Výpočty přírubového spoje

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 cKa 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 MKje dán součtem momentu v plastickém kloubu MKpka momentu v listu MKl , tedy • kde • a • kde plastický moment odporu

7. tloušťka listu dle ČSN: • zatěžovací moment MZdaný součinem síly ve šroubu FŠa ramenem k těsnicímu průměru DT lze srovnat s plastickým momentem MKpomocí bezpečnosti x ……………MZ = MK /x ; • tloušťka listu je pak:

8. Těsnostní výpočty přírubových spojů: • 1) trojúhelníkový diagram předepjatého spoje • 2) těsnostní výpočet dle DIN 2505-4/90 • 3) expertní programy výrobců • 4) expertní program ČVUT zahrnující vlivy utahovacích postupů • 5) kombinovaný těsnostně-pevnostní výpočet dle ČSN EN 1591 – 1 a ENV 1591-2

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

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) / CŠurčuje přetížitelnost spoje a součinitel m

15. čím lze ovlivnit tahovou tuhost šroubů CŠ ? • tahovou tuhost • 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 přizatížení 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. 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: • min.síla: • max.síla: • 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, MEPse 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 43 273 53 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 programufirmy 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 28090 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. 1. Šrouby: 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 Šrouby a síly ve šroubech

47. 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 Těsnění a utahovací tlaky

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

49. 7. DIN – netěsnosti 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 DIN – netěsnosti a tlačítka

50. Výpočet těsnosti podle ČVUT s vysvětlivkami a tabulkami