Метод розрахунку фланцевих з’єднань апаратів високого тиску

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МЕТОД РОЗРАХУНКУ ФЛАНЦЕВИХ З'ЄДНАНЬ АПАРАТІВ ВИСОКОГО ТИСКУ

Спеціальність: Машинознавство

Ярова Інна Анатоліївна

ОДЕСА, 2003 РІК

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Забезпечення щільності відповідальних фланцевих з'єднань здійснюється установленням в них декількох деформівних металевих кілець. Висока навантаженість таких з'єднань приводить до ушкоджень шпильок і шпилькових гнізд, в яких визначальну роль відіграють напруження від перевантаження.

Актуальність роботи обумовлена необхідністю удосконалювання методів розрахунку фланцевих з'єднань особливо відповідального устаткування, яке застосовується в таких традиційно екологічно несприятливих галузях виробництва України, як енергетика, гірничодобувна, нафтогазова і хімічна промисловість.

Традиційні методи розрахунку такого устаткування базуються на спрощених розрахункових схемах, які не враховують нерівномірності розподілу навантажень у з'єднанні в обводовому і радіальному напрямках. Такий підхід призводить до зниження точності розрахунків, невиправданого перевантаження одних елементів з'єднання та недовантаження інших, завищення навантажень, збільшення матеріалоємності.

Необхідною є розробка точних методів розрахунку фланцевих з'єднань апаратів високого тиску, що базуються на урахуванні області і характеру прикладання навантажень в залежності від числа і схеми розміщення ущільнювальних і кріпильних елементів.

Це дозволить більш обґрунтовано призначати зусилля затягування в конструкціях, оптимізувати конструкції фланцевих з'єднань апаратів високого тиску, збільшити надійність та термін служби устаткування високого тиску.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках тематичних планів НДР кафедри Нафтогазового та хімічного машинобудування Одеського національного політехнічного університету на базі теми №209-24 “Розробка основних принципів та моделей для схемо-технічного проектування об'єктів машинобудування” (номер державної реєстрації 0195U012359).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності і безпеки роботи устаткування високого тиску шляхом аналізу та розробки пропозицій з його розрахунку.

Об'єктом проведеного дослідження є процес деформування елементів фланцевих з'єднань апаратів високого тиску.

Предмет дослідження - фланцеві з'єднання апаратів високого тиску з неконтактуючими фланцями та багатоконтурним ущільненням.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені наступні задачі:

- проведено огляд і аналіз існуючих конструкцій фланцевих з'єднань, їхніх класифікацій, методів розрахунку, характерних ушкоджень і відмов, обрано об'єкт дослідження і доведена необхідність такого дослідження;

- запропоновано класифікацію фланцевих з'єднань за кількістю смуг контакту на ущільнювальних поверхнях, розроблено систему класифікації і кодування фланцевих з'єднань;

- створено метод розрахунку, розрахункові схеми для визначення деформацій елементів фланцевих з'єднань апаратів високого тиску з багатоконтурним ущільненням як механічних систем з вісесиметричним і циклічно симетричним в обводовому напрямку розподілом контактних напружень;

- проведено математичне моделювання процесу деформування фланцевих з'єднань апаратів високого тиску з багатоконтурним ущільненням при вісесиметричному і циклічно симетричному в обводовому напрямку розподілах навантаження;

- виконано експериментальне дослідження відповідності розроблених математичних моделей реальним процесам деформування фланцевих з'єднань апаратів високого тиску.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертації одержала подальший розвиток концепція, заснована на ідеї застосування контактної задачі для розрахунку фланцевих з'єднань апаратів високого тиску, викладена в роботах І.А. Біргера і Г.Б. Іосилевича.

У роботі вперше проведене дослідження процесу деформування елементів фланцевих з'єднань апаратів високого тиску з плоскими кришками та багатоконтурним ущільненням у вигляді деформівних металевих кілець при вісесиметричному, а також при циклічно симетричному в обводовому напрямку розподілах поперечного навантаження.

