Výpočty přírubového spoje

Prezentace na téma: "Výpočty přírubového spoje"— Transkript prezentace:

1 Výpočty přírubového spoje
J.Lukavský, ČVUT Praha

2 Pevnostní výpočty dle norem:
ASME – Code: z elastického stavu listy příruby jako mezikruhová deska krk a plášť jako válcová skořepina

3 ASME – Code výpočet: deformace a natočení krku se přepočítávají korekčním součinitelem cK na kužel , kde max.napětí leží na libovolném místě krku a proto je nutno použít podobný součinitel f , který je funkcí obou parametrů jako u cK a pomocí grafů zkontrolovat potřebné rozměry příruby

4 Výpočet dle ČSN nebo DIN:
výpočet se provádí z elastoplastického stavu (obr.) s tím, že v místě maximálního napětí (v krku) vznikne plastický kloub; tím není ale vyčerpána únosnost příruby – mezní stav nastane teprve tehdy, když do plastického stavu přejde celá část příruby pod plastickým kloubem

5 Představa o plastickém kloubu:

6 vysvětlení obrázku: mezní moment MK je dán součtem momentu v plastickém kloubu MKpk a momentu v listu MKl , tedy kde a kde plastický moment odporu

7 tloušťka listu dle ČSN:
zatěžovací moment MZ daný součinem síly ve šroubu FŠ a ramenem k těsnicímu průměru DT lze srovnat s plastickým momentem MK pomocí bezpečnosti x ……………MZ = MK /x ; tloušťka listu je pak:

8 Těsnostní výpočty přírubových spojů:
1) trojúhelníkový diagram předepjatého spoje 2) těsnostní výpočet dle DIN /90 3) expertní programy výrobců 4) expertní program ČVUT zahrnující vlivy utahovacích postupů 5) kombinovaný těsnostně-pevnostní výpočet dle ČSN EN 1591 – 1 a ENV

9 1) Diagram předepjatého spoje
vychází ze vztahu mezi deformací tažených a tlačených částí a silami ve šroubech, v těsnění a od tlaku – existuje vztah mezi nimi:prodloužení lŠ konstanta tuhosti cŠ je úměrná úhlu  podobně stlačení těsnění sT

10 grafické řešení diagramu:

11 vztahy u předepjatého spoje:
platí-li, že síla od tlaku Fp pak síla ve šroubech v provozu a za předpokladu, že l je menší než sT, pak a ;

12 síly ve šroubech a v těsnění:
ŠROUBY: růst síly ve šroubech: síla ve šroubech: TĚSNĚNÍ: pokles těsnicí síly: těsnicí síla v provozu:

13 podmínka pro poměr sil Fp: FŠ :
tento poměr sil by měl být v rozmezí 3 až 4násobku: protože provozní síla ve šroubech při dané síle FT nezávisí na poměru tuhostí CŠ : CT, musí být síla při montáži závislá na tomto poměru, viz

14 podmínka pro mezní provozní sílu Fp:
musí platit podmínky: Fp < Fp(mezní) a FT > 0 mezní síla: Fp(mezní) = FŠ0 . (CŠ + CT) / CŠ a současně: Fp(mezní) = Fp.(m+ CT/(CŠ + CT).(CŠ + +CT)/CŠ poměr Fp(mezní) : Fp = 1 + m.(CŠ + CT) / CŠ určuje přetížitelnost spoje a součinitel m

15 čím lze ovlivnit tahovou tuhost šroubů CŠ ?
ovlivňuje: 1) volba materiálu šroubů – EŠ (modul pružnosti) 2) průřez šroubu SŠ – tuhý nebo pružný šroub 3) délka šroubu l – délka šroubu, nástavce, pružiny

16 změna průřezu šroubů: tuhý šroub: D1  2.d2; d1  d2
pružný šroub: D1 3.d2; d1   0,8.d2 touto volbou se podařilo snížit tuhost cca 4x

17 prodloužení délky, trubkové nástavce:
celkové prodloužení l a poměrné prodloužení  redukovaný součinitel tuhosti:

18 prodloužení šroubu – pokračování:
lze přičíst vliv teplotních deformací: teplotní deformace systému pro: poměrné prodloužení od teploty: rovnice 1 celková deformace od síly F: rovnice 2

19 prodloužení šroubu – pokračování:
porovnáním rovnic 1 a 2 bude síla F:

