ЛЕГКОСЪЕМНОЕ БЕЗЗАЗОРНОЕ КРЕПЕЖНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ФЛАНЦЕВ
KNOCKOUT GAPLESS ATTACHMENT OF FLANGES

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. Применение заявляемого технического решения позволяет обеспечить значительное повышение несущей способности фланцевых соединений, а также совершенствование технологичности и значительное снижение трудоемкости выполнения сборочно-монтажных работ. Предлагаемое соединение также может быть использовано для соединения корпусов и сосудов высокого давления, подлежащих периодической разборке.
Фланцевые соединения роторов работают в тяжелых условиях нагружения и являются ответственными элементами, в значительной степени определяющими надежность работы турбоагрегата, вследствие чего к этим узлам предъявляются высокие требования, и в первую очередь - по жесткости фиксации фланцев. Недостаточная жесткость фиксации может привести к ухудшению вибрационного состояния турбоагрегата и возникновению аварийных ситуаций, прежде всего вследствие повреждения и разрушения соединительных болтов.
кр
кр
кр
При эксплуатации турбоагрегатов предусмотрены их периодические планово-предупредительные, а иногда внеплановые ремонты. При этом наряду с другими работами, как правило, производится разборка и повторная сборка фланцевых соединений роторов турбины. Наиболее часто применяется соединение фланцев цилиндрическими болтами, которые устанавливаются с формулярными зазорами в пределах до 0,02 мм. На практике, как правило, эти зазоры на разных болтах составляют до 0,05 мм, а зачастую и более. При затяжке болтов происходит их удлинение и уменьшение диаметра, а следовательно, увеличение первоначального зазора. Вследствие этого при данной технологии сборки полумуфт основной фактор передачи крутящего момента М за счет перерезывающих (поперечных) сил в болтах остается задействованным не в полной мере и передача М осуществляется в основном за счет силы трения между торцевыми поверхностями полумуфт. Часто при нештатном быстром изменении нагрузки одной силы трения для передачи М большой величины оказывается недостаточно. В этом случае при нагрузках, близких к номинальным, может происходить взаимное смещение полумуфт до выборки радиальных зазоров между призонными поверхностями болтов и отверстий.
В результате такого смещения возможно следующее: ухудшение первоначальной центровки роторов, появление «коленчатости» и, как следствие, ухудшение вибрационного состояния турбоагрегата; появление на болтах, установленных с наименьшими зазорами, запредельных напряжений смятия и среза, приводящих к их деформациям и возможным повреждениям. В лучшем случае такие болты будут представлять серьезную проблему при разборке муфты, в худшем это может привести к серьезнейшей аварии вследствие их разрушения.
Известно техническое решение «Соединение» [патент №RU 2090786 C1, МПК F16B 5/02, дата публикации - 20.09.1997 г.], относящееся к области машиностроения и судостроения, в частности к соединению фланцев судовых валопроводов. Соединение содержит установленную в соосных цилиндрических отверстиях соединяемых фланцев втулку, выполненную с одним продольным разрезом, и болт, установленный во втулке и сопряженный с ее внутренней поверхностью своим коническим участком, большее основание конуса выполнено со стороны головки болта. Затяг болта производится комбинированной гайкой, выполненной совместно с промежуточной упорной втулкой. При этом контактные торцевые поверхности гайки и втулки либо одна из них со стороны меньшего диаметра конуса могут иметь насечку или рифления для лучшего сцепления между собой.
Недостатком данного устройства является невозможность одновременного обеспечения всеми крепежными соединениями требуемых условий затяга фланцев (усилия затяга болтов и плотности их посадки во втулке и в отверстиях) вследствие ограничения перемещения болтов в продольном направлении их головками и неизбежных технологических отклонений при изготовлении. Отдельно следует отметить, что такую возможность могут обеспечить только конические шпильки. Кроме того, при провороте конической втулки возникает высокая сила трения по сопрягаемым поверхностям болт-втулка и болт-отверстие, и большая часть усилия затяга гайки затрачивается на ее преодоление, вследствие чего предельные напряжения в резьбовом соединении болт-гайка с большой вероятностью могут наступать до достижения требуемых усилий затяга фланцев. Разборка такого соединения выпрессовкой или выбиванием болта может приводить к задирам по рабочим поверхностям и повреждению деталей.