Вперше сформульована вісесиметрична контактна задача для фланцевого з'єднання апарату високого тиску з багатоконтурним ущільненням як механічної системи з невідомим розподілом контактних зусиль між контурами ущільнення.

Одержано загальне розв'язання задачі, яка зведена до інтегрального рівняння з використанням функції Гріна в якості функції впливу.

Вперше сформульована циклічно симетрична в обводовому напрямку контактна задача для фланцевого з'єднання апарату високого тиску з багатоконтурним ущільненням як механічної системи з дискретним розподілом навантаження і невідомим розподілом контактних напружень між контурами ущільнення. Одержано загальне розв'язання задачі.

Двовимірне диференційне рівняння згину круглої пластинки, якою є плоска кришка, за допомогою косинус-перетворення Фур'є зведено до звичайних диференційних рівнянь четвертого порядку щодо трансформант прогинів. З використанням відповідних функцій Гріна диференційні рівняння переведено в інтегральні. Одержані трансформанти є складовими загального розв'язання контактної задачі.

У роботі вперше проведено систематизацію існуючих класифікаційних ознак фланцевих з'єднань.

На її основі запропонована класифікація фланцевих з'єднань з неконтактуючими фланцями, класифікаційною ознакою в якій є кількість смуг контакту на ущільнювальних поверхнях, а також розроблена система класифікації і кодування фланцевих з'єднань.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційної роботи у вигляді дослідного зразка розрахункової системи для фланцевих з'єднань апаратів високого тиску впроваджені на ВАТ “Пресмаш” і АТ “Кислородмаш”, м. Одеса.

За результатами впровадження зроблено висновок про доцільність автоматизування розрахунків на міцність і на герметичність фланцевих з'єднань апаратів високого тиску з плоскими кришками та двома кільцевими металевими прокладками, а також про можливість зниження металомісткості з'єднань шляхом зменшення на величину до 20% товщини плоских кришок.

Створена система класифікації і кодування фланцевих з'єднань. Класифікаційний код фланцевого з'єднання, що вона формує, формалізує аналіз, проектування і виготовлення з'єднань з можливістю автоматизації цих процесів.

Матеріали дисертації впроваджені в навчальний процес кафедри Охорони праці і безпеки життєдіяльності Одеського національного політехнічного університету в курсах “Використання ЕОМ в інженерній практиці” і “Обчислювальна техніка і основи програмування”.

Особистий внесок здобувача.

У дисертації використані наукові розробки, викладені в статтях, опублікованих у співавторстві з доц. Баланом С.О. і доц. Хомяком Ю.М., спільно з яким одержані математичні вирази для функцій Гріна для диференційних рівнянь, що визначають трансформанти прогинів кругових пластин при невісесиметричному навантаженні.

Здобувачем виконані теоретичні і експериментальні дослідження напружено-деформованого стану фланцевих з'єднань апаратів високого тиску із плоскими кришками для різних умов навантаження.

Особисто здобувачем виконані наступні роботи:

- сформульовано вісесиметричну контактну задачу для фланцевого з'єднання апарату високого тиску з багатоконтурним ущільненням, розроблено загальний метод її розв'язання;

- сформульовано циклічно симетричну в обводовому напрямку контактну задачу для фланцевого з'єднання апарату високого тиску з багатоконтурним ущільненням, розроблено загальний метод її розв'язання;

- розроблено математичну модель процесу деформування фланцевого з'єднання апарату високого тиску з двоконтурним ущільненням як механічної системи з вісесиметричним розподілом поперечного навантаження;

- створено програмне забезпечення для розрахунку фланцевого з'єднання апарату високого тиску з двоконтурним ущільненням як механічної системи з вісесиметричним розподілом поперечного навантаження;

- розроблено математичну модель процесу деформування круглої пластинки під дією циклічно симетричного в обводовому напрямку навантаження;

- проведено експериментальне дослідження процесу деформування круглої пластинки під дією циклічно симетричного в обводовому напрямку навантаження з трьома циклами симетрії і його оцінка за допомогою запропонованого математичного апарату;

