RU2740147C1 - Boltless gapless connection of flanges - Google Patents
Boltless gapless connection of flanges Download PDFInfo
- Publication number
- RU2740147C1 RU2740147C1 RU2020115189A RU2020115189A RU2740147C1 RU 2740147 C1 RU2740147 C1 RU 2740147C1 RU 2020115189 A RU2020115189 A RU 2020115189A RU 2020115189 A RU2020115189 A RU 2020115189A RU 2740147 C1 RU2740147 C1 RU 2740147C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bushing
- bolt
- flanges
- nut
- flange
- Prior art date
Links
- 230000013011 mating Effects 0.000 claims description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 21
- 230000000712 assembly Effects 0.000 abstract 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 abstract 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 10
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 3
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
- F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
- F16B5/02—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of fastening members using screw-thread
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Connection Of Plates (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, в частности, энергетического машиностроения, и может быть использовано в конструкциях узлов высоконагруженных фланцевых соединений валов и роторов машин, например, энергетических турбоагрегатов, судовых валопроводов и т.п. Техническое решение обеспечивает стягивание и жесткую фиксацию соединяемых фланцев, при этом соединяемые фланцы могут представлять собой как фланцы полумуфт, установленных на соединяемых валах, так и фланцы, выполненные непосредственно на самих соединяемых валах.The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular, power engineering, and can be used in the design of units of highly loaded flange connections of shafts and rotors of machines, for example, power turbine units, ship shafting, etc. The technical solution provides tightening and rigid fixation of the connected flanges, while the connected flanges can be both flanges of half-couplings installed on the connected shafts, and flanges made directly on the connected shafts themselves.
Конструкции высоконагруженных фланцевых соединений должны иметь высокую несущую способность, обеспечивающую возможность передачи необходимых величин крутящих моментов. Следует отметить, что высоконагруженные фланцевые соединения подлежат периодической разборке, например, при проведении плановых ремонтно-профилактических работ, с последующей повторной сборкой, что обуславливает требования к данным конструкциям по обеспечению высокой точности сборки (центрирования соединяемых валов и установочных отверстий во фланцах), технологичности выполнения монтажных работ, а также высокой ремонтопригодности, обеспечивающей возможность выполнения повторной сборки без дополнительной механической обработки отдельных элементов фланцевого соединения. Кроме того, при разработке фланцевых соединений стремятся минимизировать наличие конструктивных элементов, выступающих во внешнее пространство за пределы поверхностей соединяемых фланцев, так как при высоких скоростях вращения вала важное значение приобретает снижение аэродинамических потерь.Highly loaded flange joint structures must have a high load-carrying capacity to ensure the transmission of the required torques. It should be noted that highly loaded flange connections are subject to periodic disassembly, for example, during routine maintenance and repair work, followed by reassembly, which determines the requirements for these structures to ensure high assembly accuracy (centering of the shafts to be connected and mounting holes in the flanges), manufacturability installation work, as well as high maintainability, which provides the ability to reassemble without additional machining of individual elements of the flange connection. In addition, when developing flange connections, they tend to minimize the presence of structural elements protruding into the external space beyond the surfaces of the connected flanges, since at high speeds of shaft rotation, it is important to reduce aerodynamic losses.
Основным видом нагрузки фланцевого соединения является крутящий момент, который передается соединительными крепежными элементами, работающими на срез и смятие [адрес интернет-страницы: https://inzhener-info.ru/razdely/konstruirovanie/peredacha-krutyashchego-momenta/flantsevye-soedineniya/flantsevye-soedineniya-dlya-peredachi-krutyashchego-momenta.html]. Также в передаче крутящего момента участвуют силы трения, возникающие между контактирующими поверхностями соединяемых фланцев при затяжке соединительных элементов.The main type of load of the flange connection is the torque, which is transmitted by the connecting fasteners working for shear and shear [web page address: https://inzhener-info.ru/razdely/konstruirovanie/peredacha-krutyashchego-momenta/flantsevye-soedineniya/ flantsevye-soedineniya-dlya-peredachi-krutyashchego-momenta.html]. Also, friction forces that arise between the contacting surfaces of the connected flanges when tightening the connecting elements are involved in the transmission of torque.
В конструкциях высоконагруженных фланцевых соединений чаще всего используют призонные цилиндрические болты, которые обеспечивают передачу крутящего момента за счет сил сопротивления срезу [Е.П. Жильников и др. «Фланцевые соединения авиационных конструкций. Расчет и конструирование»: учебное пособие. Самара: Изд-во СГАУ, 2006, стр. 3-4]. Призонным называют болт, диаметр гладкой части стержня которого определяется из условия обеспечения работы соединения на срез и выполняется с высокой точностью обработки; призонные болты устанавливают в точно обработанные отверстия по посадке без зазора [адрес интернет-страницы: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1284874].In the designs of highly loaded flange connections, tight-fitting cylindrical bolts are most often used, which ensure the transmission of torque due to shear resistance forces [E.P. Zhilnikov et al. “Flange connections for aircraft structures. Calculation and design ": a tutorial. Samara: SSAU Publishing House, 2006, pp. 3-4]. A bolt is called a fit bolt, the diameter of the smooth part of the rod of which is determined from the condition of ensuring the operation of the connection for shear and is performed with high processing accuracy; tight-fitting bolts are installed in precisely machined holes to fit without clearance [web page address: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1284874].
Следует отметить, что в конструкциях фланцевых соединений также могут применяться шпильки с центральным призонным участком. Однако шпилечные соединения применяются значительно реже, чем болтовые соединения, что обусловлено следующими факторами. Шпилька содержит два резьбовых участка (с двух концов шпильки), что снижает жесткость соединения и его несущую способность, а также требует при сборке соединения выполнения затяжки фиксирующих элементов (гаек) с обеих сторон шпильки, что усложняет выполнение сборки узла и увеличивает количество технологических операций. Кроме того, шпилечное соединение по сравнению с болтовым характеризуется большим осевым габаритом, так как требуется установка фиксирующих элементов (гаек) с обеих сторон шпильки, что, в свою очередь, ведет либо к увеличению толщины фланцев и массы узла (в случае расположения фиксирующих элементов в расточках фланцев, т.е. заподлицо с наружными поверхностями фланцев с целью снижения сопротивления при вращении вала), либо к ухудшению аэродинамических качеств конструкции соединения, если с целью уменьшения толщины фланцев (или невозможности выполнения во фланцах расточек под гайки) концы шпильки с установленными на них гайками выступают за пределы наружных поверхностей фланцев.It should be noted that studs with a central close-fitting section can also be used in the designs of flange connections. However, stud connections are used much less frequently than bolted connections, due to the following factors. The stud contains two threaded sections (at both ends of the stud), which reduces the rigidity of the joint and its bearing capacity, and also requires tightening the fixing elements (nuts) on both sides of the stud when assembling the joint, which complicates the assembly of the assembly and increases the number of technological operations. In addition, the stud connection, in comparison with the bolted connection, is characterized by a larger axial dimension, since the installation of fixing elements (nuts) on both sides of the stud is required, which, in turn, leads either to an increase in the thickness of the flanges and the mass of the assembly (in the case of the location of the fixing elements in the flange bores, i.e. flush with the outer surfaces of the flanges in order to reduce the resistance during shaft rotation), or to a deterioration in the aerodynamic qualities of the joint design, if, in order to reduce the thickness of the flanges (or the impossibility of making bores for nuts in the flanges), the ends of the studs with the nuts installed on them protrude beyond the outer surfaces of the flanges.
Также следует подчеркнуть, что в соединениях фланцев, обеспечивающих передачу крутящего момента, нежелательно использование крепления соединительными элементами, проходящими через сквозное отверстие в одном фланце в глухое резьбовое отверстие, выполненное во втором фланце, так как такое соединение, как правило, не обеспечивает необходимого усилия стягивания фланцев для их жесткой фиксации.It should also be emphasized that in the connections of flanges that ensure the transmission of torque, it is undesirable to use fastening with connecting elements passing through a through hole in one flange into a blind threaded hole made in the second flange, since such a connection, as a rule, does not provide the required tightening force flanges for their rigid fixation.
