DE19604702A1 - Kraft- und formschlüssige Verbindung von rotationssymmetrischen Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kraft- und formschlüssige Verbindung von rotationssymmetrischen Bauteilen, ins­ besondere Flanschverbindungen von Rohr- oder Zylinder­ ansätzen sowie Verbindungen von Großwälzlagern mit deren Anschlußkonstruktion.

Bekannte Flanschverbindungen bestehen aus zwei Flanschen, einer Dichtung und einer Anzahl von Schrauben. Die Schrauben haben die gesamten anstehenden Kräfte zu übertragen. Die Flanschblätter werden als Vorschweißflansch, als Aufschweißflansch oder als loser Flansch mit Vorschweiß- oder Aufschweißbund ausgeführt. Die Anordnung der Dichtung kann im Kraftneben- wie auch im Krafthauptfluß erfolgen.

Im Gegensatz zu einer im Krafthauptfluß angeordneten Dichtung beteiligt sich eine im Kraftnebenfluß liegende Dichtung nicht an der eigentlichen Kraftübertragung zwischen den zu verbindenden Flanschen. Der Vorteil dieser Dichtungsanordnung liegt darin, daß die Dichtung nicht überbeansprucht werden kann, da sie z. B. in eine Nut eingebettet ist. Die im Kraftnebenfluß angeordneten Dichtungen sind jedoch sehr empfindlich gegen Klaffung der Berührungsflächen. Die Mehrzahl der Dichtungen werden im Krafthauptfluß angeordnet.

Im Einbauzustand werden die Flansche durch Anziehen der Schrauben in axialer Richtung gegeneinander verspannt. Dabei erfährt die im Krafthauptfluß angeordnete Dichtung außer einer plastischen Verformung eine elastische Stauchung. Die Flansche verformen sich, die Schrauben erfahren eine Dehnung. Bei losen Flanschen mit Bunden greifen die Kräfte aufgrund des Stülpens der Losflansche an der außen liegenden Kante des Bundes an. Dies bewirkt eine ungünstige Verlagerung des Kraftan­ griffs und erzeugt nahezu eine Linienlast. Aufgrund hoher Flächenpressungen zwischen Losflansch und Bund kann diese Flanschausführung nicht für hohe Druckbe­ lastungen eingesetzt werden.

Während des Betriebes hängt die Dichtheit der Flanschverbindungen im wesentlichen vom Verformungs­ widerstand der Bauteile, von der Temperaturdifferenz zwischen Flansch und Schraube, vom radialen Temperatur­ gradienten der Flansche, vom Gewindesetzen und der Dichtungsstauchung infolge der Relaxation und vorder­ gründig von der während der Montage aufzubringenden Schraubenvorspannung ab. Flanschverbindungen kommen im Industrie- und Apparatebau, in der Kraftwerks- und Rohrleitungstechnik sowie bei verfahrenstechnischen und chemischen Anlagen zum Einsatz. Sie sind in internatio­ nalen Normen festgeschrieben.

Großwälzlager sind Zwischenbauteile drehbarer oder schwingender Verbindungen, die im Anlagen-, Industrie- und Kranbau, in Transportanlagen sowie in Baumaschinen Verwendung finden. Aufgabe dieser Lager ist es, große statische und dynamische Kräfte und Momente zu über­ tragen. Bei den bekannten Verbindungen von Großwälz­ lagern zu deren Anschlußkonstruktionen erfolgt die Kraft- und Momentenübertragung ausschließlich durch axial angeordnete Schrauben aus hochfesten Werkstoffen. Eine ausreichende Dimensionierung und eine sorgfältige Vorspannung bestimmt im wesentlichen die Funktions­ sicherheit der Großwälzlager. Die Anschlußkonstruk­ tionen müssen entsprechend starr und verwindungssteif ausgeführt werden, da die Querschnitte der Großwälz­ lager im Verhältnis zu ihren Durchmessern aus Gründen der Wirtschaftlichkeit relativ klein ausgeführt sind.