20 vliv pružných prvků (pružin):
pružiny mohou být tažné nebo tlačné deformace od pružin: y1 = poměrná def.pružiny při zatížení 1 silou; celková deformace

21 výhody pružných prvků:
a) snížení potřebné síly pro předpětí (montáž) b) u cyklického zatížení snížení amplitudy síly roztahující šrouby, c) snížení relaxace síly při postupném utahování šroubů

22 Návrh na snížení max, a min
Návrh na snížení max, a min. těsnicích sil při utahování šroubů (při montáži)

23 Těsnostní výpočet dle DIN 2505-4/90:
Výpočet min.a max.těsnicích sil: MONTÁŽ: min.síla: max.síla: PROVOZ: s bezpečností St = 1,2

24 Síly a rozměry dle DIN 2505:

25 Srovnání těsnicí síly se silou ve šroubech:
MONTÁŽ: pro měkké těsnění F*Tmmin lze vypočítat z: PROVOZ, ZKOUŠKA: s FEM, FEP, MEM, MEP se silami a momenty os vnějších sil při montáži a v provozu cy = 1 pro kovová těsnění, cy = 1 pro měkká těsnění s možností dotažení v provozu, cy = 1,2 dtto bez možnosti dotažení v provozu

26 Těsnicí síly při najíždění a sjíždění:
Najíždění na provozní parametry: Sjetí z provozních parametrů: přičemž musí platit pro kovová těsnění: pro měkká těsnění:

27 Výpočet zatěžovacího momentu:
ramena: zatěžovací moment pro montáž: zatěžovací moment pro provoz:

28 Expertní programy: firemní: Frenzelit, Klinger, Kempchen
školní: ČVUT Praha

29 Expertní program FRENZELIT
RIHA, a.s. Jenečská 43 Hostouń u Prahy

30 1.krok úprav programu nastavení seznamu úkonů na DIN nebo ANSI normalizované příruby

31 2.krok: výběr těsnění dle media
výběr media podle skupiny látek 0 až 7 stanovení rozsahu teplot, tlaku výběr úpravy těsnicích ploch z přehledu navrhovaných těsnění lze vybrat vhodné řešení a ověřit si ho na grafu se znázorněnou oblastí zadání

32 3.krok: výběr příruby a šroubů
a) výběr příruby dle PN zadání DN (rozměry těsnění, jeho tloušťka a plocha b) typ šroubu rozměr pro normalizovanou přírubu a jejich počet c) součinitel tření v závitu a dosedacích plochách matky a příruby součinitel k dle VDI 2230, mez kluzu a max.síla ve šroubech

33 4.krok:hodnocení sil a utahovacích podmínek
1) podle využití meze kluzu 2) podle velikosti utahovacího tlaku 3) podle velikosti utahovacího momentu

34 Zadání příkladu Vstupní údaje: pára s teplotami od 200 do 250° C
tlak 27 bar úprava těsnicích ploch: pero – drážka dle DIN 2512 vybrané těsnění: Novatec Premium

35 Řešení příkladu: Příruby: PN 40, DN 200, dte = 259 mm, dti = 239 mm, st = 2 mm Šrouby: normální stoupání, M 27 x 3, počet 12, jakost 6.8 Součinitel tření 0,14, součinitel k=0,19 mez kluzu K = 480 MPa, Fšmax=161,25 kN

36 Vyhodnocení dle využití meze kluzu:
při 50%ním využití meze kluzu-zadáno FŠ = 89,58 kN pu = 137,42 MPa Mu = 460 N.m pue = 121,93 MPa – účinný utahovací tlak

37 Vyhodnocení dle utahovacího tlaku
pu = 90 MPa zadáno FŠ = 58,67 kN Mu = 301 N.m %K = 33% pue = 74,52 MPa

38 Vyhodnocení dle utahovacího momentu
Mu = 400 N.m zadáno FŠ = 77,97 kN pu = 119,61 MPa %K = 44% pue = 104,12 MPa

39 Prezentace expertního programu firmy KLINGER
David RUML Firma Ruml s.r.o. Praha 4

40 1.okno = DRUH PŘÍRUBY 1.1 příruba dle DIN 1.2 příruba dle ANSI
1.3 příruba definovaná uživatelem Vyhledá se a) norma příruby pro PN b) světlost příruby DN