- виконано систематизацію класифікаційних ознак фланцевих з'єднань;

- запропоновано класифікацію фланцевих з'єднань, в якій класифікаційною ознакою є кількість смуг контакту на ущільнювальних поверхнях;

- запропоновано систему класифікації і кодування фланцевих з'єднань.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації докладені й обговорені на міжнародних науково-технічних конференціях: “Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві” (Харків, 2000, 2001 р.), “Науково-технічні проблеми верстатобудування, виробництва технологічного оснащення й інструмента” (Одеса, 2002 р.), на II, III V, VII, VIII семінарах “Моделювання в прикладних наукових дослідженнях” (Одеса, 1995, 1996, 1998, 2000, 2001 р.). Дисертаційна робота в цілому розглянута і схвалена на міжкафедральному науковому семінарі Інституту машинобудування Одеського національного політехнічного університету (Одеса, 2003 р.).

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи викладені в 9 публікаціях, із котрих 3 публікації - статті, видані в фахових виданнях, 6 публікацій - тези доповідей, видані в матеріалах міжнародних науково-технічних конференцій та семінарів.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складена з вступу, п'ятьох розділів, загальних висновків, списку літератури з 126 найменувань і п'ятьох додатків. Робота викладена на 178 сторінках машинописного тексту, з котрих 29 сторінок займають додатки, містить 43 малюнка і 2 таблиці.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ дисертації обґрунтована актуальність проблеми подальшого удосконалення методів розрахунку фланцевих з'єднань апаратів високого тиску, відзначена важливість розробки методів розрахунку, які дозволяють одержати точні розв'язання для таких з'єднань. Сформульована мета, наукова новизна і практичне значення дослідження.

В ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ дисертації проведено огляд і аналіз класифікацій фланцевих з'єднань, розглянуті основні методи розрахунку фланцевих з'єднань, виконані огляд і аналіз характерних ушкоджень і відмовлень фланцевих з'єднань апаратів високого тиску, які описані у сучасній технічній літературі.

Виявлено однобічний підхід, властивий класифікуванню фланцевих з'єднань, викликаний тим, що всі пропоновані класифікації ґрунтуються на якій-небудь одній класифікаційній ознаці. Як наслідок, з'єднання може характеризуватися комбінаціями класифікаційних ознак, зовсім не пов'язаних одна з одною. Показана відсутність у машинознавстві єдиної ієрархічної класифікації фланцевих з'єднань, яка дозволяє виконати повний і однозначний опис з'єднання. Показана відсутність класифікації фланцевих з'єднань, яка враховує багатоконтурність ущільнення. Показано існування в рамках розрахунку фланцевих з'єднань ряду не пов'язаних між собою частинних задач, розрахункові схеми яких ґрунтуються на допущеннях і спрощеннях, розглядаючи окремі елементи з'єднання без урахування умов взаємодії, знехтуючи контактними піддатливістями елементів та нерівномірністю розподілу контактних зусиль в радіальному і обводовому напрямках. Нормативні методи розрахунку розглядають окремі елементи з'єднання без урахування умов взаємодії, знехтуючи обмеженнями по взаємних переміщеннях і контактними піддатливістями елементів. Нормативна розрахункова схема забезпечення щільності стику припускає рівномірний розподіл контактних тисків по поверхні фланця. У цих умовах кришка апарату високого тиску розглядається як абсолютно тверда суцільна плита або балка. У такій постановці задачі ігноруються деформації вигину фланця і кришки, у розрахунку враховуються лише деформації кріпильних елементів, а деформації ущільнень вважаються рівномірними.

Зміна зусилля затягування шпильок для різних режимів також визначається без урахування деформацій усієї конструкції, що не дозволяє обґрунтовано розрахувати величину попереднього затягування кріпильних елементів. Така розрахункова схема може бути застосовувана тільки як перше наближення, або для жорстких фланців.