Aufgrund hinreichender Erkenntnisse aus Prüfstandsver­ suchen und Erfahrungen aus der Praxis wurden umfang­ reiche Dimensionierungsrichtlinien für die Befesti­ gungsschrauben erstellt sowie Empfehlungen für die Anschlußkonstruktionen ausgearbeitet. Die Wartungs­ vorschriften, insbesondere die Kontrolle der erforder­ lichen Schraubenvorspannungen nach jeweils 600 Betriebsstunden bzw. drei Monaten, sind entsprechend streng. Trotz dieser Maßnahmen stellen jedoch abge­ rissene Schrauben an den betreffenden Lagerver­ spannungen nach wie vor die Hauptursache bei schweren Unfällen mit Turmdrehkränen dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kraft- und form­ schlüssige Verbindung zu schaffen, bei der die Schrauben nicht mehr das hauptbelastete Bauteil darstellen. Neben einer Herabsetzung des Wartungs- und Prüfaufwandes der Schrauben sollen bei einer Anwendung als Flanschverbindung eine wirtschaftlichere Herstellung und optimale Dichtheitsvoraussetzungen geschaffen werden. Diese Aufgaben werden erfindungs­ gemäß in der Weise gelöst, wie es in den Patentan­ sprüchen angegeben ist.

Die an Zylinder- bzw. Rohrenden angeformten oder angeschweißten Bunde werden durch gleichmäßig am Umfang angeordnete, keilförmig ausgebildete Spannelemente, die mittels Schrauben in radialer und axialer Richtung in eine Spannhülse hineingezogen werden, so gegeneinander verspannt, daß sich über die Spannelemente eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den zu verspannenden Bunden bzw. Bauteilen und der Hülse einstellt. Der Kraftfluß erfolgt über die Spannelemente und die Hülse, so daß die Schrauben nicht mehr das hauptbelastete Bauteil darstellen. Die Schrauben werden nur noch mit einem Anteil der auftretenden Axialkräfte belastet. Gegenüber den bekannten Verbindungen sind extrem kurze und hinsichtlich ihres Durchmessers bedeutend kleinere Schrauben erforderlich.

Die maximalen Schraubenkräfte treten grundsätzlich nur während des Verspannvorgangs auf, da zur Erhaltung dieses Zustandes keine Reibungskräfte mehr aufgebracht werden müssen. Die den Verspannungszustand negativ beeinflussenden Erscheinungen der Schraubenrelaxation aus dem Gewindesetzen sind gering und somit unbedeu­ tend. Sie verringern zwar die Schraubenvorspannung geringfügig, die zur Beibehaltung des Verspannungs­ zustandes erforderlichen Schraubenkräfte werden aber durch den Relaxationsvorgang nicht unterschritten.

Um den Anteil der Reibungskräfte bei dem Verspannungs­ vorgang gering zu halten, kann bei extrem belasteten Verbindungen die Hülse vor dem Verspannungsvorgang mittels einer rechnerisch ermittelten Erwärmung ent­ sprechend gelängt werden. Die anteiligen Reibungs­ kräfte der aufzubringenden Schraubenkraft werden dadurch verringert. Nach dem Abkühlen der Spannhülse stellen sich die erforderlichen Verspannkräfte ein.

Bei temperaturbelasteten Verbindungen werden die radialen Temperaturgradienten, die ein dem Innendruck gleichgerichtetes Stülpen der Bunde bewirken, auf ein Minimum reduziert. Bei sämtlichen Belastungszuständen stellt sich nur noch eine geringe Verformung der Kontaktflächen der Bunde ein, so daß sich bei Flansch­ verbindungen vor allem die Möglichkeit ergibt, eine im Kraftnebenfluß liegende Dichtung zu verwenden. Die sonst auf die Schraubenvorspannung negativ wirkenden Einflüsse des Kriechens der Dichtung sind nicht mehr vorhanden. Bei Flanschverbindungen, die mit geringen Betriebsdrücken unter gleichzeitig hoher Temperatur­ belastung beaufschlagt werden, entfällt das Aufbringen hoher Vorverformungskräfte im Montagezustand.

Bei derartigen Flanschverbindungen ergeben sich erhebliche Materialeinsparungen, da der bisher für die Dimensionierung maßgebliche Belastungszustand nicht mehr ansteht.

Wegen der niedrigen Bauhöhe der gesamten Verbindung stellen sich bei temperaturbelasteten Flanschverbin­ dungen insgesamt geringere Temperaturdifferenzen zwischen den Bauteilen ein. Auch die daraus resul­ tierenden Verformungen sind im Gegensatz zu den Verformungen bei bekannten Flanschverbindungen ebenfalls gering.