Количество соединительных элементов, диаметр их расположения и другие параметры принято определять для конкретного фланцевого соединения с учетом действующих нагрузок, обеспечения условий прочности и т.д. [Е.П. Жильников и др. «Фланцевые соединения авиационных конструкций. Расчет и конструирование»: учебное пособие. Самара: Изд-во СГАУ, 2006, стр. 22-23].The number of connecting elements, the diameter of their location and other parameters are usually determined for a specific flange connection, taking into account the existing loads, ensuring the strength conditions, etc. [E.P. Zhilnikov et al. “Flange connections for aircraft structures. Calculation and design ": a tutorial. Samara: SSAU Publishing House, 2006, pp. 22-23].
Соединительные крепежные элементы (болты или шпильки), обеспечивающие стягивание и фиксацию фланцев, устанавливают в соосных сквозных отверстиях фланцев и осуществляют их затяжку, при этом происходит незначительное удлинение соединительного элемента и уменьшение его диаметра, что приводит к увеличению первоначального установочного зазора. Так, например, во фланцевом соединении ротора турбоагрегата величина формулярного зазора (определяемая нормативными расчетными документами) при установке болтов в отверстиях соединяемых фланцев не должна превышать 0,02 мм. При затяжке болтов требуемое удлинение болта составляет 0,15 – 0,20 мм, расчетное уменьшение его диаметра при этом составляет 0,04 – 0,05 мм, следовательно, радиальный зазор после затяжки болтов с цилиндрической призонной частью может достигать величины 0,07 мм (но, как показывает практика, этот зазор может достигать и больших значений). Важно также отметить, что каждый соединительный элемент (цилиндрический болт) вследствие технологических отклонений будет иметь зазор, отличающийся (с высокой вероятностью) от величины зазора других соединительных элементов, установленных в соединяемых фланцах.Connecting fasteners (bolts or pins), providing tightening and fixing of the flanges, are installed in the coaxial through holes of the flanges and tighten them, while there is a slight lengthening of the connecting element and a decrease in its diameter, which leads to an increase in the initial installation gap. So, for example, in the flange connection of the rotor of a turbine unit, the size of the formular gap (determined by the normative design documents) when installing bolts in the holes of the flanges to be connected should not exceed 0.02 mm. When tightening the bolts, the required bolt elongation is 0.15 - 0.20 mm, the calculated reduction in its diameter is 0.04 - 0.05 mm, therefore, the radial clearance after tightening the bolts with a cylindrical fitting part can reach 0.07 mm (but, as practice shows, this gap can reach large values). It is also important to note that each connecting element (cylindrical bolt), due to technological deviations, will have a gap that differs (with a high probability) from the gap size of other connecting elements installed in the connecting flanges.
Вследствие этого при использовании цилиндрических соединительных элементов при больших нагрузках, близких к номинальным, или возможных быстрых изменениях нагрузки будет происходить взаимное смещение фланцев (проскальзывание) до выборки радиальных зазоров между наружными поверхностями цилиндрических призонных болтов и внутренними поверхностями установочных отверстий во фланцах в неравномерной последовательности – первоначально на одном или нескольких болтах с наименьшими радиальными зазорами, затем, после деформации первых болтов, на других болтах и т.д.As a result, when using cylindrical connecting elements at high loads close to nominal, or possible rapid changes in the load, there will be mutual displacement of the flanges (slippage) before sampling the radial clearances between the outer surfaces of the cylindrical fit bolts and the inner surfaces of the mounting holes in the flanges in an uneven sequence - initially on one or more bolts with the smallest radial clearances, then, after deformation of the first bolts, on other bolts, etc.
Смещение соединяемых фланцев приводит к расцентровке роторов (появляется так называемая «коленчатость»), вследствие чего ухудшается вибрационное состояние машины (турбоагрегата). Кроме того, на болтах, установленных с наименьшими зазорами, могут возникнуть запредельные напряжения смятия и среза, приводящие к деформациям и механическим повреждениям (вплоть до разрушения, что может привести к аварийной ситуации при работе турбоагрегата), что негативно влияет на несущую способность соединения.The displacement of the connected flanges leads to misalignment of the rotors (so-called "cranking" appears), as a result of which the vibration state of the machine (turbine unit) worsens. In addition, on the bolts installed with the smallest gaps, extreme shear and shear stresses may occur, leading to deformations and mechanical damage (up to destruction, which can lead to an emergency during the operation of the turbine unit), which negatively affects the bearing capacity of the connection.
При наличии деформированных или поврежденных цилиндрических болтов разборка соединения является трудоемкой и длительной операцией, зачастую приводящей к повреждению рабочих поверхностей отверстий в соединяемых фланцах. Восстановление рабочих поверхностей отверстий во фланцах путем их совместной обработки (райберовка отверстий) является трудоемкой технологической операцией, значительно удлиняющей время ремонта турбоагрегата, при этом фланцы могут выдержать только ограниченное число райберовок, что значительно снижает ресурс работы муфты или вала.In the presence of deformed or damaged cylindrical bolts, disassembling the joint is a laborious and time-consuming operation, often leading to damage to the working surfaces of the holes in the connected flanges. The restoration of the working surfaces of the holes in the flanges by their joint processing (hole reaming) is a laborious technological operation that significantly lengthens the repair time of the turbine unit, while the flanges can withstand only a limited number of reamers, which significantly reduces the service life of the coupling or shaft.
В связи с указанными выше факторами актуальна разработка конструкций беззазорных фланцевых соединений, предназначенных для передачи крутящего момента, обладающих высокой несущей способностью, обеспечивающих высокую надежность работы машины, ремонтопригодность и точность сборки.In connection with the above factors, it is relevant to develop designs for backlash-free flange joints designed to transmit torque, having a high bearing capacity, ensuring high reliability of the machine, maintainability and assembly accuracy.
В машиностроении применяются конструкции фланцевых соединений, в которых обеспечена выборка радиального зазора за счет установки в соосных отверстиях фланцев разжимной втулки с внутренним осевым коническим отверстием, в котором в качестве соединительного элемента установлена шпилька, имеющая центральный конический участок, ответный осевому коническому отверстию втулки. На каждом из двух наружных резьбовых концов шпильки установлена (накручена) гайка. Такие шпилечные фланцевые соединения известны, например, по патентам №№ DE3432194A1 [«Clamping pin», МПК F16B35/04, F16B5/02, дата публ. 13.03.1986], US5170551A [«Alignment of shaft flanges», МПК F16B5/02, дата публ. 15.12.1992], CN201461669U [«Positioning bolt», МПК F16B35/00, дата публ. 12.05.2010]. Применение конической разжимной втулки для выборки радиального зазора позволяет в процессе работы при передаче крутящего момента минимизировать в соединительных элементах механические деформации, что, в свою очередь, обеспечивает сохранение качества высокоточных поверхностей отверстий во фланцах при проведении демонтажных работ, а значит, и высокую ремонтопригодность соединения. Однако наличие двух резьбовых участков шпильки снижает жесткость и несущую способность соединения, а также усложняет выполнение монтажных работ, увеличивая количество технологических операций при установке и затяжке гаек на двух концах шпильки. Кроме того, шпилечное соединение увеличивает осевые габариты и массу узла.In mechanical engineering, flange joint designs are used in which a selection of the radial clearance is provided due to the installation in the coaxial holes of the flanges of an expanding sleeve with an internal axial conical hole, in which a stud is installed as a connecting element, which has a central conical section corresponding to the axial conical hole of the sleeve. A nut is installed (screwed on) at each of the two outer threaded ends of the stud. Such studded flange connections are known, for example, from patent No. DE3432194A1 ["Clamping pin", IPC F16B35 / 04, F16B5 / 02, published date. 03/13/1986], US5170551A ["Alignment of shaft flanges", IPC F16B5 / 02, published date. 12/15/1992], CN201461669U ["Positioning bolt", IPC F16B35 / 00, published date. 05/12/2010]. The use of a tapered expansion sleeve for sampling the radial clearance allows during operation during transmission of torque to minimize mechanical deformations in the connecting elements, which, in turn, ensures the preservation of the quality of the high-precision surfaces of the holes in the flanges during dismantling, and therefore the high maintainability of the connection. However, the presence of two threaded sections of the stud reduces the rigidity and bearing capacity of the connection, and also complicates the installation work, increasing the number of technological operations when installing and tightening the nuts at both ends of the stud. In addition, the studded connection increases the axial dimensions and weight of the assembly.
