Расчет и конструирование фланцевого соединения

 

Определим основные геометрические размеры фланцевого соединения мембранного аппарата для очистки продукта, проведем расчет на прочность и герметичность соединения, работающего под внутренним давлением. При этом будем использовать следующие данные:

Внутренний диаметр аппарата Д, мм595

Толщина стенки корпуса S, мм5

Внутреннее давление в аппарате Р, МПа0,3

Рабочая температура t,⁰С25

Прибавка к расчетной толщине стенки С, мм1

Коэффициент прочности сварных швов j1

Материал фланцевого соединенияСталь 12Х18Н9Т

Материал болтового соединенияСталь 35Х

Диаметр болтовой окружности фланцев определяем по следующей формуле:

 

Д_б = Д + 2(2 ^. S + d_б + u), (4.16)

где d_б – наружный диаметр болта, принимаемый в зависимости от давления и диаметра аппарата, м;

u – нормативный зазор между гайкой и втулкой, м.

Д_б = 0,595 + 2 (2 ^. 0,005 + 0,018 + 0,005) = 0,661 м.

При диаметре аппарата Д = 0,595 м и рабочем давлении Р = 0,3 МПа принимаем диаметр болтов d_б = 0,018 м.

Наружный диаметр фланцев определим по формуле:

 

Д_н = Д_б + а, (4.17)

 

где а – конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, м

Д_н = 0,661 + 0,035 = 0,696 м.

Наружный диаметр прокладки для плоских приварных фланцев определится по формуле:

 

Д_н.п = Д_б – е, (4.18)

 

где е – нормативный коэффициент, зависящий от типа прокладки, м.

Д_н.п = 0,661 – 0,025 = 0,636 м.

Средний диаметр прокладки определится по формуле:

 

Д_с.п. = Д_н.п. – в, (4.19)

 

где в – ширина прокладки, м.

Д_с.п. = 0,636 – 0,01 = 0,626 м.

Количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности фланцевого соединения, определится по формуле:

 

, (4.20)

 

где t_ш – рекомендуемый шаг расположения болтов, выбираемый в зависимости от величины давления в аппарате, м.

При величине давления Р = 0,3 МПа шаг расположения болтов определится по формуле:

 

t_ш = (3,8 ¸ 4,8) ^. d_б, (4.21)

 

откуда t_ш = (3,8 ¸ 4,8) ^. 0,018 = 0,07 ¸ 0,086 м.

Подставляя в формулу (4.20) известное значение t _ш, окончательно получим:

 шт.

На основании выше проведенных расчетов выполняем конструктивную проработку фланцевого соединения. В связи с частой заменой мембран возникает необходимость в его быстрой разборке. Исходя из этих соображений, конструируем фланцевое соединение в соответствии с рисунком 3.2

 

Рисунок 3.2

 

Расчет фланцевого соединения на герметичность сводится к определению нагрузок при монтаже - F_s1 и в рабочих условиях - F_s2. Нагрузки, действующие на фланцевое соединение даны в соответствии с рисунком 3.3.

 

Рисунок 3.3

 

Равнодействующая сила от действия внутреннего давления определится по формуле:

 

, (4.22)

 

после подстановки известных величин получим:

 Н.

Реакция прокладки определится по следующей формуле:

 

, (4.23)

 

где в₀ – эффективная ширина прокладки, м;

К_пр – коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки.

 Н.

Усилие, возникающее от температурных деформаций, определится по следующей формуле:

 

, (4.24)

 

где a_ф, a_б – соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланца, болта, 1/⁰С;

t_ф, t_б – соответственно температура фланца, болта, ⁰С;

У_б, У_n, У_ф – соответственно податливость болтов, прокладки, фланца;

Е_б – модуль упругости материала болтов, МПа;

F_б - расчетная площадь поперечного сечения болта, м².

Рассчитаем податливость болтов по формуле:

 

, (4.25)

 

где длина болта, рассчитываемая по следующей формуле:

 

, (4.26)

 

где расстояние между опорными поверхностями головки болта, рассчитываемое по зависимости:

 

 (4.27)

 

Подставляя известные величины в формулу (4.27), определим:

 м.

Определим величину  по формуле (4.26), зная остальные параметры болта:

 м.

Податливость болтовых соединений окончательно определится по формуле (4.25):

Податливость прокладки рассчитываем по формуле:

 

, (4.28)

 

где к_п – коэффициент обжатия прокладки;

Е_п – модуль упругости материала прокладки, МПа.

Таким образом, податливость прокладки окончательно определится:

Определим податливость фланца по зависимости:

 

, (4.29)

 

где g, l_ф – безразмерные коэффициенты;

h_ф – толщина фланца, м;

Е_Ф – модуль упругости материала фланца, МПа.

