CC BY
43
УДК 621.643.412-192:629.12.037.4
В. В. Комаров
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕРЫ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
СУДОВЫХ ВАЛОПРОВОДОВ
Наиболее сложные задачи по обеспечению работоспособности фланцевых соединений валов возникают для главных судовых установок большой мощности. В этой связи рассматривается валопровод судна-сухогруза с атомной судовой энергетической установкой (рис. 1). Передаваемая на гребной винт мощность составляет Ne = 29 412 кВт, а крутящий момент -Мф = 2 443,53 кН • м при частоте вращения n = 115 об/мин.
Ф
Фі
AR
Ф
AR,
\Щг-А
9,57 6,635
-----И*----
AR,
Ф
5,і7 ■4-----------►
6,635
FlLV 6,635
-И*
F2
6,635
2,84
Рис. 1. Валопровод в условиях центровки
Номинальное положение валопровода характеризуется значениями параметров, приведенными в табл. 1.
Таблица 1
Параметры номинального положения валопровода
Параметры Значения параметров в сечениях
D2 D1 Ф1 Ф2 1 Ф3 F1 Ф4 F2
Реакции AR(H), кН Изгибающие моменты 1 118,95 2 721,0 - - 506,98 - 156,38 - 192,63
ДМ(Н), кН • м Перерезывающие силы AQ(H), кН -1 712,6 -95,95 628,0 145,6 155,6 -324,4 -533,1 -224,4 -0,6 -286,4 -28.6 -26,1 -109,2
Диапазон несоосностей, устраняемых при центровке в условиях судоремонта, рассчитан по схеме1 на рис. 1 и представлен в виде номограммы на рис. 2.
S = 55,45
Ф = -10,22
A
8 мм
N
\ ч
V ч б _ 3 ,1'
\ ч S, Ф _ 3 ,0< •
\ N ,ь
Y ф мм
ч N ч
ч ч ч
ГЧ V S, ч
й _ 26 ,7< \s N s
3 ч \
Ф ч
N б _
Ф _
77,05
13,30
Рис. 2. Диапазон несоосностей, устраняемых при центровке
1Параметры контроля несоосностей и контролируемые фланцы выбраны по условиям наглядности.
При изгибе валопровода, связанном с устранением несоосностей, дополнительные реакции ДЯ, на опорах и изгибающие моменты ДМ, в материале валов определяются зависимостями вида ДЯг- = агф + Ьг-5 и ДМ] = Агф + Д5. По ним и схеме на рис. 1 рассчитаны дополнительные перерезывающие силы ДQФ = с,ф + di5 и изгибающие моменты ДМФ, = Сгф + 0,5 на фланцах валов. Их численные значения при ф и 5 в узловых точках номограммы (рис. 2) приведены в табл. 2.
Таблица 2
Нагружение фланцев при изгибе валопровода
Параметры Точка Значения нагрузок на фланцах
Фі Ф2 Фз Ф4
Дополнительные изгибающие моменты ДМ®, кН • м А 1 410,43 1 280,08 1 112,80 239,25
Б -930,83 -453,71 158,60 66,11
В -1 709,7 -1 648,4 -1 569,8 -345,41
Г 541,33 17,92 -1 205,6 -179,00
Дополнительные перерезывающие силы Д2<к, кН А -25,21 -25,21 -25,21 -162,75
Б 92,29 92,29 92,29 -44,97
В 11,86 11,86 11,86 234,97
Г -101,24 101,24 101,24 121,77
Фланцевые соединения на рассматриваемом валопроводе предусмотрены в двух конструктивных вариантах:
- соединения Фі и Ф2 (рис. 1 и 3), содержащие, кроме болтов с зазором, пальцы призонно-го характера, устанавливаемые с определенным натягом, но без затяжки гайками;
- соединения Ф3 и Ф4 (рис. 1 и 3), содержащие только призонные болты.
По формулам из [1] для каждого из болтов на фланцах (при обозначениях для параметров и их величинах по схеме на рис. 3: В - диаметр окружности для болтов; г - общее количество болтов; п - число призонных болтов или пальцев; гб - число свободных болтов) были определены:
- срезывающие усилия рср1 = 2Мкр / В • г и рср2 = (<2Фг- + DQФj) / п от действия крутящего
момента и перерезывающей силы на фланцах соответственно;
- растягивающие усилия Рр1 = Рзх./ гби рр2 = 4(МФі + АМФі )В • гб от действия силы
упора на гребном винте и изгибающего момента на фланцах соответственно.