Известно беззазорное соединение фланцев [патент № RU2519996C1 «Легкосъемное беззазорное крепежное соединение фланцев», МПК F16B5/02, дата публ. 20.09.2014], содержащее втулку, установленную в сквозных соосных цилиндрических отверстиях фланцев, сопряженную по внутренней конической поверхности с установленной в ней конической шпилькой, на резьбовых концах которой навинчены гайки. Втулка зафиксирована в осевом направлении за счет выполнения со стороны большего диаметра конуса торцевого буртика, упирающегося в торцевую поверхность расточки во фланце. Втулка выполнена с продольными разрезами, начинающимися от торца втулки со стороны меньшего диаметра конуса. Однако, как было отмечено выше, для шпилечных соединений характерно снижение жесткости конструкции за счет наличия двух резьбовых участков на концах шпильки с установленными фиксирующими элементами (гайками), что также обуславливает большее количество технологических операций при сборке-разборке соединения, а кроме того, конструктивной особенностью шпилечного соединения является увеличенный осевой габарит соединения.Known gapless connection of flanges [patent No. RU2519996C1 "Easily removable gapless fastening connection of flanges", IPC F16B5 / 02, published date. 09/20/2014], containing a bushing installed in the through coaxial cylindrical holes of the flanges, mated on the inner tapered surface with a tapered pin installed in it, on the threaded ends of which nuts are screwed. The bushing is fixed in the axial direction due to the execution on the side of the larger diameter of the cone of the end collar, which abuts against the end surface of the bore in the flange. The bushing is made with longitudinal cuts starting from the end face of the bushing on the side of the smaller diameter of the cone. However, as noted above, stud joints are characterized by a decrease in the rigidity of the structure due to the presence of two threaded sections at the ends of the stud with installed fixing elements (nuts), which also causes a greater number of technological operations when assembling and disassembling the joint, and in addition, a design feature Studded joint is the increased axial clearance of the joint.
Известно применение болтовых фланцевых соединений, содержащих эксцентриковые элементы, которые обеспечивают точное совмещение осей (центрирование) соединяемых компонентов и выборку радиального зазора. Так, например, известно болтовое беззазорное фланцевое соединение двух компонентов по патенту № US7037027B2 [«Bolted connection of two components with alignment compensation in three dimensions», МПК F16B5/02, дата публ. заявки 02.06.2005], которое содержит внутренний и внешний эксцентриковые диски, внутренний диск расположен с возможностью вращения в отверстии внешнего; через внутренний эксцентрик проходит болт, с одного конца которого выполнена головка, соединенная с эксцентриковым устройством, а с другого – зажимной конус; при затяжке болта зажимной конус обеспечивает выборку зазора в установочном отверстии первого компонента. Также известно соединение по патенту № US9273712B2 [«Fastening system with eccentric», МПК F16B39/22, F16B5/02, дата публ. 01.03.2016], предназначенное для передачи крутящего момента и содержащее эксцентриковую втулку и зажимной элемент, затягивание которого осуществляется при вращении эксцентрика. Однако следует отметить высокую конструктивную сложность узлов, содержащих эксцентрики, а также их невысокую надежность. Кроме того, наличие эксцентриков в качестве замыкающих элементов снижает несущую способность устройства.It is known to use bolted flange joints containing eccentric elements, which ensure accurate alignment of the axes (centering) of the components to be connected and sampling of the radial clearance. So, for example, a bolted backlash-free flange connection of two components is known according to patent No. US7037027B2 ["Bolted connection of two components with alignment compensation in three dimensions", IPC F16B5 / 02, published date. Application 02.06.2005], which contains an inner and outer eccentric discs, the inner disc is rotatably located in the outer hole; a bolt passes through the inner eccentric, from one end of which a head is made, connected to the eccentric device, and from the other - a clamping cone; when the bolt is tightened, the clamping cone provides a gap cut in the mounting hole of the first component. Also known connection according to patent No. US9273712B2 ["Fastening system with eccentric", IPC F16B39 / 22, F16B5 / 02, published date. 03/01/2016], designed to transmit torque and containing an eccentric sleeve and a clamping element, which is tightened when the eccentric rotates. However, it should be noted the high structural complexity of units containing eccentrics, as well as their low reliability. In addition, the presence of eccentrics as locking elements reduces the bearing capacity of the device.
Известно болтовое соединение фланцев [патент № RU2090786C1 «Соединение», МПК F16B5/02, дата публ. 20.09.1997], содержащее установленный в отверстиях соединяемых деталей болт, на промежуточной части стержня которого выполнен конический участок с большим основанием конуса со стороны головки, и втулку с прорезью, сопряженную с коническим участком болта и отверстиями соединяемых деталей, гайку и промежуточный элемент, который выполнен в виде выступа на опорной поверхности гайки. Также известно фланцевое соединение [а.с. СССР № SU839863 «Узел фланцевого соединения», МПК F16B5/02, B63H25/38, дата публ. 23.06.1981], содержащее фланцы с отверстиями, в которые установлены цилиндрические вставки, выполненные из двух полуцилиндров, с внутренней конической осевой расточкой и болты, соединяющие фланцы, при этом промежуточный участок стержня каждого болта, расположенный между резьбовым концом болта и головкой болта, выполнен коническим, а участок между конической частью стержня болта и головкой болта выполнен цилиндрическим, с диаметром меньше, чем внутренний диаметр резьбы болта. Известные соединения (№ RU2090786C1, № SU839863) характеризуются достаточно простым конструктивным выполнением, однако следует обратить внимание, что при затяжке болта высока вероятность отклонений смещения втулки относительно болта, что может привести к снижению несущей способности и надежности работы узла, а также ухудшению вибрационного состояния машины. При разборке таких соединений возможно появление задиров на рабочих поверхностях цилиндрических отверстий фланцев и соединительных элементов (болтов, втулок), что потребует дополнительной механической обработки отверстий во фланцах и замены соединительных элементов при последующей сборке соединения.Known bolted flange connection [patent No. RU2090786C1 "Connection", IPC F16B5 / 02, published date. 09/20/1997], containing a bolt installed in the holes of the connected parts, on the intermediate part of the rod of which a conical section is made with a larger base of the cone on the side of the head, and a sleeve with a slot, mated with the conical section of the bolt and the holes of the connected parts, a nut and an intermediate element , which is made in the form of a protrusion on the bearing surface of the nut. Also known flange connection [and.with. USSR No. SU839863 "Flange joint assembly", IPC F16B5 / 02, B63H25 / 38, published date. 06/23/1981], containing flanges with holes in which cylindrical inserts made of two half-cylinders are installed, with an internal conical axial bore and bolts connecting the flanges, while the intermediate section of the rod of each bolt located between the threaded end of the bolt and the bolt head is made conical, and the section between the conical part of the bolt rod and the bolt head is cylindrical, with a diameter less than the inner diameter of the bolt thread. Known connections (No. RU2090786C1, No. SU839863) are characterized by a fairly simple design, however, it should be noted that when tightening the bolt, there is a high probability of deviations in the displacement of the sleeve relative to the bolt, which can lead to a decrease in the bearing capacity and reliability of the unit, as well as a deterioration in the vibration state of the machine ... When disassembling such connections, scuffing may appear on the working surfaces of the cylindrical holes of the flanges and connecting elements (bolts, bushings), which will require additional machining of the holes in the flanges and replacement of the connecting elements during the subsequent assembly of the connection.
Также известны болтовые фланцевые соединения, характеризующиеся достаточно простым конструктивным выполнением, например: по патенту № RU2341694C2 [«Узел соединения деталей машин», МПК F16B5/02, дата публ. 20.12.2008], содержащее две соединяемые детали и болт с гайкой, со стороны которой установлена разрезная коническая втулка под посадку без зазора втулки в деталь и болта во втулку, болт устанавливается во втулку с заданным зазором; по патенту № RU2266441С2 [«Узел фланцевого соединения», МПК F16B5/02, дата публ. 20.12.2005], содержащее соединяемые фланцы, в сквозных отверстиях которых установлены цилиндрические втулки с расположенными в них болтами с гайками, втулки выполнены с внутренним коническим выступом в зоне разъема соединяемых фланцев, а болты выполнены с ответным наружным коническим пояском, сопрягающимся с выступом втулок, при этом втулки выполнены разрезными с радиальной односторонней прорезью вдоль оси. Однако в качестве недостатка известных технических решений следует отметить их невысокую жесткость, что значительно снижает несущую способность соединения и надежность работы.Also known are bolted flange connections characterized by a fairly simple design, for example: according to patent No. RU2341694C2 ["Assembly of machine parts", IPC F16B5 / 02, published date. 12/20/2008], containing two parts to be connected and a bolt with a nut, on the side of which there is a split tapered bushing for fitting without a clearance of the sleeve into the part and the bolt into the sleeve, the bolt is installed into the sleeve with a given clearance; according to patent No. RU2266441C2 ["Flange joint assembly", IPC F16B5 / 02, published date. 12/20/2005], containing connectable flanges, in the through holes of which cylindrical bushings are installed with bolts and nuts located in them, the bushings are made with an inner conical protrusion in the zone of the joint of the flanges to be connected, and the bolts are made with a reciprocal outer conical collar mating with the protrusion of the bushings, while the bushings are cut with a radial one-sided slot along the axis. However, as a disadvantage of the known technical solutions, their low rigidity should be noted, which significantly reduces the bearing capacity of the connection and the reliability of operation.