Um grundlegende Größenordnungen der sich einstellenden Verformungen und Aussagen über auftretende Spannungen der verspannten Elemente zu erhalten, wurden mittels Spannungsanalysen dreidimensionale Untersuchungen durchgeführt. Die optimalen Voraussetzungen nach der Erfindung bezüglich minimaler Verformungen der Bunde wurden bestätigt. Desweiteren erkennt man, daß sich aufgrund der unterschiedlichen, wenn auch nur minimalen Stülpung der Flanschbunde und der Hülse eine vorteil­ hafte Verlagerung des Kraftangriffs zur Flanschachse hin einstellt. Dies bewirkt eine Verkleinerung der Hebelarme und führt zu einer Entlastung aller Bauteile.

Aufgrund der kompakten Bauart kann die Herstellung von Rohrleitungsflanschverbindungen kostengünstig erfolgen, da dickwandige Schmiederohlinge entfallen. Grundlegend sind bedeutend kürzere und vom Durchmesser kleinere Schrauben erforderlich.

Bei den bekannten Flanschverbindungen, die nach den Berechnungsvorschriften des ASME-Code dimensioniert werden, sind im Durchmesser größere Schrauben erforder­ lich als bei Dimensionierung nach anderen Berechnungs­ vorschriften.

Diese größeren Schrauben erzeugen größere Hebelarme, die wiederum größere Flanschblattdicken erforderlich machen.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag beeinflussen die verwendeten Schrauben die Gesamtkonstruktion nur unwesentlich. Die relativ niedrigen Spannungen entsprechend dem ASME-Code sind hierbei nicht mehr relevant, so daß sich bei der erfindungsgemäßen Gestaltung beachtliche Gewichtseinsparungen ergeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von schematischen Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Grundprinzip der kraft- und formschlüssigen Verbindung, dargestellt in einem Längsschnitt einer paarigen Flanschverbindung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des keilförmigen Spannelementes,

Fig. 3 den Anschluß einer Rohrleitung an einen Behälter,

Fig. 4 einen Längsschnitt einer nicht paarigen Flanschverbindung,

Fig. 5 ein mit den Anschlußkonstruktionen verspanntes Großwälzlager, dargestellt in einem Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Verbindung in einem Längsschnitt einer paarigen Flanschverbindung. Eine einteilige Hülse (3) umfaßt zwei Bunde mit angeformtem Rohr- oder Zylinderansatz (1). Zwischen den ebenen Flächen der Bunde (6) und den kegeligen Anlageflächen (5) der Hülse (3) sind keilförmige Spannelemente (2) in Richtung der Schraubenachse (7) mittels Zugschrauben (4) eingezogen. Zwischen den Bunden (1) und der Hülse (3) wird mittels der Spannelemente (2) eine kraft- und formschlüssige Verbindung erzeugt. Die Außenstruktur der Hülse (3) ist im Ausführungsbeispiel entsprechend einer Schrauben­ ausführung mit Kopf dargestellt. Bei Schraubenaus­ führungen mit innenliegendem Sechskant ergibt sich eine glatte Außenstruktur der Hülse (3) mit versenkten Bohrungen, dargestellt im Ausführungsbeispiel der Fig. 5. Der Ringspalt (9) zwischen der Hülse (3) und den Bunden (1) ist nicht größer als zur Montage notwendig.

Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das keilförmige Spannelement.

Fig. 3 zeigt den Anschluß einer Rohrleitung an einen Behälter. In einer Schnittdarstellung ist ein Rohran­ schluß mit einer Hülse (3a), die nur eine kegelige Anlagefläche (5) aufweist, unlösbar verbunden. Sie umfaßt einen Bund mit angeformten Rohransatz (1). Die Verspannung erfolgt analog der Darstellung in Fig. 1.

Fig. 4 zeigt den Längsschnitt einer unpaarigen Ver­ bindung, wobei ein Rohranschluß ebenfalls mit einer Hülse (3a), die nur eine kegelige Anlagefläche (5) aufweist, unlösbar verbunden ist. Diese Hülse weist analog der Darstellung in Fig. 3 auch nur eine kegelige Anlagefläche (5) auf, die wiederum nur einen Bund mit angeformten Rohransatz (1) umfaßt. Während das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel den Standard­ anwendungsfall einer Rohrleitungsflanschverbindung darstellt, ist die Anwendung der Ausführung entsprechend der Fig. 1 zum Beispiel bei Verbindungen von Ventilen und Armaturen mit Rohrleitungen oder an Maschinenanschlüssen aufgrund beengter Platzverhält­ nisse erforderlich. Um nicht ganze Rohrleitungen lösen zu müssen, können die Bauteile seitlich zusammengefügt werden.