Значения рассчитываемых нагрузок приведены в табл. 3.
Таблица 3
Нагрузки на фланцевых соединениях
Параметры Значения нагрузок на фланцах, кН
Фі Ф2 Фз Ф4
Срезывающие усилия от крутящего моментаМ№ - рср1 214,35 222,14 407,26 407,26
Растягивающие усилия от силы упора Рзх - рр1 214,19 214,19 142,79 142,79
Срезывающие усилия от перерезывающих сил - ра2 (18,20 + + 0,125ДОм) (-27,03 + + 0,083ДОф2) (-0,05 + + 0,083Д^Ф3) (-2,17 + + 0,083Д^ф4)
Растягивающие усилия от изгибающего моментаМФ - рр2 (220,64 + + 0,35ДМф1) (70,72 + + 0,45 ДМф2) (-74,80 + + 0,33ДМф3) (-9,55 + + 0,33ДМф4)
Сила трения от затяжки всех болтов Я, 3 856,24 5 016,08 7 031,28 7 931,28
Сила среза на всех болтах Яср 1 471,87п 1 471,87п 1 591,98п 1 591,98п
Количество призонных болтов на фланцах п N = [1,25Рэкв - Лтр] 1 471,87 N = [1,25Рэкв - Дтр] 1 591,98
Растягивающие усилия рр1 и рр2, действующие нормально к сопрягаемым поверхностям фланцев, эквивалентно преобразованы к усилиям в плоскости фланцев (ррг/, где /- коэффициент трения). Общие эквивалентные усилия на фланцах определены из выражения
-^экв [рср1 ■ г + рр1 ■ 2б + рср2 ' п + рр2 ' 2б ' I]
или (после подстановки входящих в Рэкв значений параметров (табл. 3, рис. 3):
- на фланце Ф1
Рэкв = (4096,94 + Дбфл1 + 0,421ДМфл1);
- на фланце Ф2
Рэкв = (4160,22+Д<2фл2 + 0,545ДМфл2);
- на фланце Ф3
Рэкв = (5008,87 + Д^флз + 0,60ДМфлз);
- на фланце Ф4
Рэкв = (5100,82 + Д^фл4 + 0,60ДМфл4).
Ф1 Ф2 Фз-Ф4
Рис. 3. Фланцы валов: Ф1 - гребного вала и МИШ; Ф2 - МИШ и промежуточного вала;
Ф3 и Ф4 - промежуточных и упорного валов
Силы трения, создаваемые при затяжке болтов, и силы среза от работы призонных болтов рассчитаны по формулам
Ятр = 0,47■ 106dв2нcт ■ г■ /; Яср = 0,20 ■Ю6отп .
При подстановке в них значений dвн1 = 0,10675 м, dвн2 = 0,12175 м, dвн3 = 0,125 м (внутренние диаметры резьбы на болтах); от = 600 МПа (предел текучести материала болтов 38ХН3МФА); г - число болтов на фланцах (рис. 3); / = 0,15 (коэффициент трения); ^б = я^б/4 (площадь сечения призонного болта); dб - диаметр призонных болтов, (рис. 3); силы Ятр и Яср имеют величины, приведенные в табл. 3.
Из уравнения к ■ Рэкв = [Ятр + Яср] формула для определения потребного количества призонных болтов имеет вид
[к ■ Рэкв — Ятр ]
п =--------6---- .
0,20 -106 ат ^б
При значениях ДQФi и ДМФ- (входящих в Рэкв) расчетное количество призонных болтов во фланцах в условиях максимально возможного изгиба валопровода оказалось отрицательным, т. е. п < 0. Это свидетельствует о том, что силы Ятр от затяжки всех болтов превосходят суммарное воздействие всех активно действующих нагрузок. Призонные болты или призонные пальцы из общего количества болтов могут быть исключены и заменены на свободные болты без нарушения работоспособности фланцев. Из полученных результатов следует также, что наиболее нагруженным является фланцевое соединение Ф3 (см. рис. 1) (со значениями параметров несо-осности в узловой точке А номограммы (см. рис. 2).