В качестве технического решения (прототипа), наиболее близкого по совокупности существенных признаков к заявляемому болтовому соединению фланцев, предлагается соединительная система (фланцевое соединение) по патенту № RU2470195C2 [«Соединительная система и способ соединения, в частности, со всесторонним силовым замыканием», МПК F16B5/02, дата публ. патента 20.12.2012, заявка PCT № WO2009036740, дата публ. заявки 26.03.2009], содержащая первую и вторую составные части (соединяемые фланцы), в которых выполнены сквозные соосные отверстия, в которых установлен проходящий через указанные отверстия цилиндрический болт, зафиксированный по месту в первом фланце за счет упора головки болта в торцевую наружную поверхность первого фланца и имеющий резьбу, выполненную на другом конце (со стороны второго соединяемого фланца). На резьбовом конце болта навинчена натяжная гайка, обеспечивающая затяжку соединяемых фланцев. Соединение содержит конусную пару, установленную в соосных отверстиях фланцев. Конусная пара содержит внутренний конус, представляющий собой внутреннюю коническую поверхность осевого отверстия наружной втулки (называемой промежуточным зажимным элементом), а также наружный конус, представляющий собой наружную коническую поверхность внутренней втулки (называемой коническим зажимным элементом), установленной в осевом отверстии наружной втулки. Таким образом наружная втулка и размещенная внутри нее внутренняя втулка сопряжены по рабочим коническим поверхностям (т.е. по внутренней поверхности наружной втулки и наружной поверхности внутренней втулки). Наружная втулка выполнена с одним шлицем, представляющим собой продольную прорезь, обеспечивающую возможность распора наружной втулки. В осевом отверстии внутренней втулки расположен упомянутый выше крепежный соединительный элемент – болт. На выступающий резьбовой конец внутренней втулки навинчена нажимная гайка, которая при сборке обеспечивает возможность регулирования положения внутренней втулки, а в рабочем состоянии прижата к соответствующей упорной поверхности фланца, что обеспечивает возможность передачи осевого усилия затяга болта при стягивании фланцев. Болт и установленная на нем натяжная гайка обеспечивают затяжку соединяемых фланцев с помощью внутренней втулки и навинченной на нее осевой нажимной гайки, создавая радиальное и осевое натяжение. Известное техническое решение позволяет обеспечить силовое замыкание соединяемых частей (фланцев), обеспечивает устранение радиального люфта (выборку радиального зазора), что исключает деформации и повреждения крепежных элементов (болтов) при передаче крутящего момента. Кроме того, возможно многократное выполнение разборки и последующей сборки соединения при обслуживающих работах, что обеспечивает высокую ремонтопригодность соединения.As a technical solution (prototype), the closest in terms of the set of essential features to the claimed bolted connection of flanges, a connecting system (flange connection) is proposed according to patent No. RU2470195C2 ["Connecting system and connection method, in particular, with a comprehensive force closure", IPC F16B5 / 02, published date patent 20.12.2012, PCT application No. WO2009036740, published date. applications 03/26/2009], containing the first and second component parts (connected flanges), in which through coaxial holes are made, in which a cylindrical bolt passing through these holes is installed, fixed in place in the first flange due to the stop of the bolt head in the end outer surface of the first flange and having a thread made at the other end (from the side of the second connected flange). A tension nut is screwed on the threaded end of the bolt to tighten the flanges to be connected. The connection contains a tapered pair installed in the coaxial holes of the flanges. The cone pair contains an inner cone, which is the inner conical surface of the axial bore of the outer sleeve (called an intermediate clamping element), and also an outer cone, which is the outer conical surface of the inner sleeve (called the conical clamping element) installed in the axial bore of the outer sleeve. Thus, the outer sleeve and the inner sleeve located inside it are mated along the working tapered surfaces (i.e., along the inner surface of the outer sleeve and the outer surface of the inner sleeve). The outer sleeve is made with one slot, which is a longitudinal slot that allows the outer sleeve to expand. In the axial hole of the inner sleeve, the above-mentioned fastening connecting element - a bolt is located. A thrust nut is screwed onto the protruding threaded end of the inner sleeve, which, when assembled, provides the ability to adjust the position of the inner sleeve, and in working condition is pressed against the corresponding thrust surface of the flange, which provides the possibility of transmitting the axial tightening force of the bolt when the flanges are pulled together. The bolt and the tension nut installed on it ensure the tightening of the flanges to be connected using the inner sleeve and the axial compression nut screwed onto it, creating radial and axial tension. The known technical solution makes it possible to ensure the force closure of the connected parts (flanges), ensures the elimination of radial backlash (sampling of the radial clearance), which eliminates deformation and damage of fasteners (bolts) during transmission of torque. In addition, multiple disassembly and subsequent assembly of the joint during maintenance work is possible, which ensures high maintainability of the joint.
Однако, в качестве недостатка известного технического решения следует отметить его высокую конструктивную сложность: применение конусной пары, состоящей из двух втулок, сопряженных по коническим поверхностям и обеспечивающих возможность выборки радиального зазора при осевом перемещении внутренней втулки относительно наружной; наличие нажимной гайки, накрученной на выступающий за пределы фланца резьбовой конец внутренней втулки и расположенной между натяжной гайкой и фланцем в упор к торцевой (упорной) поверхности фланца, что снижает жесткость и надежность узла и усложняет выполнение монтажных работ. Также следует отметить, что наличие нажимной гайки увеличивает осевые габариты фланцевого соединения и снижает аэродинамические характеристики узла при работе машины. Кроме того, при выполнении одной продольной прорези в наружной втулке при выборке радиального зазора происходит неравномерная деформация втулки в радиальном направлении и, как следствие, неравномерное распределение напряжений, что может привести к появлению повышенных напряжений в соединении, к возможным остаточным деформациям, а также к снижению несущей способности и надежности работы соединения.However, as a disadvantage of the known technical solution, it should be noted its high structural complexity: the use of a tapered pair consisting of two bushings, mated on tapered surfaces and providing the possibility of sampling the radial clearance during axial movement of the inner sleeve relative to the outer; the presence of a thrust nut screwed onto the threaded end of the inner sleeve protruding beyond the flange and located between the tension nut and the flange against the end (thrust) surface of the flange, which reduces the rigidity and reliability of the assembly and complicates the installation work. It should also be noted that the presence of a pressure nut increases the axial dimensions of the flange connection and reduces the aerodynamic characteristics of the unit during machine operation. In addition, when making one longitudinal slot in the outer sleeve when sampling the radial clearance, uneven deformation of the sleeve occurs in the radial direction and, as a result, an uneven distribution of stresses, which can lead to increased stresses in the joint, to possible permanent deformations, as well as to a decrease in bearing capacity and reliability of the connection.