Відзначено, що у процесі складання й експлуатації в фланцевих з'єднаннях виникають наступні пошкодження і дефекти: тріщини й обриви кріпильних елементів (болтів і шпильок), розтріскування різьбових гнізд фланців, утрата щільності (розкриття) стику. Показано, що однією з основних причин ушкоджень і відмовлень фланцевих з'єднань є невідповідність методів розрахунку реальним конструкціям з'єднань.

У ДРУГОМУ РОЗДІЛІ дисертації виконана систематизація класифікаційних ознак фланцевих з'єднань. Запропоновано класифікацію фланцевих з'єднань, класифікаційною ознакою в якій є число смуг контакту на ущільнювальних поверхнях з'єднання. Розроблено систему класифікації і кодування фланцевих з'єднань, наведено метод створення класифікаційного коду фланцевого з'єднання.

Усі класифікації, пропоновані в літературі, передбачають розрахунок і конструювання фланцевих з'єднань з одним ущільнювальним елементом. Для випадку установлення декількох прокладок виконується розрахунок з'єднання з однією прокладкою сумарної ширини, що суттєво знижує точність розрахунків. Класифікація фланцевих з'єднань за кількістю смуг контакту на ущільнювальних поверхнях дозволяє поставити проблему розрахунку таких з'єднань.

З'єднання розподілено на наступні групи: з'єднання з однією смугою контакту, з'єднання з двома і більш незалежними смугами контакту, з'єднання з множиною смуг контакту. Запропонована класифікація є основою для розробки методів розрахунку фланцевих з'єднань з багатоконтурним ущільненням, яки дозволяють визначити величину і характер силових взаємодій кожного ущільнювального елемента окремо.

Класифікаційні ознаки, що характеризують фланцеві з'єднання, об'єднані в наступні три групи: конструктивні ознаки елементів з'єднання, силові особливості навантаження і роботи з'єднання, ознаки ущільнення.

На цієї основі створена система класифікації і кодування фланцевих з'єднань.

Метод побудови системи класифікації і кодування фланцевих з'єднань заснований на дедуктивному поділі множини, що класифікується, на підмножини по підпорядкованих та співпорядкованих ознаках - ієрархічний метод класифікації.

Цім досягається конкретизація ознак фланцевого з'єднання на кожній ступіні класифікаційного поділу, що забезпечує створення чіткого розпізнавального образу для тематичного пошуку з'єднання. Структура класифікаційного коду фланцевого з'єднання забезпечує обробку інформації на різних рівнях проектування, виробництва та експлуатації.

Система класифікації і кодування фланцевих з'єднань дозволяє підвищити ефективність проектування фланцевих з'єднань, створюючи передумови для розв'язання наступних задач: аналіз номенклатури фланцевих з'єднань за конструктивними та експлуатаційними характеристиками, групування фланцевих з'єднань за конструктивними ознаками для розробки типових методик проектних розрахунків, автоматизація проектування, уніфікація і стандартизація фланцевих з'єднань.

У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ дисертації розглянута контактна задача для фланцевого з'єднання апарату високого тиску із плоскою кришкою і багатоконтурним ущільненням як механічної системи з вісесиметричним розподілом поперечного навантаження. Викладено загальний метод одержання точного розв'язання контактної задачі про фланцеве з'єднання із довільною кількістю смуг контакту на ущільнювальних поверхнях.

Докладно розглянута контактна задача для фланцевого з'єднання апарату високого тиску з двоконтурним ущільненням, розроблена математична модель та програмне забезпечення розрахунку такого з'єднання. Виконано математичне моделювання напружено-деформованого стану фланцевого з'єднання колектора теплоносія першого контуру парогенератора ПГВ-440, який має двоконтурне ущільнення.

Для створення розрахункової схеми фланцевого з'єднання апарату високого тиску з багатоконтурним ущільненням плоска кришка розглядається як суцільна кругла пластинка, що лежить на n кільцевих опорах - ущільнювальних елементах з'єднання. Навантаження, прикладене до пластинки, складається з таких компонентів: з боку кріпильних елементів - осьове зусилля QЗ, що рівномірно розподілене вздовж кола осей шпильок у випадку їх досить великої кількості з боку ущільнювальних елементів - реакції Ri, що рівномірно розподілені по концентричних до контуру пластинки колах. У робочих умовах до навантажень додається робочий тиск p, рівномірно розподілений по площі кругу, радіус якого дорівнює радіусу внутрішнього ущільнювального елемента.