Большое значение имеет осуществление операций по сборке фланцев. От решения этой задачи зависит практическое обеспечение работоспособности соединений.
Усилие затяжки каждого из болтов на фланцевом соединении Ф3 при значении Ятр = 7 931,28 кН (табл. 3) равно
Рзат = Ятр / г ■ I = 7931,28/12 ■ 0,15 = 4406,27 кН,
а момент затяжки гайки на болте, рассчитанный по формуле [2]
Г Л
М = Р
-^зат зат
ср
2
р- <3,
р
ср
0,866
+ т т
(33 - 30) 3(32 - 302)
составил Мзат = 114 645 кН • м (при среднем диаметре резьбы dcp = 122,4 мм; шаге резьбы 5 = 4,0 мм; коэффициентах трения в резьбе и на торце гайки цр ~ цт = 0,16 ; диаметре круга опирания гайки d = 125 мм; диаметре отверстия во фланцах d0 = 130 мм).
Затяжка гаек с таким моментом невыполнима не только вручную (усилие на ключе достигает Ркл = 25-50 кН), но и механизированным способом из-за чрезмерных размеров приспособлений, используемых для затяжки [2].
По конструктивным и технологическим соображениям для затяжки гаек указанных болтов исключается применение и гидродомкратов (при рабочем давлении подаваемого масла рд = 45-50 МПа диаметр гидроцилиндра должен быть dд = 350-400 мм).
В случае постановки болтов с их предварительным нагревом (с целью удлинения на расчетную величину) операция затяжки становится более технологичной в исполнении, поскольку может выполняться вручную.
Необходимое удлинение болта при усилии затяжки Рзат = 4 406,27 кН равно
р - и
\ А зат
Аб =
"б
Е - К
4406,27 -103 - 0,575 0,21-1012-12,2656-10-3
= 0,984 -10-3 м,
где 1б = 0,575 м - длина болта; Кб = р-3(2/4 = 3,14-0,1252/4 = 12,2656-10 3 м2 - площадь сечения болта.
Требуемая температура нагрева болта, обеспечивающая удлинение на ^б = 0,984,10-3 м, составляет:
% =1б /Ка - 1б = 0,984 -10-3/11-10-6 - 0,575 = 155°С,
где Ка =11,10-6 м/(м • 1 °С) - коэффициент линейного расширения для стали.
С учетом охлаждения болта при его переносе к месту установки температура нагрева должна быть увеличена на 15-30 % и будет равна ^ ~ 180-200 °С [2]. Такой нагрев может быть обеспечен в индукционных печах [2].
Однако, наряду с формальным выполнением необходимых условий постановки болтов, сохраняется целый ряд затруднений по её практической реализации. К ним относятся: вместимость печей (для всех болтов с гайками одновременно); потребляемая мощность; размещение печи в судовых условиях вблизи собираемых фланцев; способы захвата, перемещений и установки болтов во фланцах; контроль затяжки и др.
По отмеченным обстоятельствам, во исполнение работоспособности фланцев, более рациональным представляется введение в конструкцию фланцев специальных элементов [3]. Например, при создании на торцах фланцев квадратной формы бурта и выемки (рис. 4), становится возможной передача через них таких функциональных нагрузок, как крутящий момент и перерезывающая сила и снятие их с крепежных болтов. Это означает, что из общего состава активно действующих нагрузок на болтах (табл. 3) рср1 и рср2 могут быть исключены, а эквивалентная нагрузка будет результатом влияния только растягивающих нагрузок рр1 и рр2.
А
2 отв 03
А-А
У
Рэкв [Рр1 + Рр2]* ' У •
Для указанных условий рассчитанные значения активных и противодействующих нагрузок на фланцевых соединениях приведены в табл. 4.