Известно техническое решение «Легкосъемное крепежное соединение с регулируемым радиальным натягом» [патент №SU 1833485 A3, МПК F16B 5/02, дата публикации - 07.08.1993 г.], которое содержит шпильку с размещенной на ней втулкой и навинченными на резьбовые концы гайками. Сопряженные поверхности шпильки и втулки выполнены коническими. При этом на торцевой поверхности втулки со стороны меньшего диаметра конуса выполнены пазы под монтажное приспособление для предотвращения поворота втулки при сборке. Вращением гайки со стороны меньшего диаметра конуса шпилька втягивается во втулку, удерживаемую от вращения с помощью монтажного приспособления, и разжимает ее до соприкосновения с поверхностью отверстия и создания необходимого радиального натяга. Затем гайка отвинчивается, монтажное приспособление удаляется, после чего устанавливается гайка со стороны большего диаметра конуса и вновь со стороны меньшего диаметра конуса, вращением которых создается необходимый осевой натяг.
Недостатком данного устройства является то, что использование монтажного приспособления, предотвращающего проворот втулки в соосных цилиндрических отверстиях фланцев полумуфт, не ограничивает шпильку от проворота в коническом отверстии втулки, т.е. оно является малоэффективным.
Также недостатком известного устройства является то, что при разжимании втулки конической шпилькой по данной технологии всегда будет иметь место тенденция к провороту шпильки из-за необходимости приложения большого усилия на ее распирание и создание натяга, что подтверждено экспериментальными исследованиями, и большая часть усилия затяга гайки затрачивается на ее преодоление, вследствие чего предельные напряжения в резьбовом соединении с большой вероятностью могут наступать до достижения требуемых усилий затяга фланцев. Вследствие этого из-за плохой технологичности процесса сборки-разборки использование сплошной втулки нецелесообразно.
В качестве технического решения, наиболее близкого к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков, предлагается выбрать «Легкосъемное крепежное соединение с радиальным натягом» [патент №RU 2239731 C2, МПК F16B 5/02, дата публикации - 10.11.2004 г.], направленное на повышение надежности и упрощение выполнения сборочных работ. Соединение содержит размещенную в соосных цилиндрических отверстиях втулку с установленной в ней шпилькой. Шпилька и втулка сопряжены по коническим поверхностям. Со стороны большего диаметра конуса втулка снабжена буртиком, являющимся средством фиксации втулки в осевом направлении. На резьбовых концах шпильки установлены гайки. В описании примера выполнения данного соединения отмечается, что втулка может быть выполнена с разрезом вдоль ее оси (т.е. с одним сквозным продольным разрезом) либо без него.
К недостаткам данного решения, в случае выполнения втулки без продольного разреза, следует отнести необходимость приложения большого усилия для разжатия втулки, что значительно затрудняет сборку-разборку соединения. В случае выполнения втулки с одним сквозным продольным разрезом при ее разжатии конической шпилькой деформации в различных поперечных сечениях, а следовательно, и напряжения будут неодинаковыми в разных направлениях, поэтому передаваемые шпильками перерезывающие силы от крутящего момента в муфте будут неодинаковыми, что может привести к появлению в отдельных шпильках запредельных напряжений и остаточных деформаций. Результатом будет являться снижение несущей способности фланцевого соединения, что в свою очередь уменьшает надежность работы данного узла.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, заключается в повышении несущей способности фланцевого соединения, обеспечивающем повышение его надежности, а также на повышение технологичности и снижение трудоемкости выполнения сборочно-монтажных работ.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается легкосъемное беззазорное крепежное соединение фланцев, содержащее 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, что обеспечивает возможность получения необходимой плотности соединения за счет перемещения шпильки. 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, необходимой для ее точной установки. Средство фиксации втулки может представлять собой, например, упорный буртик, выполненный на втулке со стороны большего диаметра конуса и контактирующий с торцевой поверхностью расточки, выполненной во фланце.
