CS214073B1 - Šroubový spoj - Google Patents

Abstract

Vynález se týká šroubového spoje součástí s rozdílnými teplotami spojovacích dílců, kupříkladu pro spojení víka a tělesa tlakové nádoby energetických nebo chemických zařízení. Podstatou vynálezu je, že se ve spojované součásti vytvoří kuželovité vyhrdlení, ve kterém je uložena vložka kuželovitého tvaru. Kuželovitá vložka je opatřena průchozím otvorem pro průchod spojovacího šroubu. Použití nové konstrukce šroubového spoje umožňuje spojovat díloe s rozdílnou tepelnou roztažnosti, dále umožňuje zvyšovat nebo snižovat předpětí ve šroubu při nárůstu nebo poklesu teploty a udržovat konstantní namáhání nezávisle na teplotě. Navrhované řešení dovoluje středit šroub přesně do osy závrtného závitu ve spojovaném dílci a vylučuje tak vznik přídavných ohybových napětí.

Description

Vynález se týká šroubového spoje, zejména v širokém rozsahu teplot, kupříkladu pro spojení víka a tělesa tlaková nádoby energetických nebo chemických zařízení.

Při volbě materiálů pro šroubové spoje je třeba požadovat, mimo jiné, vysoké pevnostní hodnoty a koeficienty délkové tepelné roztažnosti, shodné nebo blízké koeficientům tepelné roztažnosti materiálů spojovaných součástí. V případě, kdy by nebyl splněn požadavek shodnosti roztažnosti spojovacího a spojovaného materiálu, může při změně teploty dojít buň k poklesu předpětí ve spoji a tím k vytváření nebo zvětšování vůle ve spoji, nebo ke vzniku přídavných napětí teplotního původu v jednotlivých dílcích spoje, což může mít za následek stržení závitů, lom z přetížení, relaxaci materiálu šroubu a další možná poškození. Splnění požadavků na vysoké pevnostní hodnoty spojovacích materiálů a na vysoké roztažnosti spojovacích a spojovaných materiálů je zejména obtížná v případě, kdy spojovaná dílce jsou vyrobeny z ocelí s austenitickou strukturou. Pro dosažení shodných roztažnosti u věech materiálů spoje je nutno volit i spojovací materiály z ocelí s austenitickou strukturou, přičemž dosažení vysokých pevnostních hodnot je u těchto ocelí spojeno s vysokou technickou náročností výroby, velmi obtížnou obrobitelností, nebezpečím zadírání a s podstatně vysokými náklady.

Výěe uvedené nevýhody a nedostatky odstraňuje v podstatě vynález, kterým je šroubový spoj, zejména pro použití v širokém rozsahu teplot, kupříkladu pro spojení víka a tělesa tlakové nádoby energetických nebo chemických zařízení, kdy jednotlivé materiály spoje mají rozdílnou hodnotu dálková tepelné roztažnosti, a jeho podstata spočívá v tom, že alespoň jedna ze spojovaných součástí je opatřena průchozím otvorem s kuželovitým vyhrdlením orientovaným směrem k vnějěí ploěe spojované součásti, kde v kuželovitém vyhrdlení je uložena vložka kuželovitého tvaru, opatřená středovým otvorem pro průchod svorníku, přičemž činná plooha kuželovitého vyhrdlení i činná plocha vložky mají stejný úhel sklonu.

Další podstatou vynálezu je, že úhel sklonu činné plochy kuželovitého vyhrdlení je rozdílný od úhlu sklonu činné plochy vložky.

Další podstatou vynálezu je, že alespoň jedna z činných ploch kuželovitého vyhrdlení nebo vložky je zakřivená, případně lomená.

Konečně je podstatou vynálezu, že mezi maticí a vložkou je vloženo alespoň jedno pouzd ro.

i:

Vyšší účinek vynálezu se projevuje v tom, že vylučuje z hledisek sledovaných při volbě materiálů spojovaných a spojovacích součástí požadavek na shodnost jejich teplotních roztažnosti. Současně umožňuje vynález zvyšování nebo snižování předpětí ve šroubu při nárůstu nebo poklesu teploty, nebo udržení konstantního namáhání nezávisle na teplotě. Druhotným zvýhodněním táto možnosti jsou nižší materiálové náklady, běžný spojovací materiál je snáze obrobitelný, snižuje se na minimum nebezpečí zadření spojovanýoh součástí, dochází k úsporám drahých legur jako je nikl, chrom a podobně. V případě požadavku na korozivzdornost spojovacího materiálu umožňuje vynález použít s výhodou kalitelná nerezavějící ooeli. Navrhovaná řešení umožňuje dále středit šroub přesně do osy závrtnáho závitu ve spojovaném dílci, takže vylučuje vznik přídavných ohybových napětí.