Таблица 4
Нагрузки на фланцах измененной конструкции
Параметры Значения нагрузок на фланцах, кН
Фі Ф2 Фз Ф4
Срезывающие усилия от - р„1 0 0 0 0
Растягивающие усилия от Рзх - р„1 214,19 214,19 142,79 142,79
Срезывающие усилия от Д<к - рс1)2 0 0 0 0
Растягивающие усилия от МФ - рр2 717,11 653,16 295,76 70,12
Эквивалентная нагрузка Рэкв, кН 2 235,12 2 602,05 789,39 383,24
Усилие затяжки болтов Рзат 931,30 867,35 438,55 212,91
Сила трения от затяжки болтов Ята 2 703 4 395 2 780 2 780
Соотношение нагрузок [кРэкв - К„*| < 0 < 0 < 0 < 0
Количество призонных болтов п 0 0 0 0
Их анализ показывает, что если ранее на фланцах при центрирующих вставках цилиндрической формы силы Ятр рассчитывались из условия растягивающих напряжений ораст = 0,6от (от - предел текучести материала болтов), то в условиях измененной конструкции фланцев с рср1 = 0 и рср2 = 0 прочность материала может быть использована в меньшей степени и (или) может быть использован менее прочный материал. Так, если в качестве материала болтов применить сталь 15ХМ с от = 280 МПа и с коэффициентом использования прочности кпр = 0,45 (вместо кпр = 0,60), то для силы трения расчетная формула принимает вид
Ятр = 0,353.1с6<н• От • *• У •
Численные значения Ятр для фланцев приведены в табл. 4.
Соотношение активных и противодействующих нагрузок для всех фланцевых соединений и в этом случае оказывается отрицательным, т. е. к • Рэкв - Ятр < 0 (где к = 1,25 - коэффициент запаса) и свидетельствует об обеспечении работоспособности фланцев при их сборке только свободными болтами.
Момент затяжки гаек на болтах, рассчитанный для фланцевого соединения Ф2 (оказавшегося наиболее нагруженным) при
Рзат = сраст • р • Зв2н /4 = 0,45 • 280 • 106 • 3,14 • 0,121752 / 4 = 1466,15 кН
равен Мзат = 38,61 кН • м и, как и в предыдущем случае, нельзя осуществить ни вручную, ни механизированным способом. Однако он может быть выполнен за счет вытяжки болтов гидродомкратами (рис. 5). Размеры их гидроцилиндров составляют Зд х йож = 0,230 х 0,125 м и соответствуют размерам гаек на болтах.
В случае затяжки болтов с применением нагрева необходимое удлинение болта будет равно ^б = 0,345 м, а температура нагрева с учетом поправок составляет ^ ~ 75 °С, что позволяет использовать более технологичный и менее энергоемкий способ нагрева в масляных ваннах. Полученные результаты являются основанием для следующих выводов:
- обеспечение работоспособности фланцевых соединений валопроводов в значительной мере зависит не только от действующих нагрузок, но и от возможности практического осуществления технологических операций сборки;
- возможность определения всего состава и величин действующих на фланцевые соединения нагрузок позволяют аналитически обосновывать применение для сборки призонных болтов или их исключение;
- обеспечение работоспособности и повышение технологичности фланцевых соединений могут достигаться на основе их конструктивного совершенствования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комаров В. В. Технологичность и повышение ее уровня для фланцевых соединений судовых валопроводов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Морская техника и технология. - 2008. -№ 5 (46). - С. 28-33.
2. Новиков М. П. Основы технологии сборки машин и механизмов. - М.: Машиностроение, 1969. - 632 с.
3. Лысенков П. М., Постовалов Г. И., Рубин М. Б. Новые технологические способы соединения судовых валов. - Л.: Судостроение. - 1981. - № 11. - С. 35-37.
Статья поступила в редакцию 23.09.2008
TECHNOLOGICAL AND CONSTRUCTIVE MEASURES TO PROVIDE GREAT EFFICIENCY OF FLANGE COUPLINGS OF SHIP SHAFTINGS
V. V. Komarov
The structure and values of loads on flange couplings are determined in the paper. All the bases confirming the exception of fitter bolts are shown. The analysis of flange assembling operations is given, and some difficulties, which attended these operations, are also described. Recommendations to improve flange structures are developed. Certain actions to increase assembly properties of flange are determined.
Key words: shafting, flange couplings, assembling, fitter bolts, efficiency, assembly properties.