Следует отметить, что в рассматриваемом патенте № RU2470195C2 также описано выполнение фланцевого соединения, в котором использован крепежный соединительный элемент, имеющий центральный конический участок. Соединительный элемент установлен в коническую втулку, расположенную в сквозных отверстиях фланцев, с возможностью взаимодействия с втулкой по сопрягаемым коническим поверхностям. В таком выполнении по сравнению с описанным выше используется только одна втулка – втулка с внутренней рабочей конической поверхностью, при этом на одном конце крепежного соединительного элемента установлена натяжная гайка (как в описанном выше выполнении), а на другом конце вместо головки болта выполнена резьба и также установлена натяжная гайка (в качестве контргайки), с помощью которой можно осуществлять осевую затяжку. Втулка выполнена с одним шлицем (продольной прорезью), который простирается от торца втулки, противоположного торцу, со стороны которого выполнена наружная резьба для установки нажимной гайки (т.е. со стороны большего диаметра конуса). Таким образом данное выполнение представляет собой шпилечное фланцевое соединение с конической шпилькой, которое, как отмечалось ранее, характеризуется по сравнению с болтовым соединением меньшей жесткостью (вследствие наличия двух резьбовых участков соединительного крепежного элемента). При этом в данном соединении также содержится нажимная гайка, установленная (накрученная) на выступающий участок конической втулки между натяжной гайкой и упорной поверхностью фланца, что также уменьшает жесткость, усложняет конструкцию и увеличивает осевой габарит соединения.It should be noted that the pending patent No. RU2470195C2 also describes the implementation of a flange joint, which uses a fastening connecting element having a central conical section. The connecting element is installed in a tapered sleeve located in the through holes of the flanges, with the possibility of interaction with the sleeve along the mating tapered surfaces. In this embodiment, in comparison with the one described above, only one bushing is used - a bushing with an inner working conical surface, while a tension nut is installed at one end of the fastening connecting element (as in the above embodiment), and at the other end, instead of the bolt head, a thread is made and also a tension nut is installed (as a lock nut), with which you can axially tighten. The sleeve is made with one slot (longitudinal slot), which extends from the end of the sleeve, opposite to the end, on the side of which there is an external thread for installing the pressure nut (i.e., on the side of the larger diameter of the cone). Thus, this embodiment is a studded flange connection with a tapered stud, which, as noted earlier, is characterized by lower rigidity compared to a bolted connection (due to the presence of two threaded sections of the connecting fastener). At the same time, this connection also contains a thrust nut installed (screwed on) on the protruding section of the tapered bushing between the clamping nut and the thrust surface of the flange, which also reduces the rigidity, complicates the structure and increases the axial dimension of the joint.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции при одновременном обеспечении высокой надежности работы соединения.The technical result to be achieved by the claimed invention is to simplify the design while ensuring high reliability of the connection.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается болтовое соединение фланцев, содержащее соединяемые фланцы с выполненными в них сквозными соосными цилиндрическими отверстиями, в которых установлена втулка. Внутреннее осевое отверстие втулки имеет рабочую поверхность, выполненную конической. Втулка выполнена с продольными разрезами (прорезями), начинающимися от торца втулки со стороны большего диаметра конуса. В осевом отверстии втулки установлен болт, стержень которого имеет конический рабочий участок, сопряженный с конической поверхностью осевого отверстия втулки. Больший диаметр конического участка стержня болта выполнен со стороны головки болта. Торцевая часть втулки со стороны меньшего диаметра конуса снабжена буртиком, расположенным в выполненной для его размещения расточке фланца с возможностью упора торцевой поверхности буртика, обращенной в сторону большего диаметра конуса, в ответную торцевую упорную поверхность расточки. На резьбовом конце болта, выступающем за пределы втулки, установлена гайка, имеющая возможность упора своей торцевой упорной поверхностью в ответную упорную поверхность фланца. Между торцевой упорной поверхностью гайки и обращенной к ней торцевой поверхностью буртика втулки имеется зазор.To achieve the above technical result, a bolted connection of the flanges is proposed, containing the connected flanges with through coaxial cylindrical holes made in them, in which the sleeve is installed. The inner axial bore of the sleeve has a tapered working surface. The bushing is made with longitudinal cuts (slots) starting from the end face of the bushing on the side of the larger diameter of the cone. A bolt is installed in the axial bore of the bushing, the rod of which has a conical working section mated with the conical surface of the axial bore of the bushing. The larger diameter of the tapered section of the bolt rod is made from the side of the bolt head. The end part of the sleeve on the side of the smaller diameter of the cone is equipped with a collar located in the flange bore made for its placement with the possibility of abutting the end surface of the collar facing towards the larger diameter of the cone against the counter end stop surface of the bore. On the threaded end of the bolt, protruding beyond the sleeve, a nut is installed, which has the ability to abut with its end stop surface against the counter stop surface of the flange. There is a gap between the end stop surface of the nut and the end face of the sleeve collar facing it.
В заявляемом изобретении, также как и в прототипе, в сквозных соосных цилиндрических отверстиях, выполненных в соединяемых фланцах, установлена втулка, имеющая внутреннюю коническую рабочую поверхность, которая сопрягается с наружной конической рабочей поверхностью ответной детали (элемента). Выборка радиального зазора в соединении осуществляется при осевом перемещении пары рабочих конических поверхностей относительно друг друга, когда внутренний элемент с наружной конической рабочей поверхностью входит в наружный элемент с внутренней конической рабочей поверхностью, при этом наружный элемент (втулка) имеет возможность разжиматься за счет продольных разрезов. Осевое силовое замыкание соединяемых фланцев осуществляется с помощью болта, упорная поверхность головки которого имеет возможность упора в ответную упорную поверхность одного фланца, а гайка, накрученная на свободный резьбовой конец болта, выступающий за пределы втулки, имеет возможность упора в ответную упорную поверхность другого соединяемого фланца, и при закручивании гайки происходит стягивание и плотное прижатие (силовое замыкание) в осевом направлении соединяемых фланцев. При этом при использовании и прототипа, и заявляемого технического решения обеспечивается технологичность и точность сборки (точность совмещения осей отверстий в соединяемых фланцах) за счет соединения сопрягаемых элементов по коническим поверхностям. Также следует отметить, что при разборке соединений не происходит повреждение обработанных с высокой точностью поверхностей болта, втулки и отверстий фланцев, а следовательно, отсутствует необходимость их замены или повторной обработки отверстий (их растачивания во фланцах), что увеличивает ресурс работы узла.In the claimed invention, as well as in the prototype, in the through coaxial cylindrical holes made in the connecting flanges, a bushing is installed with an inner conical working surface, which mates with the outer conical working surface of the counterpart (element). The sampling of the radial clearance in the joint is carried out with the axial movement of a pair of conical working surfaces relative to each other, when the inner element with the outer conical working surface enters the outer element with the inner conical working surface, while the outer element (sleeve) has the ability to expand due to longitudinal cuts. Axial force locking of the connected flanges is carried out using a bolt, the thrust surface of the head of which has the ability to abut against the counter thrust surface of one flange, and the nut screwed onto the free threaded end of the bolt protruding beyond the sleeve can abut against the counter thrust surface of the other flange to be connected, and when tightening the nut, tightening and tight pressing (force closure) occurs in the axial direction of the flanges to be connected. At the same time, when using both the prototype and the proposed technical solution, manufacturability and accuracy of assembly (accuracy of alignment of the axes of the holes in the connected flanges) is ensured due to the connection of the mating elements along conical surfaces. It should also be noted that when disassembling the joints, the surfaces of the bolt, bushing and flange holes are not damaged with high precision, and therefore there is no need to replace them or reprocess the holes (boring them in the flanges), which increases the unit's service life.
В отличие от прототипа в заявляемом изобретении выполнение болта, установленного в осевом отверстии втулки, стержень которого имеет конический участок, сопряженный с конической поверхностью осевого отверстия втулки, причем больший диаметр конического участка стержня болта выполнен со стороны головки болта, а также выполнение буртика втулки со стороны меньшего диаметра конуса так, как описано выше, по сравнению с прототипом (в котором выполнена конусная пара, состоящая из наружной и внутренней втулки, причем выступающий из наружной втулки конец внутренней втулки выполнен резьбовым для установки на него нажимной гайки, ограничивающей возможность движения внутренней втулки) позволяет упростить конструктивное выполнение болтового соединения фланцев (за счет исключения таких элементов как внутренняя втулка и нажимная гайка, накручиваемая на выступающий участок внутренней втулки с наружной резьбой), при этом также уменьшается осевой габарит соединения (за счет исключения из конструкции нажимной гайки). Указанные факторы позитивно влияют на повышение надежности работы узла и улучшение аэродинамических качеств конструкции в процессе работы машины. Также следует отметить, что выполнение втулки с продольными разрезами увеличивает ее податливость в радиальном направлении и позволяет обеспечить по сравнению с прототипом (в котором втулка выполнена с одним продольным разрезом) более равномерную деформацию втулки при выборке радиального зазора и повысить несущую способность и надежность работы узла. Кроме того, предлагаемое решение позволяет исключить резьбовую пару (нажимная гайка, накрученная на резьбовой конец внутренней втулки), что позволяет повысить жесткость соединения.In contrast to the prototype in the claimed invention, the implementation of the bolt installed in the axial hole of the bushing, the rod of which has a conical section, conjugated with the conical surface of the axial hole of the bushing, and the larger diameter of the tapered section of the bolt rod is made from the side of the bolt head, as well as the implementation of the collar of the bushing from the side a smaller diameter of the cone as described above, in comparison with the prototype (in which a conical pair is made, consisting of an outer and an inner sleeve, and the end of the inner sleeve protruding from the outer sleeve is threaded to install a pressure nut on it, limiting the movement of the inner sleeve) makes it possible to simplify the design of the bolted connection of the flanges (due to the exclusion of such elements as the inner sleeve and the compression nut screwed onto the protruding section of the inner sleeve with an external thread), while the axial dimension of the connection is also reduced (due to the elimination of pressure from the design nut). These factors have a positive effect on improving the reliability of the unit and improving the aerodynamic qualities of the structure during the operation of the machine. It should also be noted that the implementation of the sleeve with longitudinal cuts increases its compliance in the radial direction and makes it possible, in comparison with the prototype (in which the sleeve is made with one longitudinal cut), to provide a more uniform deformation of the sleeve when sampling the radial clearance and to increase the bearing capacity and reliability of the unit. In addition, the proposed solution makes it possible to eliminate the threaded pair (a pressure nut screwed onto the threaded end of the inner sleeve), which makes it possible to increase the rigidity of the connection.