41 2.okno = ROZMĚRY TĚSNĚNÍ 2.1 geometrie těsnění (pro 1.1 a 1.2 nejsou tyto údaje viditelné, pro 1.3 se objeví volba pro těsnění: kruhové, kruhové s otvory pro šrouby nebo totéž pro oválné, čtyřhranné nebo komplexní tvar) 2.2 druh zatížení (pouze pro oválné těsnění – utahovací tlak se vlivem vnitřního tlaku sníží nebo zvýší) 2.3 tloušťka těsnění (předvolba 2 mm, ostatní rozměry se volí) 2.4 obrázek těsnění – s hlavními kótami s nestlačenými nebo _______ stlačenými rozměry

42 3.okno = ŠROUBY 3.1 Druh šroubů: DIN – tuhý šroub,
DIN – pružný šroub, UNC – palcový závit, jemný závit 3.2 Charakteristika šroubů: počet – lze volit nebo změnit navrhovaný počet, velikost – lze volit, součinitel tření – základní je 0,14, jinak se volí jakost – lze volit

43 4.okno = MEDIUM – TĚSNĚNÁ LÁTKA
4.1 medium: německý název – volí se koncentrace: nastavená 100% - lze volit teplota ve °C – volí se tlak v bar – volí se 4.2 skupenství : plynné, kapalné nebo pevné – volí se 4.3 nastavení požadovaných netěsností: dle DIN v mg/s.m třídy těsnosti L0,01, L0,1 a L1,0 – volí se dle DIN 3535 v ml/min

44 5.okno = MATERIÁL TĚSNĚNÍ
5.1 volba materiálu – automaticky nebo se volí název materiálu Po volbě všech vstupních údajů se objeví buď 2 usmívající se zelené hlavičky – pak je volba správná, nebo žlutá pro použití s omezením nebo červená s nedoporučením použití

45 Přehled zadaných a vypočtených údajů
1. Šrouby 2. Síly ve šroubech 3. Těsnění 4. Utahovací tlaky 5. Provozní údaje 6. Hodnoty netěsností 7. DIN – netěsnosti + 4 tlačítka dokončovacích úvah

46 Šrouby a síly ve šroubech
počet šroubů jakost šroubů velikost šroubů součinitel tření utahovací moment 2. Síly ve šroubech maximální síla ve šroubu využití meze kluzu šroubu v % při utahování celková síla ve šroubech

47 Těsnění a utahovací tlaky
4. Materiál těsnění materiál – označení tloušťka těsnění velikost stlačené plochy v mm2 velikost uzavřené plochy v mm2 5. Utahovací tlaky B0 – max.provozní VU- min.montážní Emin – min. ekonomický BU – min. provozní p – odlehčení od tlaku Eff – účinný V0 – max. montážní

48 Provozní podmínky a netěsnosti
teplota ve °C tlak v bar skupenství koncentrace medium – těsněná látka 6. Netěsnosti 20 – při teplotě okolí T – při výpočtové teplotě

49 DIN – netěsnosti a tlačítka
dle DIN 28090 třída těsnosti L0,01, L0,1, L1,0 dle DIN 3535 TLAČÍTKA: 1 – ruka – INFO 2 – příruba – možná změna zadání 3 – rozměry 4 – ocenění dle funkce, ceny a manipulační schopnosti

50 Výpočet těsnosti podle ČVUT
s vysvětlivkami a tabulkami

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60 Oblast využití šroubů pro příruby

61 Průběh meze kluzu s teplotou u žárupevných ocelí

62 Příklad pro rozmezí sil ve šroubech při teplotě okolí a 300° C

63 Příklad pro rozmezí sil ve šroubech a v těsnění

64 Tabulka materiálů pro příruby dle ČSN EN 1092-1

65 Tabulka materiálů pro příruby dle ASTM podle ČSN EN 1092-1

66 Příklad přepočtu dovoleného vnitřního přetlaku s teplotou pro příslušná PN

67 Příklad řešení vhodnosti materiálů šroubů a těsnění za daných podmínek

68 Postup pevnostního a těsnostního výpočtu přírub dle ČSN EN 1591-1
1) výpočet účinných rozměrů přírub, parametry šroubů a těsnění, stanovení min.těsnicí síly (30% meze kluzu); iterace účinné geometrie těsnění a těsnicí síly 2) stanovení min. požadovaných těsnicích sil pro montážní a následné stavy 3) ohled na rozptyl sil ve šroubech při montáži 4) vnitřní síly v následných stavech 5) kontrola dovolených zatížení šroubů, těsnění a přírub