Spis treści:
Wstęp 3
Opis tematu 4
Obliczenia 6
Schemat konstrukcji 10
Zakończenie 11
Literatura 12
Rysunki konstrukcyjne
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.
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.
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:
.
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
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.
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 -