С целью предотвращения возможности ослабления прижима буртика втулки к торцевой поверхности расточки во фланце, вследствие которого возможно смещение втулки вдоль болта при эксплуатации машины (в случае появления возможных неблагоприятных сочетаний факторов, например, повышенной вибрации вала или погрешностей сборки, в частности, создание недостаточного натяга между поверхностями болта, втулки и установочных отверстий во фланцах), в болтовом соединении фланцев в зазоре между торцевой упорной поверхностью гайки и обращенной к ней торцевой поверхностью буртика может быть установлен прижимной элемент, размещенный в упор к торцевой поверхности буртика, при этом между торцевой упорной поверхностью гайки и обращенной к ней торцевой поверхностью прижимного элемента имеется зазор. Наиболее технологичным выполнением прижимного элемента является его выполнение в виде кольца.In order to prevent the possibility of weakening the clamping of the collar of the sleeve to the end surface of the bore in the flange, as a result of which the sleeve may move along the bolt during machine operation (in the event of possible unfavorable combinations of factors, for example, increased shaft vibration or assembly errors, in particular, the creation of insufficient tension between surfaces of the bolt, sleeve and mounting holes in the flanges), in the bolted connection of the flanges in the gap between the end stop surface of the nut and the end face of the collar facing it, a clamping element can be installed, placed in abutment against the end surface of the collar, while between the end stop surface of the nut and the end surface of the clamping element facing it has a gap. The most technologically advanced implementation of the clamping element is its implementation in the form of a ring.
С целью улучшения аэродинамических качеств, повышающих экономичность машины и понижающих температуру узла при работе, в болтовом соединении фланцев головка болта и гайка, накрученная на резьбовом конце болта, могут быть установлены в расточках, выполненных в соединяемых фланцах, таким образом, что головка болта и гайка не выступают за пределы наружных торцевых поверхностей соединяемых фланцев.In order to improve aerodynamic qualities, increase the efficiency of the machine and lower the temperature of the unit during operation, in the bolted connection of the flanges, the bolt head and the nut screwed on the threaded end of the bolt can be installed in the bores made in the connected flanges, so that the bolt head and nut do not protrude beyond the outer end surfaces of the connected flanges.
Результаты расчетных исследований и испытаний опытных образцов предлагаемого соединения, когда разжимная конусная втулка выполнялась с различным количеством и расположением продольных разрезов, показали, что равномерное распределение усилия при затяге обеспечивается при симметричном расположении продольных разрезов, при этом установлено, что достаточная податливость при сборке соединения с одновременным обеспечением прочности в процессе работы при передаче крутящего момента достигается при выполнении во втулке четырех продольных разрезов. Таким образом, в качестве оптимального конструктивного выполнения может быть предложено выполнение болтового соединения фланцев, при котором втулка выполнена с четырьмя симметрично расположенными продольными разрезами.The results of computational studies and tests of prototypes of the proposed joint, when the expanding conical sleeve was performed with a different number and arrangement of longitudinal cuts, showed that a uniform distribution of the tightening force is ensured with a symmetrical arrangement of longitudinal cuts, while it was found that sufficient flexibility when assembling the joint with simultaneous ensuring strength during operation during transmission of torque is achieved when four longitudinal cuts are made in the sleeve. Thus, as an optimal design implementation, it can be proposed to perform a bolted connection of the flanges, in which the sleeve is made with four symmetrically located longitudinal cuts.
Графические материалы содержат пример конкретного выполнения заявляемого беззазорного болтового соединения фланцев, которое может быть использовано, например, при соединении роторов турбоагрегатов и других крупногабаритных машин.The graphic materials contain an example of a specific implementation of the inventive backlash-free bolted connection of flanges, which can be used, for example, when connecting rotors of turbine units and other large-sized machines.
На фиг. 1 представлено изображение беззазорного болтового фланцевого соединения, главный вид, разрез; на фиг. 2 представлено изображение конической разжимной втулки, главный вид, разрез.FIG. 1 shows an image of a backlash-free bolted flange connection, main view, section; in fig. 2 shows an image of a conical expanding sleeve, main view, section.
Предлагаемое изобретение содержит соединяемые фланцы 1 и 2, в которых выполнены сквозные (проходные) цилиндрические отверстия, соответственно 3 и 4. Отверстия 3 и 4 выполнены соосными, имеют одинаковый диаметр, их поверхности обработаны по высокому классу точности (по 9 классу или выше). Соосность отверстий 3 и 4 обеспечивается путем их совместной обработки (райберовки) во фланцах 1 и 2. Как уже было отмечено ранее, фланцы 1 и 2 могут являться как фланцами соединительных полумуфт, установленных на соединяемых валах, так и фланцами, выполненными непосредственно на самих соединяемых валах.The proposed invention contains
В отверстиях 3 и 4 установлена разжимная втулка 5, имеющая осевое отверстие 6. Рабочая наружная поверхность 7 втулки, сопрягаемая с поверхностями отверстий 3 и 4, выполнена цилиндрической (под установку в отверстиях 3, 4, точность обработки поверхности 7 соответствует точности обработки поверхностей отверстий 3, 4). Рабочий призонный (т.е. обработанный по высокому классу точности) участок 8 поверхности внутреннего осевого отверстия 6 втулки 5 выполнен коническим (на фиг. 2 больший диаметр конуса обозначен D, меньший диаметр конуса обозначен d). Поверхность рабочего участка 8 может быть обработана по 9 классу точности или выше.In holes 3 and 4, an expanding
Втулка 5 выполнена с продольными разрезами 9 (фиг. 2), начинающимися от торца втулки со стороны большего диаметра D конического отверстия 6. В представленном примере втулка 5 имеет четыре симметрично расположенных продольных разреза 9. Такое выполнение продольных разрезов обеспечивает равномерность деформации и достаточную податливость втулки при сборке соединения, а также необходимую прочность при передаче крутящего момента в процессе работы. На практике ширина разрезов обычно выполняется минимальной, исходя из технологических возможностей – примерно 2 мм, длина неразрезного участка выбирается с учетом обеспечения прочности неразрезного участка при одновременном обеспечении необходимой податливости разрезной части.The
Во внутреннем осевом отверстии 6 втулки 5 установлен болт 10. Стержень болта выполнен с призонным коническим участком 11, сопрягаемым с рабочим участком 8 осевого отверстия 6 втулки 5. Конический участок 11 болта 10 выполнен сужающимся в направлении от головки 12 болта 10 к его резьбовой части 13. Согласно расчетным методикам, применяемым в турбостроении, длина призонного участка болта обычно составляет двукратную величину диаметра отверстия во фланце (или наружного диаметра втулки). На торце головки 12 болта 10 выполнено резьбовое отверстие 14, используемое при сборке и разборке соединения для обеспечения возможности смещения или извлечения болта 10.A
В представленном примере во фланце 2 выполнена расточка 15 под установку головки 12 болта 10, при этом упорная торцевая поверхность 16 головки болта упирается в торцевую поверхность 17 расточки 15, ограничивая осевое перемещение болта 10. Выполнение расточки 15 для размещения головки 12 болта 10, утопленной в теле фланца 2 (заподлицо с наружной поверхностью фланца), позволяет исключить в конструкции узла элементы, выступающие за пределы наружной поверхности фланца 2, что улучшает аэродинамические характеристики узла в процессе работы.In the example shown, a
По торцу втулки 5 со стороны меньшего диаметра d конуса выполнен буртик 18, под который во фланце 1 выполнена расточка 19. Наружный диаметр буртика 18 больше диаметра отверстия 3, выполненного во фланце 1. Буртик 18 упирается своей торцевой поверхностью 20 (внутренней торцевой поверхностью) в ответную торцевую поверхность 21 расточки 19.Along the end of the
Упор буртика 18 в поверхность 21 обеспечивает технологичность выполнения монтажных-демонтажных работ и ремонтопригодность конструкции. Такое выполнение буртика, а именно, со стороны меньшего диаметра конуса позволяет при разборке соединения ослабить натяг и расцепить болт и втулку в первый момент приложения усилия к болту за счет фиксации и упора буртика, что значительно облегчает извлечение болта 10 из втулки 5, предотвращая повреждение (появление задиров) рабочих поверхностей втулки 7 и отверстий 3 и 4 в соединяемых фланцах, а также обеспечивает фиксацию положения втулки 5 при сборке соединения.The abutment of the