Příklad konkrétního provedení vynálezu je sohematioky znázorněn na připojených výkre2 . 214 073 pipTiiji τ im^{5íítt !}ř’{ šech, kde obr. 1 představuje osový řez šroubovým spojem podle vynálezu v základním provedení, obr. 2 je detail části spoje s vloženým pouzdrem mezi matici a vložku spoje, obr. 3 v základním provedení s použitím šroubu s hlavou a v preU žUl ipj gii g eMotimh icrhrdliním a Doužitía dtsa Vltfilí11 4 představuje tři alternativy dosedacíoh ploch vložky a vyhrdlení.

Podle vynálezu jsou spojovány části, kupříkladu těleso J a víko 2 tlakové nádoby. V tělese 1 tlakové nádoby je vytvořen závitový otvor JJ, zatímco víko 2 tlakové nádoby je opatřeno průchozím otvorem 21, který má na vnější straně kuželovité vyhrdlení 22. V kuželovitém vyhrdlení 22 víka 2 je uložena vložka 2 tvaru komolého kužele. Činné plochy 22, 33 kuželovitého vyhrdlení 22 a vložky 2 jsou zkoseny pod stejným úhlem · Vnější čelní plocha 31 vložky 2 vytváří opěrnou plochu pro matici £ svorníku 2· Svorník 2 prochází volně otvorem 32 vložky 2 i průchozím otvorem 21 víka 2, a je v závitovém spojení se závitovým otvorem 11 tělesa J tlakové nádoby.

Pro popis činnosti šroubového spoje podle vynálezu uvažujeme platnost předpokladu, že spojované součásti J, 2 jsou provedeny z oceli s austenitickou strukturou, zatímco vložka 2, matice £a svorník 2 J^s<>^u vyrobeny z oceli neaustenitické struktury, t.j. že koeficient roztažností spojovaných částí J., 2 je větší než roztažnost materiálu šroubu, že teplota je v celém šroubovém spoji rozložena rovnoměrně i při změnách teploty, a konečně, že provozní teplota je vyšší než teplota montážního, klidového stavu, t.j. že ΔT > 0.

Při zvýšení teploty spojovaných částí 1, 2 ó hodnotu Δ T > 0 se všechny rozměry těchto částí J., 2 lineárně zvětšují, to znamená, že jak tloušťka víka 2 tak i každý průměr kuželovitého vyhrdlení 22 otvoru 21 se zvětšuje. V případě, že roztažnost «Uj vložky 2 ^se rovná roztažnostieC,> víka 2, zvýší se vzdálenost 2 na hodnotu 1' podle vztahu l'« 1 (<*₂ AT + 1) kde J je vzdálenost dosedací plochy matice £ od roviny styku spojovaných částí J, 2, 1*Je stejná vzdálenost po tepelném prodloužení,oůg 3® koeficient roztažností víka 2, a ůT je pří růstek teploty. Bude-li roztažnost menší než roztažnost «Cg» budou se průměry kuželové vložky 2 zvětšovat méně než průměry kuželovitého vyhrdlení 22 otvoru 21 víka 2. To má za následek, že s rostoucí teplotou si bude kuželová vložka 2 sedat do kuželovitého vyhrdlení 22 a vzdálenost 2 ^s® zvětší o hodnotu bl (ůl4ól'- 1). Při vhodně volených rozměrech 2 a a lze dosáhnout toho, že při zvýšení teploty o hodnotu aT se hodnota bl rovná hodnotě, o kterou se prodloužila část svorníku 2 původní délky 2» tedy, že a1 « l^ůT, kdeoOg je roztažnost materiálu šroubu. Vztah 1· svazuje geometrické parametry 2 ^a 2 ^{8 ma}“ ^q *3 - oo5 teriálovými konstantami oC₂,oCj, a Odchylkami hodnoty 1/q od hodnoty udávané výše uvedeným vztahem lze dosáhnout toho, že s rostoucí teplotou se zvyšuje, případně snižuje předpětí ve svorníku 2· poklesu teploty nastává opačný proces, kdy délka činné Části svorníku 2 ^s® zmenší méně než tloušťka víka £, ale vložka 2 3® ^z kuželovitého vyhrdlení 22 otvoru 21 vytlačena právě o hodnotu rovnající se rozdílu mezi těmito veličinami.