При этом согласно заявляемому техническому решению как на наружной, так и на внутренней поверхности втулки имеется призонный рабочий участок, ограниченный непризонными (нерабочими) участками поверхности. В машиностроении призонным принято называть участок поверхности, выполненный с высокой точностью обработки и находящийся в рабочем контакте с поверхностью ответной детали. Так, призонный участок внутренней поверхности втулки находится в рабочем контакте с конической поверхностью шпильки, призонный участок наружной поверхности втулки - в рабочем контакте с поверхностью отверстий во фланцах. Каждый призонный участок с обеих сторон ограничен непризонными (нерабочими) участками, которые выполнены обниженными и с более грубой обработкой поверхности. В заявляемом техническом решении длина призонного рабочего участка внутренней поверхности втулки больше длины призонного рабочего участка наружной поверхности втулки, причем границы призонного рабочего участка внутренней поверхности втулки как со стороны меньшего, так и со стороны большего диаметра конуса расположены ближе к торцам втулки, чем соответствующие границы призонного рабочего участка наружной поверхности. Указанное соотношение длин призонных участков наружной и внутренней поверхности втулки выявлено авторами в результате расчетно-экспериментальных исследований, проводимых с целью определения параметров конструкции для наилучшей технологичности сборки и разборки соединения. Многократными экспериментами подтверждено, что именно при таком выполнении призонных участков наружной и внутренней поверхности втулки обеспечивается практически полное предотвращение появления задиров по коническим поверхностям шпильки и втулки и, как следствие, обеспечивается наиболее легкое, без проворота, перемещение шпильки во втулке при затяжке гаек во время сборки или разборки соединения, что улучшает технологичность и упрощает выполнение сборочно-монтажных работ. Втулка выполнена с продольными разрезами, начинающимися от торца втулки со стороны меньшего диаметра конуса и заканчивающимися на нерабочем участке внутренней поверхности втулки со стороны большего диаметра конуса. Выполнение продольных разрезов в теле втулки позволяет уменьшить усилие, требуемое для ее деформации в радиальных направлениях при разжатии конической шпилькой. При этом выполнение разрезов, как это отмечалось выше, заканчивающихся на непризонном участке внутренней поверхности втулки со стороны большего диаметра конуса, позволяет минимизировать усилие для разжатия втулки и создания необходимого радиального натяга по сопрягаемым поверхностям шпильки, втулки и отверстий, что значительно облегчает сборку и разборку соединения. При этом уменьшается повреждаемость крепежных соединений фланцев и существенно повышается несущая способность муфт фланцевого соединения, что в свою очередь способствует повышению эксплуатационной надежности соединения и турбоагрегата в целом и увеличению межремонтного цикла турбоагрегата. Вследствие отсутствия запредельных напряжений и деформаций в крепежных соединительных элементах при повторных сборках значительно облегчается разборка соединения и повышается его ремонтопригодность.
Таким образом, предложенное техническое решение в совокупности указанных выше существенных признаков обеспечивает повышение несущей способности фланцевого соединения, обеспечивает повышение технологичности и снижение трудоемкости выполнения сборочно-монтажных работ.
Результаты проведенных авторами расчетно-экспериментальных исследований показали, что наиболее равномерное распределение радиального натяга по сопряженным рабочим поверхностям обеспечивается в описанном выше легкосъемном беззазорном крепежном соединении фланцев, втулка которого выполнена с четырьмя симметрично расположенными продольными разрезами. Также при этом создаются оптимальные условия для снижения вероятности возникновения в шпильках запредельных напряжений и остаточных деформаций смятия и передачи гарантированно одинаковых расчетных усилий всеми крепежными устройствами.
В целях дальнейшего повышения технологичности выполнения сборочно-монтажных работ на торцах шпильки легкосъемного беззазорного крепежного соединения фланцев могут быть выполнены пазы. Выполнение шпилек с пазами на торцах позволяет в случае необходимости фиксировать небольшим усилием с помощью простого ключа, например большой отвертки, шпильку, а следовательно, и втулку от проворота при закручивании гаек в начальный момент сборки или в конечный момент разборки соединения, что способствует упрощению выполнения сборки-разборки устройства, тем самым снижая трудоемкость сборочно-монтажных работ. Указанные случаи иногда могут иметь место при возможных незначительных задирах в резьбовых соединениях, когда требуется фиксация шпильки с небольшим усилием.
На фиг.1 представлен разрез главного вида легкосъемного беззазорного крепежного соединения фланцев, на фиг.2 - втулка, продольный разрез, на фиг.3 - втулка, вид слева (со стороны меньшего диаметра конуса), на фиг.4 - коническая шпилька.
