра стержня пружины, концы пружины содержат прямолинейные участки, отогнутые в радиальном направлении к центру соответствующей петли, на гранях каждой из гаек и внешней поверхности соответствующих опор выполнены кольцевые канавки, глубина которых не превышает диаметр стержня пружины, на ребрах каждой гайки в канавках выполнены сквозные диаметральные отверстия, предназначенные для размещения прямолинейного участка охватывающей гайку петли пружины, а на боковой поверхности каждой из опор выполнено сквозное диаметральное отверстие, предназначенное для размещения прямолинейного участка охватывающей опору петли пружины обеспечивает реализацию эффекта самоподтягивания болтового резьбового соединения за счет использования упругих свойств устройства при одновременном упрощении его конструкции.
Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение. Фиксатор положения головки каждого из болтов выполнен в виде расположенных радиально и симметрично относительно соответствующей головки болта параллельных съемных брусков, что обеспечивает упрощение конструкции устройства.
Прикрепление свободного конца каждой из петель к соответствующей гайке или головке болта обеспечивает реализацию эффекта самоподтягивания резьбового соединения за счет использования упругих свойств устройства при одновременном упрощении конструкции устройства.
Настоящее изобретение поясняется следующим описанием устройства для фиксации болтового соединения фланцев вращающегося трубопровода со ссылкой на фигуры 1-5, где:
- на фиг. 1 изображена схема фиксации головки болта;
- на фиг. 2 изображено сечение А-А на фиг. 1;
- на фиг. 3 изображена схема фиксации гайки;
- на фиг. 4 изображено сечение Б-Б на фиг. 3;
- на фиг. 5 изображено сечение В-В на фиг. 3.
На фигурах 1-5 приняты следующие обозначения:
1 - головка болта;
2 - болт;
3 - фланец;
4 - гайка;
5 - брусок;
6 - винт;
7 - S-образная пружина;
8 - опора;
9 - ответный фланец;
10, 11 - прямолинейные участки S-образной пружины;
12 - кольцевая канавка на грани гайки;
13 - кольцевая канавка на поверхности опоры;
14 - диаметральное отверстие на ребре гайки;
15 - диаметральное отверстие опоры.
Устройство для фиксации болтового соединения фланцев вращающегося трубопровода включает фиксатор положения головок 1 болтов 2, расположенный на поверхности фланца 3 со стороны головок 1 и предназначенный для взаимодействия с последними (см. фиг. 1-5), высота которого не менее высоты головки 1 болта 2, и фиксатор положения гаек 4. Фиксатор положения головки 1 каждого из болтов 2 выполнен в виде расположенных радиально и симметрично относительно соответствующей головки 1 болта 2 параллельных выступов, выполненных в виде брусков 5, закрепленных на внешней поверхности фланца 3 при помощи винтов 6, причем расстояние между брусками 5 фиксатора положения головки 1 болта 2 не менее размера «под ключ» головки 1 последнего, что позволяет упростить конструкцию фиксатора головки 1 болта 2 (см. фиг. 1, 2). Фиксатор положения каждой из гаек 4 выполнен в виде S-образной пружины 7. Устройство снабжено цилиндрическими опорами 8 по количеству гаек 4. Опоры 8 расположены на поверхности ответного фланца 9 со стороны гаек 4 по окружности, проходящей через центр гаек 4, причем диаметр каждой из опор 8 не более диаметра описанной окружности соответствующей гайки 4 (см. фиг. 3). Каждая опора 8 размещена с зазором «δ» относительно соответствующей гайки 4, причем величина зазора не менее диаметра стержня пружины 7. Одна из петель пружины 7 охватывает соответствующую гайку 4 в направлении, противоположном направлению резьбы, а другая петля охватывает соответствующую цилиндрическую опору 8. Петли охватывают гайку и опору менее чем на  длины описанной окружности гайки 4 и диаметра опоры 8, при этом диаметр петель S-образной пружины 7 меньше диаметра описанной окружности гайки 4 на величину диаметра стержня пружины 7, концы которой содержат прямолинейные участки 10 и 11, отогнутые в радиальном направлении к центру соответствующей петли. На гранях каждой из гаек 4 и на внешней поверхности опор 8 выполнены соответственно кольцевые канавки 12 и 13 глубина которых не превышает диаметр стержня пружины 7. На ребрах каждой гайки 4 в канавках 12 выполнены сквозные диаметральные отверстия 14, предназначенные для размещения прямолинейного участка 10 охватывающей гайку 4 петли пружины 7 (см. фиг. 4), а на боковой поверхности каждой из опор 8 выполнено сквозное диаметральное отверстие 15, предназначенное для размещения прямолинейного участка 11 охватывающей опору 8 петли пружины 7 (см. фиг. 5).