Резьбовой конец 13 болта 10 выступает за пределы торца втулки 5 со стороны буртика 18. На резьбовом конце 13 болта 10 установлена гайка 22. В представленном примере выполнения гайка 22 расположена в расточке 24 фланца 1 с целью исключения элементов, выступающих за пределы наружной поверхности фланца 1 (для улучшения аэродинамических качеств конструкции). Для обеспечения работоспособности соединения торцевая упорная поверхность 25 гайки 22 должна упираться в торцевую упорную поверхность 26 расточки 24 фланца 1 (ответную упорную поверхность фланца), при этом между обращенными друг к другу торцевыми поверхностями гайки и буртика должен быть зазор.The threaded
В представленном примере выполнения фланцевого соединения между поверхностью 25 гайки 22 и поверхностью 27 буртика 18 установлен прижимной элемент, например, как показано на фиг. 1, выполненный в виде кольца 28 и установленный в упор к поверхности 27 буртика 18. Кольцо 28 обеспечивает дополнительную фиксацию положения втулки 5 в осевом направлении с целью дополнительного повышения надежности соединения (в случае появления возможных неблагоприятных сочетаний факторов: повышенной вибрации вала, погрешностей сборки, в том числе, недостаточного натяга между поверхностями болта, втулки и отверстий во фланцах и т.п.), при этом кольцо 28 и торцевая поверхность 25 гайки 22 не должны контактировать между собой (на практике величина зазора S обычно составляет 0,5 – 1 мм). Расточка 24 со стороны наружной поверхности фланца 1 закрыта заглушкой 29, закрепленной к болту винтом 30, ввинченным в резьбовое отверстие в торце резьбового конца болта.In the illustrated example of the flange connection between the
Возможно выполнение соединения, при котором буртик 18 может выступать в осевом направлении за пределы расточки 19. В этом случае в гайке со стороны ее торцевой поверхности, обращенной к втулке, требуется выполнить выборку (расточку), соответствующую выступающей части буртика, но с учетом соблюдения требования наличия зазора между торцевой поверхностью буртика и той торцевой поверхностью гайки, которая расположена напротив торца буртика, так как для обеспечения жесткой фиксации фланцев и работоспособности соединения требуется обеспечить упор торцевой упорной поверхности 25 гайки 22 в ответную упорную торцевую поверхность (в торцевую поверхность расточки либо наружную торцевую поверхность фланца).It is possible to make a connection in which the
Следует отметить, что возможно выполнение, при котором резьбовая часть 13 болта 10 и установленная на ней гайка 22 расположены за пределами наружной поверхности фланца 1, и торцевая поверхность гайки упирается в наружную поверхность фланца 1. Также возможно выполнение, при котором головка 12 болта 10 тоже может быть расположена за пределами наружной поверхности фланца 2 и ее торцевая поверхность упирается в наружную поверхность соответствующего фланца (фланца 2). Кроме того, головка болта и/или резьбовая часть болта с накрученной гайкой могут частично выступать за пределы соответствующих фланцев. Однако, как было отмечено ранее, наличие выступающих элементов несколько снижает аэродинамическое качество конструкции. Поэтому предпочтительным выполнением является такое, при котором и головка болта, и гайка утоплены в теле фланцев.It should be noted that it is possible to perform in which the threaded
В представленном примере наружная и внутренняя поверхности втулки 5 выполнены с рабочими призонными (обработанными по высокому классу точности) участками соответственно f1 и f2, каждый из которых заключен между обниженными нерабочими участками поверхности, которые выполнены с более грубой обработкой поверхности (на фиг.1, 2 отдельными позициями не обозначены), при этом границы призонного рабочего участка f2 внутренней поверхности втулки с каждой из торцевых сторон втулки расположены в осевом направлении ближе к торцам втулки, чем соответствующие границы призонного рабочего участка f1 наружной поверхности. При этом разрезы 9, начинающиеся от торца втулки 5 со стороны большего диаметра D конического отверстия 6, заканчиваются на нерабочем участке внутренней поверхности втулки 5 перед буртиком 18 (т.е. разрезы проходят через призонные участки f1 и f2). Такое выполнение позволяет дополнительно уменьшить жесткость втулки в радиальном направлении, обеспечивая более плотное прилегание наружной цилиндрической поверхности втулки 5 к поверхностям отверстий 3 и 4, выполненных во фланцах 1 и 2, а также позволяет уменьшить усилие, требуемое для деформации втулки в радиальном направлении при распоре коническим болтом, при этом обеспечивается равномерный расчетный контакт по рабочим поверхностям без дополнительной притирки, а также дополнительно облегчается вытяжка болта из втулки при разборке соединения.In the example shown, the outer and inner surfaces of the
Для изготовления отдельных элементов соединения может быть использован, например, материал марки 25Х1МФ, являющийся наиболее распространенным в турбостроении для изготовления крепежных болтов фланцевых соединений.For the manufacture of individual connection elements, one can use, for example, the material of the 25Kh1MF brand, which is the most common in turbine engineering for the manufacture of fastening bolts for flange connections.
Функционирование заявляемого соединения фланцев осуществляется при работе соединенных между собой валов (роторов) машин, например, крупных энергетических турбоагрегатов.The functioning of the claimed connection of the flanges is carried out during the operation of the connected shafts (rotors) of machines, for example, large power turbine units.
Сборка соединения производится следующим образом. В соосные отверстия 3 и 4 во фланцах 1 и 2, подготовленные для соединения фланцев полумуфт, со стороны фланца 1 устанавливают втулку 5 до упора буртика 18 своей торцевой поверхностью 20 в торцевую поверхность 21 расточки 19 во фланце 1. Со стороны фланца 2 в осевое отверстие 6 втулки 5 устанавливают болт 10 до упора головки 12 торцевой поверхностью 16 в торцевую поверхность 17 расточки 15 фланца 2. Втулка и болт соприкасаются по сопрягаемым коническим поверхностям. При втягивании болта 10 во втулку 5 втулка разжимается до соприкосновения с поверхностями отверстий 3 и 4 и создания радиального натяга по сопрягаемым поверхностям болта 10, втулки 5 и отверстий 3, 4 (происходит выборка радиального зазора). На резьбовой конец 13 болта 10 устанавливают гайку 22 и обжимают, например, динамометрическим ключом, до нормируемого усилия, обеспечивая стягивание и жесткую фиксацию соединяемых фланцев. Вследствие гарантированного отсутствия радиальных зазоров по сопрягаемым поверхностям болта 10, втулки 5 и отверстий 3, 4 соединяемые фланцы всегда будут занимать положение, аналогичное их первоначальной центровке при райберовке отверстий. При этом обеспечивается технологичность сборки и высокая точность центровки роторов (валов). Для установки втулки 5 и фиксации ее положения при затяге болта 10 могут быть использованы технологические приспособления, например, съемная упорная втулка, а также определены установочные торцевые зазоры, контроль которых осуществляется при проведении сборки соединения. При сборке конструкции возможно обеспечение компенсации допусков изготовления отдельных элементов соединения путем изменения положения втулки вдоль оси (например, за счет установки шайбы между упорными поверхностями буртика и расточки фланца или за счет уменьшения толщины буртика). Как правило, это производится только один раз при первой сборке соединения, так как в последующем все размеры деталей остаются неизменными.The connection is assembled as follows. In the
При передаче крутящего момента во время эксплуатации машины вследствие плотной радиальной посадки (выборки радиального зазора) в соединениях «болт - втулка - отверстие фланца» все крепежные элементы (болты и втулки), работающие на срез и смятие, начинают воспринимать нагрузку одновременно и равномерно, сохраняя это качество в процессе эксплуатации, вследствие чего минимизируются возможные риски возникновения повышенных напряжений и деформаций в крепежных соединительных элементах и риски их разрушения, обеспечивается стабильный штатный режим работы машины (турбоагрегата), что, в свою очередь, обеспечивает повышение надежности и ресурса работы.When transmitting torque during machine operation, due to the tight radial fit (selection of the radial clearance) in the bolt - bushing - flange hole connections, all fasteners (bolts and bushings) that work for shearing and crushing begin to perceive the load simultaneously and evenly, maintaining this quality during operation, as a result of which the possible risks of the occurrence of increased stresses and deformations in the fastening connecting elements and the risks of their destruction are minimized, a stable normal operation of the machine (turbine unit) is ensured, which, in turn, ensures an increase in reliability and service life.