Графические материалы содержат пример конкретного выполнения легкосъемного беззазорного крепежного соединения фланцев роторов турбоагрегата. Крепежное соединение содержит втулку 1, установленную в сквозных соосных цилиндрических отверстиях 2, 3 соединяемых фланцев 4 и 5. В осевом отверстии втулки 1 установлена шпилька 6 с гайками 7 и 8 на своих резьбовые концах. Сопрягаемые поверхности втулки 1 и шпильки 6 выполнены коническими. На торце втулки 1 со стороны большего диаметра D конуса выполнен упорный буртик 9, обеспечивающий фиксацию положения втулки 1 в осевом направлении и контактирующий с торцевой поверхностью 10 расточки 11, выполненной во фланце 5. Втулка 1 выполнена с четырьмя симметрично расположенными продольными разрезами 12, начинающимися от торца втулки со стороны меньшего диаметра d конуса и заканчивающимися на непризонном обниженном участке внутренней поверхности втулки перед буртиком (со стороны большего диаметра конуса). При этом ширина разрезов выполняется минимальной исходя из технологических возможностей. Например, при большем диаметре конуса D=50,5 мм, меньшем диаметре конуса d=50 мм, длине втулки 120 мм ширина разреза составляет 2 мм. Наружная поверхность втулки 1 выполнена с призонным рабочим участком длиной l, внутренняя поверхность втулки 1 также выполнена с призонным рабочим участком длиной l, причем длина внутреннего призонного участка l превышает длину наружного призонного участка l. Каждый призонный участок заключен между нерабочими участками, выполненными в виде проточек с более грубой обработкой поверхности. При этом участок l с обеих сторон перекрывается участком l. На торцах шпильки 6 выполнены пазы 14 и резьбовые отверстия 15 под винты 16 крепления заглушек 17. В примере выполнения легкосъемного беззазорного крепежного соединения, представленном на фиг.1, концы шпилек с навинченными на них гайками 7, 8 утоплены в выполненных во фланцах 4, 5 расточках 18, 19 и закрыты защитными заглушками 17 (для стопорения гаек и герметизации соединения).
Для изготовления отдельных элементов крепежного соединения предпочтительно применять материал марки 25X1МФ (наиболее распространенный в турбиностроении для изготовления крепежных болтов 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 соосные отверстия 2, 3, подготовленные для соединения фланцев полумуфт, устанавливается втулка 1 до упора буртика 9 в торцевую поверхность 10 расточки 11 во фланце 5. Во втулку 1 устанавливается шпилька 6. На резьбовой конец шпильки 6 со стороны меньшего диаметра конуса устанавливается гайка 7 и обжимается ключом до нормируемого усилия, при этом шпилька 6 втягивается во втулку 1 и разжимает ее до соприкосновения с поверхностью отверстия и создания необходимого радиального натяга по сопрягаемым поверхностям шпильки, втулки и отверстия. На резьбовой конец шпильки 6 со стороны большего диаметра конуса устанавливается гайка 8 и обжимается ключом до нормируемого усилия для обеспечения необходимого обжатия фланцев. Благодаря выполнению продольных разрезов в теле втулки и призонных рабочих участков наружной и внутренней поверхности втулки так, как описано выше, для разжатия втулки конической шпилькой и создания необходимых радиальных натягов по рабочим поверхностям требуется сравнительно небольшое усилие, в результате чего при затяжке гаек происходит легкое, без проворотов, перемещение шпильки во втулке. При этом основная доля расчетного усилия затяга гаек используется на обжатие фланцев, обеспечивая необходимое усилие их стягивания. После окончания затяга шпилек к ним винтами 16 крепятся защитные заглушки 17. Следует отметить, что при сборке устройства обжатие гаек целесообразно выполнять с помощью динамометрического ключа или гидравлического гайковерта. В начальный момент затяжки гаек шпилька и соответственно втулка могут удерживаться от проворота ключом (например, отверткой), устанавливаемым в пазу на торце шпильки с противоположной стороны.
Таким образом, при использовании предлагаемого крепежного соединения для стягивания и жесткой фиксации фланцев обеспечивается повышение несущей способности фланцевого соединения, что способствует повышению его эксплуатационной надежности. При этом также повышается технологичность и ремонтопригодность, а также снижаются сроки и трудоемкость выполнения сборочно-монтажных работ.
Достижение указанного результата подтверждено при проведения авторами расчетно-экспериментальных исследований и испытаний опытных образцов.