Оскільки передбачається, що поперечне навантаження на пластинку в обводовому напрямку є розподіленим рівномірно, задача є вісесиметричною.

Вісесиметричні прогини круглої пластинки під дією рівномірно розподіленого поперечного навантаження описуються диференціальним рівнянням четвертого порядку. Розв'язання задачі вісесиметричного вигину круглої пластинки, що лежить на n кільцевих опорах, у разі відносних значень усіх параметрів:

Де:

D - циліндрична жорсткість пластинки.

Функцію впливу для вісесиметричної контактної задачі обрано у формі симетричної функції Гріна для бігармонічного оператора Лапласа:

Представлення розв'язку задачі вигину пластинки у вигляді (1) з використанням функції впливу (2) придатне для будь-якого вісесиметричного навантаження, тому що функція поперечного навантаження вміщує всі зусилля, що діють на пластинку. Для випадку, коли в з'єднанні встановлено один ущільнювальний елемент (n = 1) задача є статично визначеною. Існування n ущільнювальних елементів, а отже, n реакцій від них, робить задачу статично невизначеною. Для розв'язання статичної невизначеності до системи, що складена з рівняння прогинів пластинки (1), рівняння рівноваги пластинки та граничних умов необхідно додати n рівнянь спільності деформацій пластинки і опор. Фізичний зміст цих рівнянь полягає в тому, що величина прогину кришки на радіусі, рівному радіусу ущільнювального елементу, дорівнює обтисненню ущільнювального елемента.

В роботі розглянута контактна задача для вісесиметрично навантаженого фланцевого з'єднання апарату високого тиску з плоскою кришкою та двоконтурним ущільненням. Для випадку установки в з'єднанні ущільнення у вигляді двох деформівних металевих кілець загальне розв'язання задачі вісесиметричного вигину круглої пластинки (1) остаточно буде виглядати наступним чином:

В роботі виконане математичне моделювання напружено-деформованого стану фланцевого з'єднання теплоносія першого контуру парогенератора ПГВ-440 з двоконтурним ущільненням при змінюванні товщини кришки від номінальної 200 мм. до 100 мм., зусилля затягування обрано в діапазоні 2000-6000 Н/мм, робочий тиск в апараті 7,8 МПа. За результатами математичного моделювання запропоноване зниження жорсткості кришки фланцевого з'єднання колектора теплоносія шляхом зменшення її товщини на величину до 20 відсотків.

У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ дисертації розглянута контактна задача для фланцевого з'єднання апарату високого тиску з багатоконтурним ущільненням для випадку циклічно симетричного в обводовому напрямку розподілу поперечного навантаження.

Розроблено розрахункову схему фланцевого з'єднання апарату високого тиску із плоскою кришкою і довільною кількістю кільцевих деформівних металевих ущільнень для циклічно симетричного в обводовому напрямку навантаження. Розроблено загальний метод одержання точного розв'язання задачі.

Основною причиною нерівномірності розподілу навантажень у з'єднанні при відсутності зовнішніх згинальних моментів є дискретність прикладення зусиль затягування кріпильних елементів.

В результаті виникає циклічність навантаження елементів з'єднання, які являють собою кільцеві або круглі пластинки - фланців і кришок затворних вузлів.

Як наслідок, напружено-деформований стан навантаженого з'єднання має циклічний в обводовому напрямку характер.

Характер та область прикладення навантажень у з'єднанні визначаються розташуванням і кількістю кріпильних та ущільнювальних елементів. Плоска кришка апарату високого тиску розглянута як суцільна кругла пластинка, що лежить на n кільцевих опорах.