Разборка соединения производится в обратном порядке, причем, как было отмечено выше, извлечение болта 10 из втулки 5 не требует приложения значительных усилий благодаря выполнению буртика 18 втулки 5 со стороны меньшего диаметра конуса и обеспечению упора буртика в ответную торцевую упорную поверхность. Следует обратить внимание, что экспериментально было установлено, что при отсутствии буртика со стороны меньшего диаметра конуса при извлечении болта из втулки, как правило, болт и втулка не расцепляются, а извлекаются вместе, причем требуется постоянное приложение больших усилий, при этом происходит образование задиров на обработанных с высокой точностью поверхностях отверстий 3 и 4 во фланцах, что обуславливает необходимость повторной высокоточной обработки отверстий после операции разборки, что неприемлемо. При выполнении буртика со стороны меньшего диаметра конуса буртик фиксирует втулку, позволяя (за счет фиксации и упора буртика) ослабить натяг в первый момент приложения усилия к болту при извлечении болта из соединения. Разборка заявляемого соединения значительно облегчается и ускоряется, так как вследствие выборки радиальных зазоров в соединениях «болт - втулка - отверстие фланца» и равномерного распределения усилий по всем болтам во время эксплуатации машины исключается возникновение деформаций в крепежных соединительных элементах.The connection is disassembled in the reverse order, and, as noted above, the removal of the
Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом характеризуется более простым, технологичным и жестким конструктивным выполнением (за счет исключения нажимной гайки, внутренней втулки и резьбового соединения нажимной гайки с втулкой), что позволяет повысить надежность конструкции и несущую способность узла, а также уменьшить осевой габарит соединения. Кроме того, предлагаемое выполнение продольных разрезов обеспечивает более равномерное распределение разжимного усилия втулки при выборке радиального зазора, что также обеспечивает повышение несущей способности и надежности работы узла. Результаты проведенных расчетно-экспериментальных исследований и испытаний опытных образцов подтвердили обеспечение высокой точности центрирования валов (согласно требованиям, предъявляемым к точности соединения роторов машин, в частности турбоагрегатов), высокую технологичность выполнения монтажных работ, обеспечение требуемой несущей способности соединения и надежности работы узла в целом.Thus, the proposed invention in comparison with the prototype is characterized by a simpler, more technological and rigid design (due to the elimination of the compression nut, the inner sleeve and the threaded connection of the compression nut with the sleeve), which makes it possible to increase the reliability of the structure and the bearing capacity of the assembly, as well as reduce the axial connection size. In addition, the proposed implementation of longitudinal cuts provides a more uniform distribution of the expanding force of the sleeve when sampling the radial clearance, which also provides an increase in the bearing capacity and reliability of the unit. The results of the computational and experimental studies and tests of prototypes confirmed the provision of high accuracy of shaft alignment (in accordance with the requirements for the accuracy of connecting the rotors of machines, in particular turbine units), high manufacturability of installation work, ensuring the required bearing capacity of the connection and the reliability of the unit as a whole.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020115189A RU2740147C1 (en) | 2020-04-30 | 2020-04-30 | Boltless gapless connection of flanges |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020115189A RU2740147C1 (en) | 2020-04-30 | 2020-04-30 | Boltless gapless connection of flanges |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2740147C1 true RU2740147C1 (en) | 2021-01-11 |
Family
ID=74183989
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020115189A RU2740147C1 (en) | 2020-04-30 | 2020-04-30 | Boltless gapless connection of flanges |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2740147C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2239731C2 (en) * | 2002-12-06 | 2004-11-10 | Открытое акционерное общество "Силовые машины-ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" | Easily-detachable fastener at radial negative allowance |
| US7037027B2 (en) * | 2003-11-14 | 2006-05-02 | Airbus Deutschland Gmbh | Bolted connection of two components with alignment compensation in three dimensions |
| RU2470195C2 (en) * | 2007-09-18 | 2012-12-20 | Норд-Лок Аг | Connection system, and connection method, namely with all-round force closure |
| RU2519996C1 (en) * | 2013-01-09 | 2014-06-20 | Открытое Акционерное Общество "Силовые Машины - Зтл, Лмз, Электросила, Энергомашэкспорт" (Оао "Силовые Машины") | Knockout gapless attachment of flanges |
| US9273712B2 (en) * | 2013-08-09 | 2016-03-01 | Wittenstein Ag | Fastening system with eccentric |
-
2020
- 2020-04-30 RU RU2020115189A patent/RU2740147C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2239731C2 (en) * | 2002-12-06 | 2004-11-10 | Открытое акционерное общество "Силовые машины-ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" | Easily-detachable fastener at radial negative allowance |
| US7037027B2 (en) * | 2003-11-14 | 2006-05-02 | Airbus Deutschland Gmbh | Bolted connection of two components with alignment compensation in three dimensions |
| RU2470195C2 (en) * | 2007-09-18 | 2012-12-20 | Норд-Лок Аг | Connection system, and connection method, namely with all-round force closure |
| RU2519996C1 (en) * | 2013-01-09 | 2014-06-20 | Открытое Акционерное Общество "Силовые Машины - Зтл, Лмз, Электросила, Энергомашэкспорт" (Оао "Силовые Машины") | Knockout gapless attachment of flanges |
| US9273712B2 (en) * | 2013-08-09 | 2016-03-01 | Wittenstein Ag | Fastening system with eccentric |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1761708B1 (en) | Device and method for detachably connecting an impeller to a shaft | |
| US6641326B2 (en) | Removable stud for joining casing flanges | |
| DE60129648T2 (en) | Turbocharger shaft with centering connections | |
| US8834103B2 (en) | Structure for mounting between rotation shaft and lever, method for mounting between rotation shaft and lever, and fluid machine | |
| CN101903669B (en) | Device for frictionally coupling two coaxial components | |
| CA2763186C (en) | Methods and apparatus for mechanically joining metal components and composite components | |
| CN101903668A (en) | Device for a friction coupling of two coaxial components | |
| US11389909B2 (en) | Method and tool for reconditioning a damaged thread | |
| DE112013003905B4 (en) | Method of joining rotors | |
| EP1207272A2 (en) | Replaceable variable stator vane for gas turbines | |
| EP3770407B1 (en) | Engine mount seal for gas turbine | |
| RU2740147C1 (en) | Boltless gapless connection of flanges | |
| US8210809B2 (en) | System for connecting two substantially tubular members, a case comprising such a system and use thereof | |
| RU2519996C1 (en) | Knockout gapless attachment of flanges | |
| US7309187B2 (en) | Releasable keyless bushing assembly | |
| WO1988002074A1 (en) | Bolted coupling | |
| GB2181511A (en) | Expansion bolt for bolted couplings | |
| RU193673U1 (en) | Backlash-free flange mounting | |
| EP3770069A1 (en) | System and method for gas turbine engine mount with seal | |
| RU2087290C1 (en) | Method for joining shafts through flange semicouplings with connecting bolts | |
| CN112196868A (en) | Assembly bolt connecting structure | |
| RU2239731C2 (en) | Easily-detachable fastener at radial negative allowance | |
| CN209793604U (en) | Bush removing tool | |
| RU117843U1 (en) | DEVICE FOR PRECISION CENTERING OF SHAFT | |
| RU218621U1 (en) | Flange connection unit of the ship's shafting |