Устройство для фиксации болтового соединения фланцев вращающегося трубопровода используется следующим образом. На внешней поверхности фланца 3 при помощи винтов 6 закрепляют бруски 5 фиксатора положения головок 1 болтов 2. При этом используют винты с потайными головками, причем последние располагают на внутренней поверхности фланца 3. В отверстиях фланца 3 устанавливают болты 2 таким образом, что их головки 1 располагаются параллельными гранями между брусками 5. На внешней поверхности ответного фланца 9 при помощи винтов 6 закрепляют опоры 8, причем используют винты с потайными головками и однонаправленной резьбой. При этом головки винтов 6 располагают на внутренней поверхности ответного фланца 9. После этого на стержнях болтов 2 устанавливают ответный фланец 9, который совмещают с фланцем 3 и последовательно по заданной схеме закручивают гайки 4. Прямолинейный участок 11 S-образной пружины 7 устанавливают в отверстии 15 опоры 8 и последовательно размещают в кольцевой канавке 13 опоры 8 соответствующую петлю S-образной пружины 7. Затем за счет упругости пружины 7 разводят петлю, предназначенную для охвата гайки 4 и, используя зазор «δ» между опорой 8 и гайкой 4, устанавливают соответствующую петлю в кольцевой канавке 12 гайки 4. Дотягивают гайку 4 до положения, при котором прямолинейный участок 10 S-образной пружины 7 устанавливается в соответствующем отверстии 14 на ребре гайки 4. Аналогичным образом осуществляют последовательную фиксацию остальных гаек 4 фланцевого соединения. При возникновении вибраций, ударных нагрузок или повышенной частоте вращения трубопровода самопроизвольное раскручивание болтов 2 исключается за счет фиксации головок 1 болтов 2 в зазоре между параллельно расположенными брусками 5. При этом самопроизвольное раскручивание винтов 6, при помощи которых на внешних поверхностях фланцев 3 и 9 закреплены соответственно опоры 8 и бруски 5 исключается, поскольку потайные головки винтов 6 расположены зеркально противоположно на обращенных одна к другой поверхностях фланцев 3 и 9. Это обеспечивает зажим головок между поверхностями фланцев 3 и 9. Самопроизвольного откручивания гаек 4 не происходит, поскольку размещение отогнутых в радиальном направлении к центру соответствующей петли S-образной пружины 7 прямолинейных участков 10 и 11 в соответствующих отверстиях 14 и 15 гаек 4 и опор 8 препятствует откручиванию гаек 4. При этом возможное ослабление затяжки одной из гаек 4 приводит к возникновению дополнительного усилия затяжки на соответствующей опоре 8, т.е. в этом случае возникает эффект самоподтягивания, что повышает надежность фиксации гайки 4. Кроме того, выполнение на гранях каждой из гаек 4 и внешней поверхности соответствующих опор 8 кольцевых канавок 12 и 13, глубина которых не превышает диаметр стержня пружины, обеспечивает надежность работы устройства при возникновении вибраций, ударных нагрузок или повышенной частоте вращения трубопровода за счет исключения возможности выпадения S-образной пружины 7. Устройство обладает универсальностью, поскольку положение S-образной пружины 7 определяется направлением резьбы (правая или левая) болтов 2 и гаек 4, и винтов 6 для крепления опор 8, и при изменении направления резьбы S-образная пружина 7 используется путем зеркального поворота.
Таким образом, выполнение фиксатора положения головки 1 каждого из болтов 2 в виде расположенных радиально и симметрично относительно соответствующей головки болта параллельных выступов, выполненных в виде брусков 5, расстояние между которыми не менее размера «под ключ» головки 1 болта 2, а фиксатора положения каждой из гаек 4 в виде S-образной пружины 7, концы которой содержат прямолинейные участки 10 и 11, отогнутые в радиальном направлении к центру соответствующей петли, снабжение устройства цилиндрическими опорами 8 по количеству гаек 4, расположенными на поверхности фланца 9 со стороны гаек 4 на окружности, проходящей через центры последних, выполнение диаметра каждой из опор 8 не более диаметра описанной окружности соответствующей гайки 4 и размещение каждой опоры 8 с зазором относительно соответствующей гайки 4, величина которого не менее диаметра стержня пружины 7, и размещение S-образной пружины 7 таким образом, что петли охватывают соответственно гайку 4 и опору менее чем на  длины описанной окружности гайки 4 и диаметра опоры 8, причем одна петля охватывает соответствующую гайку 4 в направлении, противоположном направлению резьбы, а другая петля охватывает соответствующую цилиндрическую опору 8, выполнение диаметра петель меньше диаметра описанной окружности гайки 4 на величину диаметра стержня пружины 7, причем выполнение на гранях каждой из гаек 4 и внешней поверхности соответствующих опор 8 кольцевых канавок 12 и 13, глубина которых не превышает диаметр стержня пружины 7, а на ребрах каждой гайки 4 в канавках 12 сквозного диаметрального отверстия 14, предназначенного для размещения прямолинейного участка 10 охватывающей гайку 4 петли пружины 7, а на боковой поверхности каждой из опор 8 в канавке 13 сквозного диаметрального отверстия 15, предназначенного для размещения прямолинейного участка 11 охватывающей опору 8 петли пружины 7 обеспечивает реализацию эффекта самоподтягивания болтового соединения за счет использования упругих свойств устройства, что позволяет решить поставленную проблему повышения надежности фиксации болтового соединения при одновременном упрощении конструкции устройства.