Поперечне навантаження, при якому обводова координата, складається із зосереджених осьових зусиль F з боку k кріпильних елементів, точково прикладених по колу осей шпильок під кутом радіан між двома сусідніми шпильками, реакцій ущільнювальних елементів - циклічно симетрично розподілених по концентричних колах (n - кількість ущільнювальних елементів у з'єднанні) і внутрішнього тиску p, рівномірно розподіленого по площі кругу з радіусом внутрішнього ущільнювального елементу. Оскільки навантаження на пластинку містить у собі рівні зосереджені сили, розташовані з рівним кроком на колі осей шпильок, поставлена задача є циклічно симетричною в обводовому напрямку.

Кількість циклів навантаження дорівнює числу кріпильних елементів у з'єднанні.

Прогини пластинки під дією циклічно симетричного в обводовому напрямку поперечного навантаження описані диференційним рівнянням у частинних похідних четвертого порядку.

Розв'язок задачі - вираз для прогинів пластинки - розшукуються у вигляді ряду Фур'є по косинусах:

Після застосування перетворення Фур'є до виразу (4), залишаючи нульову та k-ту гармоніки ряду, одержано остаточний розв'язок контактної задачі у вигляді рівняння для безрозмірної радіальної координати, що складено з одномірних вісесиметричної і циклічної компонент:

В якості функцій впливу крайової задачі обрані функції Гріна для відповідних диференційних операторів - вісесиметричної (2) та k-тої гармонік:

В формулі (5) вісесиметрична компонента має вигляд (1), а циклічна компонента має подібний до неї вигляд:

Остаточно компоненти виразу для прогинів круглої пластинки (5):

- циклічна компонента рівняння прогинів круглої пластинки:

Де:

і - відповідно середнє і амплітудне значення прогинів круглої пластинки.

Остаточно контактна задача для фланцевого з'єднання, що навантажене циклічно симетрично в обводовому напрямку, зведена до системи, що складена з рівняння прогинів круглої пластинки, рівняння рівноваги круглої пластинки, рівнянь спільності деформацій пластинки й основ та граничних умов.

За викладеною схемою розв'язання контактної задачі для фланцевого з'єднання може бути одержано при будь-якому заданому навантаженні, незалежно від характеру й області його прикладення при довільній кількості ущільнювальних та кріпильних елементів затворного вузла і для довільних граничних умов.

П'ЯТИЙ РОЗДІЛ дисертації присвячений експериментальному дослідженню процесу деформування круглої пластинки під дією циклічно симетричного в обводовому напрямку поперечного навантаження. Виконано вибір і опис конструкції експериментальної установки, режим її роботи та вимірювані параметри. Проведено математичне моделювання та експериментальне дослідження процесу деформування круглої пластинки під дією поперечного навантаження з трьома циклами симетрії. Виконані порівняння та оцінка результатів.

Експериментальна установка, призначена для дослідження процесу деформування круглої пластинки, являє собою конструкцію, що моделює умови роботи плоскої кришки фланцевого з'єднання апарату високого тиску. Конструкція обладнана устаткуванням, що забезпечує її функціонування і вимірювання необхідних величин: температури та зміни лінійних розмірів конструктивних елементів. Вибір конструкції, що моделює умови роботи плоскої кришки фланцевого з'єднання апарату високого тиску, обґрунтований характером навантажень, що виникають при взаємодії круглої пластинки з трубними елементами моделі - штангами і навантажувачем. У такій конструкції кругла пластинка моделює плоску кришку апарату високого тиску. Навантаження, що прикладене до пластинок, виникає як наслідок деформування трубних елементів конструкції під дією термічної сили, еквівалентної повному зусиллю затягування з'єднання, яка виникає при нагріванні навантажувача. Навантаження від навантажувача приймається рівномірно розподіленим по колу, радіус якого дорівнює середньому радіусу стінки навантажувача. З огляду на характер розподілу навантаження, що виникає при взаємодії навантажувача із круглою пластинкою, уявляється припустимим говорити про моделювання навантажувачем кільцевої металевої прокладки, установлюваної в фланцевому з'єднанні апарату високого тиску. Штанги моделюють кріпильні елементи з'єднання.