Příklad materiálového složení částí šroubového spoje:

214 073

Součást	Materiál	Roztažnost pr<	, 20 - 300 °C
víko	austenitická nerezavějící ocel	oca 18 χ 1Ο6	K-1
svorník	zušlechtěná CrMoV ocel	13 x 106	r1
vložka	kalitelná chromová nerez, ocel	11 x 10“6	K-1

Dosazením do vztahu vychází, že pomšr l/q 3,5·

Vlastní provedení lze alternativně obměňovat jak je znázorněno na obr. 2 až 4· Tak na obr. 2 je mezi matici £ a vložku J vloženo pouzdro 6, oož umožňuje upravit poměr l/q tím, že hodnotu roztažnosti «‘'g materiálu pouzdra 6 zahrneme do výpočtu. Další alternativou znázorněnou na obr. 3 je použití ěroubu s hlavou a to podle levá části obr. 3, s kuželovým vyhrdlením 22 v jedné ze spojovaných částí £, g nebo podle pravé části obr. 3 β kuželovitým vyhrdlením 22 v obou spojovaných částech £, g. Konečné obr. 4 představuje různá alternativní provedení stykových ploch vyhrdlení 22 a vložky 2., kdy jedna ze stykových ploch je kuželová a druhá zakřivená, případně obě stykové plochy obou částí jsou zakřiveny. Zobrazená řeěení nejsou jedinými možnými alternativami provedení vynálezu.

Vynález lze aplikovat u šroubových spojů všech zařízení pracujíoíoh v širším oboru teplot, jako kupříkladu u čerpadel, je-li těleso a nebo víko čerpadla z oceli austenitioké struktury, u armatur za stejného předpokladu použití austenitioké oceli k výrobě těleea armatury a nebo víka, u speciálních čerpadel pro energetiku, chemický průmysl a podobně, pro tlakové nádoby pro klasickou i jadernou energetiku a chemii. Vynález lze použít 1 v případech, kdy «‘'g d^e “Μ»8ί než nebo kdy Δ T < 0, nebo když teplota není ve šroubovém spoji rozložena rovnoměrně·

Claims (4)

1. Šroubový spoj, zejména pro použití v širokém rozsahu teplot, kupříkladu pro spojení víka a tělesa tlakové nádoby energetických nebo chemických zařízení, kdy jednotlivé materiály spoje mají rozdílnou hodnotu délkové tepelné roztažnosti, vyznačujíoí se tím, že aleepoň jedna ze spojovaných součástí (1, 2) je opatřena průchozím otvorem (21) s kuželovitým vyhrdlením (22) orientovaným směrem k vnější ploše spojené součásti (1, 2), kde v kuželovitém vyhrdlení (22) je uložena vložka (3) kuželovitého tvaru, opatřená středovým otvorem (32) pro průchod svorníku (5), přičemž činná plooha (23) kuželovitého vyhrdlení (22) i činná plooha (33) vložky (3) mají stejný úhel sklonu ((W)·

2. Šroubový spoj podle bodu 1, vyznačující se tím, že úhel sklonu činné plochy (23) kuželovitého vyhrdlení (22) je rozdílný od úhlu sklonu činné ploohy (33) vložky (3)·

3. Šroubový spoj podle bodu 1, vyznačující se tím, že alespoň jedna z činných ploch (23, 33) kuželovitého vyhrdlení (22) nebo vložky (3) je zakřivená, případně lomená.

214 073

4. Šroubový spoj podle bodů 1 a 2, vyznačujíoí se tím, že mezi maticí (4) a vložkou (3) je vloženo alespoň jedno pouzdro (6),