Spis treści:

1. Wstęp 3

2. Opis tematu 4

3. Obliczenia 6

4. Schemat konstrukcji 10

5. Zakończenie 11

Literatura 12

Rysunki konstrukcyjne

1. Wstęp.

Problemem niniejszej pracy jest zaprojektowanie optymalnego w danych warunkach połączenia kołnierzowego śrubowego. Główne zadanie stawiane przed danym połączeniem to łączenie poszczególnych segmentów armatury, przy jednoczesnym zachowaniu warunków szczelności. Zakres pracy takiego połączenia jest bardzo szeroki - wykorzystywane jest między innymi w urządzeniach ciśnieniowych takich jak instalacje rurowe, sprężarki, zbiorniki ciśnieniowe. Połączenia te nalazły zastosowanie w przemyśle chemicznym, naftowym, spożywczym.

Połączenie kołnierzowe posiada wiele zalet do których możemy zaliczyć prostą budowę, pracę w różnych środowiskach fizycznych, możliwość wielokrotnego montażu i demontażu, wysoka trwałość oraz odporność na niekorzystne warunki zewnętrzne. Wadą tego rodzaju połączenia jest jego ciężar a także rozmiary i z tego powodu w praktyce stosuje się je w połączeniach przewodów w przypadku gdy zastosowanie innego rodzaju połączenia jest utrudnione.

Obecnie zauważa się tendencje rozwoju nowoczesnych połączeń kołnierzowych w kierunku zwiększenia bezpieczeństwa oraz zwiększenia czasu działania pomiędzy uszkodzeniami. Szczegółowe informacje na temat zasady projektowania połączeń kołnierzowych śrubowych znajdują się w normie PN-EN 13445-3:2002.

2. Opis tematu.

Połączenie kołnierzowo śrubowe składa się z dwóch osiowosymetrycznych kołnierzy, uszczelki oraz elementów łączących - śrub. Rys.2.1 przedstawia tradycyjne połączenie kołnierzowe śrubowe.

Rys.2.1 Połączenie kołnierzowe śrubowe.

Powyższy rysunek przedstawia tzw. połączenie kołnierzowe śrubowe pośrednie w którym zakończenia rur nie mają bezpośredniego styku ze sobą - pomiędzy nimi znajduje się uszczelka. Występuje również rodzaj połączenia, gdzie oba kołnierze mają ze sobą kontakt bezpośredni, jednak w tym przypadku wymagane jest bardzo dokładne wygładzenie powierzchni stykających się w kołnierzach.

Obecnie stosuje się połączenia z kołnierzami stałymi i luźnymi. Kołnierze stałe mogą być przymocowane do rury w różnoraki sposób. Wyróżniamy kołnierze stale przyspawane, przynitowane, zgrzane, przylutowane lub wykonane razem z rurą (w przypadku rur lanych). Kołnierze luźne wymagają aby rury zakończone były wieńcem.

Ze względu na sposób montażu rozróżniamy kołnierze łączone śrubami, kołnierze z zapięciem klamrowym, oraz kołnierze wykorzystujące inne rozwiązania konstrukcyjne (np. połączenie za pomocą klamry łańcuchowej). W normie PN-85/H-74306 zawarte są informacje odnośnie typów oraz wielkości kołnierzy oraz liczby i wymiarów śrub niezbędnych do połączenia danych kołnierzy.

Przy doborze materiału z jakiego wykona jest uszczelka należy uwzględnić własności mechaniczne, termiczne, chemiczne, użytkowe, oraz technologiczne. Uwzględnia się również takie cechy jak niepalność, odporność na starzenie, brak toksyczności. W praktyce stosowane są uszczelki:

- metalowe: miedź, aluminium, nikiel, stal,

- niemetalowe: guma, kauczuk,

- metalowe z wypełnieniem z tworzyw sztucznych,

- warstwowe: stal, teflon.

Dobór odpowiedniego materiału uszczelki zależy od rodzaju materiału przewodzącego oraz jego temperatury i ciśnienia. W połączeniach narażonych na wysokie ciśnienie i temperaturę czynnika roboczego stosuje się uszczelki metalowe. Materiał wykorzystany na tego typu uszczelkę powinien być bardziej miękki niż materiał z jakiego wykonany jest kołnierz. Szczelność połączenia kołnierzowego śrubowego zapewniona jest zarówno przez uszczelkę jak i poprzez śrubę łączącą kołnierze. Podstawowe rodzaje uszczelek podane są w normach PN-86/H-74374 oraz PN-67/H-74449. W niniejszym projekcie została zastosowana uszczelka metalowa wykonana z miedzi.

Zasady obliczeń wytrzymałości połączeń kołnierzowych śrubowych opisali np. Magnacki i Sekulski (1999) oraz Malinowski i innych (2005).

Zasadniczym problemem poruszanym w wielu pracach naukowych na temat połączenia kołnierzowego śrubowego jest szczelność takiego połączenia. Szczelność połączenia kołnierzowego śrubowego zapewnia zarówno uszczelka znajdująca się między kołnierzami, jak również śruba łącząca kołnierze. W projektowaniu połączeń tego typu wyróżnia się dwa stany: początkowy oraz eksploatacyjny. Stan montażowy (początkowy) charakteryzuje się ciśnieniem początkowym
, natomiast w stanie roboczym (eksploatacyjnym)
.

W niniejszym pracy zaprojektowane zostanie połączenie charakteryzujące się następującymi warunkami pracy:

• Ciśnienie robocze:
  ,

• Średnica wewnętrzna rury:
  ,

• Materiał użyty na uszczelkę: miedź.

3. Obliczenia.

Matematyczny model obliczeniowy

Warunek szczelności połączenia:

gdzie:

- ciśnienie medium przepływającego,

- ciśnienie na powierzchniach bocznych uszczelki.

Stan początkowy (
):

Rys.3.1 Siły w połączeniu kołnierzowym śrubowym w stanie początkowym.

• Równane równowagi sił:

gdzie:

- liczba śrub,

- siła działająca na pojedynczą śrubę,

- siła działająca w uszczelce,

,

- średnica zewnętrzna uszczelki,

- średnica wewnętrzna uszczelki.

• Równanie zgodności przemieszczeń:

gdzie:

,

- osiowe przesunięcie nakrętek - dokręcanie,

- wydłużenie śrub,

- ugięcie uszczelki,

- długość śruby,

- moduł Younga dla materiału śruby,

- pole powierzchni przekroju śruby,

,

- średnica śruby,

- grubość uszczelki,

- moduł Younga dla materiału uszczelki,

- współczynnik uszczelki,

,

.

Stan eksploatacyjny (
):

Rys.3.2 Siły w połączeniu kołnierzowym śrubowym w stanie roboczym.

• Równanie równowagi sił:

gdzie:

• Równanie zgodności przemieszczeń - zgodność przyrostów przemieszczeń:

gdzie:

- przyrost wydłużenia śruby,

- zmniejszenie ugięcia uszczelki.

Warunek szczelności połączenia:

gdzie:

- współczynnik bezpieczeństwa (
)

Minimalny nacisk na powierzchnię boczną uszczelki:

gdzie:

,

.

Osiowe przesunięcie nakrętek - dokręcanie:

.

4. Schemat konstrukcji.

Założenia badanego połączenia kołnierzowego śrubowego:

MPa,

mm,

Mpa,

Mpa,

liczba śrub,

mm,

mm,

mm,

mm,

mm,

Rozwiązanie:

MPa,

,

N,

N,

mm,

Warunek szczelności połączenia:

- błąd w exelu.

MPa

Osiowe przesunięcie nakrętek:

mm

5. Zakończenie.

Zaprojektowane połączenie może zostać wykorzystane do przewodzenia różnego rodzaju materiałów o ciśnieniu roboczym nie przekraczającym 1 MPa. Szczelność tego połączenia gwarantowana jest zarówno przez odpowiednią liczbę śrub (8 śrub M12) oraz odpowiednio dobrany materiał uszczelki, które gwarantują równomierny docisk a tym samym największą efektywność tego połączenia. Zaprezentowana metoda obliczeniowa uwzględniała warunek szczelności połączenia. Jest on niezbędny do prawidłowego funkcjonowania danego połączenia zgodnie z jego przeznaczeniem.

Obecnie w projektowaniu połączenia kołnierzowego śrubowego coraz szerzej wykorzystywana jest technika komputerowa (m.in. MES - metoda elementów skończonych), która charakteryzuje się wysoką dokładnością obliczeniową. Uwzględnia się w nich m.in. takie czynniki jak: rotacja kołnierza sprężystość i rozszerzalność cieplna elementów połączenia, zjawisko pełzania uszczelki, dodatkowe obciążenia zewnętrzne oraz wytrzymałość zmęczeniowa połączenia.

6. Literatura.

Magnucki K., Sekulski Z. (1999): Naprężenia w elementach połączenia kołnierzowego śrubowego w stanie eksploatacyjny. Instytut Technologii Eksploatacji, Radom

Malinowski M., Belica T., Dębowski D., Magnacki K. (2005): Zagadnienia eksploatacji połączeń kołnierzowych śrubowych urządzeń ciśnieniowych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn. PAN, Warszawa

Praca zbiorowa (1984): Mały poradnik mechanika - tom II. Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa

POŁĄCZENIE KOŁNIERZOWE ŚRUBOWE

- 2 -

---