При взаємодії штанг і круглої пластинки виникають зосереджені зусилля F, які розташовані на колі штанг під кутом радіан відносно одна до одної. Описані зосереджені зусилля відповідають зусиллям затягування кріпильних елементів.

Навантаження, яке прикладене до пластинки під час проведення експерименту, складається з двох компонентів. З боку навантажувача установки на пластинку діє рівномірно розподілене по колу зусилля Q. З боку штанг, що моделюють кріпильні елементи, на пластинку діють зосереджені зусилля F, точково прикладені по колу осей штанг.

Оскільки навантаження, яке прикладене до пластинки, містить у собі зосереджені сили, розташовані з рівним кроком на колі осей штанг, одержана задача є циклічно симетричною, з кількістю циклів, рівною кількості штанг, що моделюють кріпильні елементи. Як наслідок, напружено-деформований стан пластинки має циклічно симетричний в обводовому напрямку характер з трьома циклами симетрії. Розгортки прогинів круглої пластинки під дією прикладеного навантаження являють собою трьох хвильні графіки для обводової координати, що змінюється від 0 до 360. Для побудови розгорток розраховані прогини круглої пластинки для безрозмірного радіуса у діапазоні від 0 до 1 із кроком 0,1. Радіальні перерізи круглої пластинки обрані для сектора вигнутої круглої пластинки з обводовою координатою у діапазоні від 0 до 60 із кроком 10. Таким чином, показані перерізи пластинки, починаючи від перерізу з максимальним прогином, у якому прикладена зосереджена сила F, так називаного обпертого краю, до перерізу з мінімальним прогином, рівновіддаленого від двох сусідніх точок прикладення зосереджених сил, так називаного вільного краю пластинки. устаткування тиск фланцевий

Порівняння розрахованих і експериментальних залежностей прогину вільного краю і центра круглої пластинки від прикладеного навантаження, а також їхній графічний аналіз, показують високу точність опису експериментальних даних розрахунковою залежністю. Погрішність опису експериментальних прогинів вільного краю і центра круглої пластинки розрахунковою залежністю складає в середньому 10 відсотків та 7 відсотків відповідно. Порівняння розрахункових значень прогинів круглої пластинки, одержаних за нормативним та запропонованим методами показує підвищення точності розрахунків на величину до 45 відсотків. Таким чином, проведені експериментальні дослідження процесу деформування круглої пластинки під дією циклічно симетричного в обводовому напрямку навантаження дозволяють зробити наступний висновок: при перенесенні даних, отриманих на експериментальній конструкції, що моделює умови роботи плоскої кришки апарату високого тиску, на реальні фланцеві з'єднання апаратів високого тиску, є можливим застосовування розробленого методу розрахунку фланцевих з'єднань апаратів високого тиску.

ВИСНОВКИ

У результаті проведених досліджень фланцевих з'єднань апаратів високого тиску, напрямлених на підвищення ефективності та безпеки роботи устаткування високого тиску, виявлено ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі проблема може вважатися вирішеною, а отримані результати можуть мати практичне застосування:

1. За результатами аналізу наукової і технічної літератури встановлено, що використовувані в даний час нормативні методи розрахунку передбачають установлення в фланцевому з'єднанні одного ущільнювального елемента, розглядають окремі елементи з'єднання без урахування умов взаємодії, нехтуючи обмеженнями по взаємних переміщеннях і контактними піддатливостями елементів, тобто не відповідають реальним конструкціям, спрощують і схематизують розрахунок, знижуючи його точність і відповідність реальним умовам навантаження;

2. Запропоновано і розроблено новий метод розв'язання контактних задач для фланцевих з'єднань апаратів високого тиску, який дозволяє одержати точне розв'язання задачі для випадків вісесиметричного та циклічно симетричного в обводовому напрямку розподілів поперечного навантаження. Використання у якості функцій впливу нульової та k-тої функцій Гріна, де k - кількість циклів симетрії, дозволяє одержати точне розв'язання незалежно від характеру і області прикладення навантажень, при довільних крайових умовах. Внаслідок урахування кількості і схеми розташування ущільнювальних та кріпильних елементів точність розрахунків підвищується на 40-45 відсотків;

3. Розроблено математичну модель процесу деформування фланцевого з'єднання апарату високого тиску з плоскою кришкою і двоконтурним ущільненням для випадку вісесиметричного розподілу навантаження. Параметри моделі дозволяють визначити зусилля в з'єднанні та деформації плоских кришок вузла;

4. За результатами математичного моделювання процесу навантаження фланцевого з'єднання апарату високого тиску з плоскою кришкою і двоконтурним ущільненням ПГВ-440 встановлені залежності реакцій ущільнювальних елементів від товщини кришки. Установлено: при зниженні товщини кришки на 10 відсотків реакція внутрішнього ущільнювального елементу знижується, а реакція зовнішнього ущільнювального елементу зростає на 2,0 і 1,5 відсотків відповідно, при зниженні товщини кришки на 20 відсотків реакція внутрішнього ущільнювального елементу знижується, а реакція зовнішнього ущільнювального елементу зростає на 4,5 і 3,5 відсотків відповідно, при зниженні товщини кришки на 30 відсотків реакція внутрішнього ущільнювального елементу знижується, а реакція зовнішнього ущільнювального елементу зростає на 8,0 і 6,5 відсотків відповідно;

5. За результатами математичного моделювання процесу навантаження фланцевого з'єднання апарату високого тиску з плоскою кришкою і двоконтурним ущільненням встановлені залежності прогинів плоских кришок від їх товщини. Запропоноване зниження металомісткості з'єднань шляхом зменшення товщини кришки на величину до 20 відсотків;

6. Проведено математичне моделювання та експериментальне дослідження процесу деформування круглої пластинки під дією циклічно симетричного в обводовому напрямку поперечного навантаження з трьома циклами симетрії. Співставлення розрахункових і експериментальних результатів дослідження показує високу точність опису прогинів круглої пластинки розробленою математичною моделлю. Похибка опису для різних точок пластинки не перевищила 7-10 відсотків;

7. Розроблено класифікацію фланцевих з'єднань, для якої класифікаційною ознакою є число смуг контакту на ущільнювальних поверхнях, що дозволяє групувати з'єднання в залежності від кількості та конструкції ущільнювальних елементів;

8. Розроблено систему класифікації і кодування фланцевих з'єднань, створено класифікаційний код фланцевого з'єднання. Використання системи класифікації і кодування дозволяє створити однозначні розпізнавальні образи фланцевих з'єднань, уніфікувати та автоматизувати їх проектування та виробництво;

9. Розроблено програмне забезпечення розрахунку фланцевих з'єднань апаратів високого тиску з плоскою кришкою і двоконтурним ущільненням з вісесиметричним розподілом поперечного навантаження, що дозволяє автоматизувати розрахунки на міцність та формулювати рекомендації по проектуванню з'єднань.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

1. Хомяк Ю.М., Ширманова И.А. Общая схема расчета соединений со статически неопределимыми неконтактирующими фланцами // Труды ОПУ. - Одесса. - 1997. - Вып. 1 (5). - С. 56-59.

2. Балан С.А., Яровая И.А. Расчет затворов аппаратов с циклической неравномерностью нагружения // Вісник інженерної академії України. - 2000. - Спец. вип. - С. 602-605.

3. Балан С.А., Яровая И.А. Расчет затворов аппаратов высокого давления с учетом цикличности нагружения // Вісник інженерної академії України. - 2001. - №3, Ч. 2. - С. 110-113.

4. Яровая И.А. Экспериментальное исследование процесса деформирования затворов аппаратов высокого давления // Научно-технические проблемы станкостроения, производства технологической оснастки и инструмента: Материалы междунар. науч. техн. конф. - Киев: АТМ Украины. - 2002. - С. 133-135.

Размещено на Allbest.ru