Fig. 5 zeigt in einem Längsschnitt ein einreihiges, aus einem Innen- und Außenring bestehendes Großwälzlager (11) (zu verspannendes Bauteil) mit der Verbindung zur feststehenden und zur drehbaren Anschlußkonstruktion. Die Spannelemente (2) sind jeweils zwischen der Kugeldrehverbindung (11) und der Hülse (3a) mittels Zugschrauben (4) eingezogen. Zwischen dem inneren bzw. dem äußeren Ring des Großwälzlagers (11) und der Hülse (3a) wird jeweils mittels der Spannelemente (2) eine kraft- und formschlüssige Verbindung erzeugt. Während die Verbindung des äußeren Ringes des Großwälzlagers (11) über die Spannelemente (2) an der innenliegenden kegeligen Anlagefläche (5) der Hülse (3a) erfolgt, stellt sich die Verspannung des inneren Ringes gemäß dem Anspruch 3 über eine nach außenliegende kegelige Anlagefläche (5) der Hülse (3a) ein. Die Außenstruk­ turen der Hülsen (3a) sind entsprechend einer Schraubenausführung mit innenliegenden Sechskant (Zugschraube) (4) mit versenkten Bohrungen dargestellt.

Bezugszeichenliste

1 Bund mit Rohr- oder Zylinderansatz
2 keilförmiges Spannelement
3 Hülse
3a Hülse mit angearbeitetem Rohr- oder Zylinderansatz
4 Zugschraube
5 kegelförmige Anlagefläche der Hülse
6 ebene Fläche des Bundes bzw. des zu verspannenden Bauteils
7 Schraubenachse
8 Längsachse der Verbindung
9 Ringspalt zwischen Hülse und Bund bzw. zu verspannendem Bauteil
10 Kontaktfläche des Bundes bzw. des zu verspannenden Bauteils
11 zu verspannendes Bauteil (z. B. Großwälzlager mit Innen- und Außenring)

Claims (3)

1. Kraft- und formschlüssige Verbindung von rotationssymmetrischen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß eine einteilige Hülse (3) beide Bunde (1) zweier Rohr- oder Zylinderansätze umfaßt, daß diese Hülse (3) auf ihrer Innenseite zwei kegelige Anlageflächen (5) aufweist, daß zwischen den kegeligen Anlageflächen (5) und den den Kontaktflächen (10) der Rohr- oder Zylinderansätze gegenüberliegenden ebenen Flächen (6) der Bunde (1) eine Vielzahl keilförmiger Spannelemente (2) mittels Zugschrauben (4) zwischen den Bunden (1) und der Hülse (3) verspannt sind.

2. Kraft- und formschlüssige Verbindung von rotationssymmetrischen Bauteilen,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine einteilige Hülse (3a) an einem der zu verbindenden Bauteile angearbeitet ist,
daß der offene Abschnitt dieser Hülse (3a) nur einen Bund (1) oder nur ein zu verspannendes Bauteil (11) umfaßt,
daß der den Bund (1) oder das Bauteil (11) umfassende Teil der Hülse (3a) eine innenliegende kegelige Anlagefläche (5) aufweist,
daß zwischen dieser Anlagefläche (5) und der der Kontaktfläche (10) zwischen Bund (1) und Hülse (3a) oder zwischen Bauteil (11) und Hülse (3a) gegen­ überliegenden ebenen Fläche (6) des Bundes (1) oder des zu verspannenden Bauteils (11) eine Vielzahl keilförmiger Spannelemente (2) mittels Zugschrauben (4) zwischen dem Bund (1) oder zwischen dem zu verspannenden Bauteil (11) und der Hülse (3a) verspannt sind.

3. Kraft- und formschlüssige Verbindung von rotationssymmetrischen Bauteilen nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ die Bunde (1) oder das zu verspannende Bauteil (11) nach innen gerichtet sind und auch die gesamte Verbindung der zu verspannenden Bauteile auf der Innenseite angeordnet ist.