Величина безразмерного коэффициента l_ф, в зависимости от величины давления и конструкции фланцевого соединения, равна 0,4.

Определим расчетную толщину фланца по формуле:

 

 (4.30)

После подстановки известных параметров получим:

 м.

Определяем коэффициент g по следующей формуле:

 

, (4.31)

 

где j₁ – безразмерный коэффициент, определяемый по формуле:

 

, (4.32)

 

Подставив известные значения в формулу (4.32), получим:

j₁ = 1,28 ^. lg (0,696 / 0,595) = 0,087.

Для расчета величины безразмерного коэффициента l_ф будем использовать следующую формуле:

 

 (4.33)

 

откуда получаем окончательное значение величины λ_ф

.

По формуле (4.31) окончательно определяем величину безразмерного коэффициента γ, которая равна:

Далее определяем величину безразмерного коэффициента φ₂ по следующей формуле:

 

 (4.34)

 

Подставляя известные геометрические параметры корпуса мембранного фильтра, получим:

.

Окончательно податливость фланца, в соответствии с формулой (4.29), определится:

.

Усилие, возникающее от температурных деформаций, в соответствии с формулой (4.24), определится:

 Н.

Находим коэффициент жесткости фланцевого соединения при условии, что стыкуемые фланцы одинаковой конструкции, используя следующую формулу:

 

, (4.35)

 

Подставляя известные параметры, окончательно получим:

.

Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи в аппарат сжатого диоксида углерода определится по следующей зависимости:

 

, (4.36)

 

где F – внешняя осевая растягивающая или сжимающая сила, Н;

М – внешний изгибающий момент, Н ^. м;

[s]₂₀ – допускаемое напряжение для материала болта при 20 ⁰С, Н /м²;

Р_пр – максимальное давление обжатия прокладки, МПа;

f_б – расчетная площадь поперечного сечения болта, м².

Подставляя данные в формулу (4.36) рассчитываем величину болтовой нагрузки F_s1:

Окончательно принимаем F_s1 = 560832 Н.

Болтовая нагрузка в рабочих условиях определится по формуле:

 

, (4.37)

 

После подстановки величин в формулу (4.37), получим:

 Н.

Определим приведенный изгибающий момент, используя формулу:

 

, (4.38)

После подстановки известных величин окончательно получим:

М_о = 0,5 ^. (0,661 – 0,626) ^. 560832 = 9814,56 Н ^. м.

М_о = 0,5 ^. [ (0,661-0,626) ^. 501723 + (0,626-0,595-0,005) ^. 92286,8] ^. (230 ^. 10^-6/230 ^. 10^-6) = 9979,9 Н ^. м.

Окончательно принимаем максимальное значение изгибающего момента М = 9979,9 Н^. м.

Проверяем условие прочности болтов по формуле:

 

, (4.39)

 

После подстановки величин F_s1 и F_s2 в формулу (4.39), получим:

 МПа < [s] = 230 МПа;

 МПа < [s] = 230 МПа.

Проверяем условие прочности неметаллических прокладок по следующей зависимости:

 

, (4.40)

 

где [Р_пр] - допускаемое давление на прокладку, МПа;

F_max – величина болтовой нагрузки, принимаемая максимальной из значений F_s1 и F_s2.

 М < 130 МПа.

Максимальное окружное напряжение в кольце фланца определится по формуле:

, (4.41)

 

где М_о – максимальный приведенный изгибающий момент, Н ^. м.

 МПа.

Напряжение во втулке от внутреннего давления определим по следующим формулам:

тангенциальное

 

, (4.42)

 

меридиональное

 

, (4.43)

 

Подставляя в формулы (4.42) и (4.43) известные величины, получим:

 МПа;

 МПа.

Проверяем условие прочности фланцевого соединения по следующей формуле:

 

, (4.44)

 

где [s]₀ – допускаемое напряжение, принимаемое при количестве нагружений фланцевого соединения (сборка - разборка) не более 2 ^. 10³ по формуле:

, (4.45)

 

Подставляя известные значения в формулу (4.45), получим:

[s]₀ = 0,003 ^. 2 ^. 10¹¹ = 600^. 10⁶ Па.

Тогда с учетом этого условие прочности запишется:

161,2 МПа < 600 МПа.

Проверим условие герметичности фланцевого соединения по углу поворота фланца по следующей формуле:

 

, (4.46)

 

где [q] = 0,013 рад. – допускаемый угол поворота фланца.

После подстановки известных параметров, получим:

 рад.

Использовали для расчета величину h_ф = 35 мм, так как верхний фланец значительно ослаблен отверстиями под привод и ток.

 

Предыдущая12345678Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: