РАЗЪЕМНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
DETACHABLE CONNECTION

Изобретение относится к узлам и деталям машин общего машиностроения, а именно к разъемным соединениям и может быть использовано для создания новых соединительных устройств типа муфты и ниппеля или двух полумуфт.
На основе изобретения возможно проектирование разъемных соединений с различным усилием зажима, при этом усилие зажима задается с высокой точностью. Конструкционные зажимные соединения для разборного или неразборного соединения деталей с возможностью вращения или фиксированного, в том числе для замены стопорных шайб и в частности для зажима сменных бит в инструменте. Конструкция разъема позволяет получать как негерметичные, так и герметичные разъемные соединения, используемые как быстроразъемные соединения для трубопроводов, работающих с различными средами под давлением и вакуумом. Предлагаемое быстроразъемное соединение для трубопроводов позволяет использовать его для соединения различных типов труб, подсоединение их коллектору, для подсоединения к ним различных клапанных, запорных и измерительных устройств.
Известны цанговые соединения [Патент RU №2323804, В23В 31/20 от 01.08.2006]. Различные конструкции цанговых соединений широко используются в машиностроении, в том числе для крепления концевого инструмента, также цанговые соединения применяются в соединительных муфтах трубопроводов для различных сред, работающих под давлением.
Известны быстроразъемные соединения кулачкового типа «Камлок» для соединения труб и подсоединения их к коллектору. [Патент RU №2091658, F16L 37/08 от 27.09.1997]. Однако эти соединения очень жесткие, имеют очень малый рабочий ход и используются в основном для соединения гибких трубопроводов.
Наиболее близким техническим решением является конструкция разъемного соединения с шариковым типом затвора. [Стандарт ISO 7241. (прототип)]. Фиксирующим ниппель элементом затвора является кольцевой сепаратор с равномерно распределенными и имеющими некоторую радиальную подвижность шариками. При осевом перемещении кольцевого сепаратора в корпусе муфты, во внутренней цилиндрической выемке переменного диаметра, шарики изменяют проходное сечение муфты. Данный разъем широко используется как быстроразъемное соединение для трубопроводов различного диаметра, работающих с различными средами под давлением.
Данный тип разъема надежно фиксирует ниппель в корпусе муфты. Герметизация уплотнения создается давлением среды в соединяемом трубопроводе. Недостатком данного быстроразъемного соединения является отсутствие нормируемого усилия прижатия ниппеля в корпусе муфты. Данный тип разъема не применяется при создании вакуумных систем.
Задача изобретения - улучшение технологических характеристик разъемных соединений в сравнении с существующими разъемными соединениями, заключающемся в создании разъемного соединения с рассчитанным усилием прижима ниппеля в корпусе муфты, а также упрощение конструкции разъемного соединения и упрощение технологии изготовления разъемного соединения.
Техническим результатом изобретения является простота конструкции разъемного соединения, простота его изготовления и малое количество деталей в конструкции разъема. Возможность изготовления разъемного соединения для различного диаметра соединяемых элементов. Конструкция разъемного соединения позволяет получать нормируемое усилие удержания или прижима ниппеля в широком диапазоне значений. Разъемное трубное соединение может использоваться для работы с любыми средами под давлением и вакуумом.
Технический результат достигается тем, что в разъемном соединении, состоящем из цилиндрического ниппеля и муфты, устройство фиксирующее ниппель, выполнено в виде сферической пружины, собранной из двух одинаковых плоских упругих колец с радиальным вырезом равным толщине кольца и размещенной во внутренней части цилиндрической выемки муфты, а также тем, что на цилиндрической части ниппеля может быть выполнена, по меньшей мере, одна кольцевая цилиндрическая и/или коническая выемка на длине соответствующей высоте пружины в муфте при полностью вставленном в муфту ниппеле, а также тем, что диаметр кольцевой цилиндрической и/или конической выемки на ниппеле может быть меньше диаметра проходного сечения частично сжатой на цилиндрической и/или конической выемке сферической пружины, а также тем, что во внутренней цилиндрической выемке муфты с одной из сторон сферической пружины может быть размещена подвижная распределительная шайба с внутренним диаметром не менее диаметра ниппеля, а в торце корпуса муфты со стороны распределительной шайбы симметрично выполнено, по меньшей мере, два сквозных резьбовых отверстий упирающихся в распределительную шайбу.
Отличительными признаками является то, что в разъемном соединении, состоящем из цилиндрического ниппеля и муфты, устройство фиксирующее ниппель, выполнено в виде сферической пружины, собранной из двух одинаковых плоских упругих колец с радиальным вырезом равным толщине кольца и размещенной во внутренней части цилиндрической выемки муфты, а также тем, что на цилиндрической части ниппеля может быть выполнена, по меньшей мере, одна кольцевая цилиндрическая и/или коническая выемка на длине соответствующей высоте пружины в муфте при полностью вставленном в муфту ниппеле, а также тем, что диаметр кольцевой цилиндрической и/или конической выемки на ниппеле может быть меньше диаметра проходного сечения частично сжатой на цилиндрической и/или конической выемке сферической пружины, а также тем, что во внутренней цилиндрической выемке муфты с одной из сторон сферической пружины может быть размещена подвижная распределительная шайба с внутренним диаметром не менее диаметра ниппеля, а в торце корпуса муфты со стороны распределительной шайбы симметрично выполнено, по меньшей мере, два сквозных резьбовых отверстий упирающихся в распределительную шайбу.
0
вн
0
Два одинаковых пружинных кольца (фиг.1а) с радиальным вырезом (1) равным толщине кольца - а (фиг.1б) собираются в Х-образную конструкцию пружины как показано на (фиг.2а). Кольца в данной конструкции рассматриваются как одновитковые цилиндрические пружины прямоугольного или квадратного сечения (в некоторых случаях могут использоваться кольца круглого сечения или кольца с более сложным профилем сечения). Соотношение толщины кольца а и ширины кольца 6 (фиг.1б), а также диаметр кольца D или D. (фиг.1а) выбираются из расчета необходимой жесткости пружины. В ненагруженном состоянии пружины кольца будут взаимно перпендикулярны при ширине радиального выреза (фиг.1а, поз.1) равного толщине кольца. Такая пружина будет иметь максимальную высоту в свободном состоянии и соответственно максимальный рабочий ход. Свободная максимальная высота одного пружинного элемента при ширине радиального выреза, равного толщине кольца, составляет , где D - наружный диаметр кольца (фиг.2б).
0
P
C
0
a
Данная Х-образная конструкция является сферической пружиной сжатия, так как в процессе сжатия пружины кольца совершают движение по сферической поверхности, образованной наружным радиусом колец, относительно оси симметрии С (фиг.2а, б), проходящей через центры радиальных вырезов. Одновременно кольца растягиваются в осевом направлении, действуя друг на друга через ребра радиальных вырезов колец (фиг.3). При полном сжатии пружины (фиг.4) оба кольца приобретают форму одновитковой винтовой цилиндрической пружины с шагом, равным удвоенной толщине пружинных колец, и соответственно, осевое перемещение пружины λ=2а. Кольца этих одновитковых винтовых цилиндрических пружин могут иметь правую или левую спиральность, которая зависит от начального положения пружины (фиг.2а) - поворот пружины на 90° относительно оси С приводит к изменению спиральности. Направление спиральности обеих колец при сжатии пружины всегда одинаковое. Деформируются одновременно оба кольца, соответственно жесткость пружины и сила сжатия удваиваются. Плоскости колец в процессе сжатия пружины изменяются, от взаимно перпендикулярных, в свободном состоянии пружины, до их совпадения, при полностью сжатой пружине. Высота полностью сжатой пружины равна утроенной толщине пружинного кольца H=3 (фиг.4б). Максимальный рабочий ход пружинного X-образного элемента равен H=H-H.
Сферическая пружина обладает свойством менять свое внутреннее проходное сечение в процессе сжатия. Сферическая пружина имеет проходное сечение в форме эллипса, который является ортогональной проекцией внутреннего диаметра кольца на плоскость сжатия пружины. Большая ось эллипса совпадает с проекцией оси симметрии пружины С проходящей через центры радиальных вырезов пружинных колец, она постоянна, и равна внутреннему диаметру пружинного кольца. Малая ось эллипса перпендикулярная проекции оси С меняется в процессе сжатия пружины. Проходное сечение пружины Дy определяется как цилиндр с диаметром равным размеру малой оси эллипса, проходящий через это сечение. Проходное сечение пружины , где α - угол между плоскостями пружин (фиг.3б). В ненагруженном состоянии проходное сечение сферической пружины . В полностью сжатой пружине проходное сечение Дy равно внутреннему диаметру пружинного кольца.
Следствием движения колец пружины по сферической поверхности и изменения ее проходного сечения при сжатии, является то, что сжатая сферическая пружина может создавать как осевое, так и радиальное усилие. Направление усилия пружины зависит, каком направлении ограничение, препятствующее разжиманию пружины, в осевом или в радиальном.
0
вн
а
а
Фиг.1. Плоское пружинное кольцо: а) общий вид кольца с радиальным вырезом (1), где D - внешний диаметр кольца, D - внутренний диаметр кольца,  - ширина радиального выреза; б) сечение кольца, где  - толщина кольца, b - ширина кольца.
C
вн
a
Фиг.2. Сферическая пружина в свободном состоянии: а) общий вид собранной пружины с осью симметрии С; б) ортогональные проекции пружины, где H - высота пружины в свободном состоянии, Дy - проходное сечение пружины,  - угол между плоскостями колец, D - внутренний диаметр кольца.
0
вн
a
Фиг.3. Сферическая пружина в частично сжатом состоянии: а) общий вид пружины с осью симметрии С; б) ортогональные проекции пружины, где H - высота пружины, Дy - проходное сечение пружины,  - угол между плоскостями колец, D - внутренний диаметр кольца.
0
вн
a
Фиг.4. Сферическая пружина в сжатом состоянии: а) общий вид пружины с осью симметрии С; б) ортогональные проекции пружины, где H - высота пружины в сжатом состоянии, Дy - проходное сечение пружины,  - угол между плоскостями колец, D - внутренний диаметр кольца.
Фиг.5. Разъемное соединение: а) простое, на трении; б) с фиксацией ниппеля; где 2 - муфта, 3 - ниппель, 4 - сферическая пружина в частично сжатом состоянии, 5 -цилиндрическая выемка муфты, 6 - цилиндрическая выемка ниппеля.
Фиг.6. Трубное разъемное соединение с герметичным уплотнением и устройством для сжатия сферической пружины: а) пружина сжата, и ниппель свободно проходит через проходное сечение пружины в муфту; б) отпущенная пружина фиксирует ниппель и поджимает его к уплотнительной прокладке; где 7 - цилиндрическая выемка ниппеля, 8 - сферическая пружина, 9 - распределительная шайба, 10 - резьбовые торцевые отверстия, 11 - болты, 12 - уплотнительная прокладка, 13 - продольные пазы.
Описание работы устройства. Собранная сферическая пружина размещается во внутренней цилиндрической выемке муфты (фиг.5, поз.5). Диаметр выемки равен внешнему диаметру колец пружины, а длина выемки не более высоты сферической пружины в свободном состоянии (фиг.5, 6). Пружина в муфте может быть размещена в свободном состоянии, но удобнее размещение в частично сжатом - напряженном состоянии (фиг.3). Собранная сферическая пружина предварительно сжимается до необходимого состояния посадкой ее на цилиндрический стержень соответствующего диаметра (для облегчения посадки стержень должен заканчиваться пологим конусом, входящим в проходное сечение несжатой пружины). В сжатом состоянии пружина вставляется в цилиндрическую выемку муфты, после чего второй торец муфты заделывается, например, заваривается или запрессовывается. После извлечения из пружины цилиндрического стержня пружина разжимается до упора в торцевые стенки внутренней цилиндрической выемки муфты.
Сферическая пружина в муфте может быть сжата или приложением осевой нагрузки на пружину, или приложением радиальной нагрузки. При приложении осевого усилия на пружину, она сжимается в цилиндрической выемке муфты, упираясь в противоположный торец выемки. Радиальное усилие на пружину может быть приложено давлением цилиндрического ниппеля с коническим окончанием через проходное отверстие муфты. Диаметр цилиндрического ниппеля (фиг.5, поз.3) подбирается таким образом, что сжав пружину, ниппель пройдет через проходное сечение пружины, после чего пружина будет обжимать боковую поверхность ниппеля с усилием равным усилию, затраченному на сжатие пружины до данного состояния (фиг.5а). Ниппель будет удерживаться в муфте за счет трения цилиндрической поверхности ниппеля с ребрами колец сжатой пружины. Для достижения максимального усилия обжатия ниппеля пружина сжимается до состояния близкого к полному сжатию пружины (фиг.4а). Ниппель не обязательно должен иметь круглое сечение, рассмотренное выше, возможны и другие формы сечения, например, шестиугольник или квадрат. Проходное отверстие корпуса муфты может также соответствовать форме сечения ниппеля, что позволяет зафиксировать положение ниппеля относительно муфты в радиальном направлении.
На цилиндрической части ниппеля может быть выполнена кольцевая цилиндрическая выемка (фиг.5б, поз.6) на длину равную высоте пружины в муфте. В этом случае, когда кольцевая выемка ниппеля войдет в муфту до пружины, пружина на ней защелкнется и зафиксирует ниппель в муфте в определенном положении (фиг.5б). Для извлечения ниппеля из муфты к ниппелю надо приложить осевое усилие необходимое для сжатия сферической пружины. На рисунке (фиг.5б) представлен вариант одной цилиндрической выемки равной высоте пружины в муфте. Реально концевая часть ниппеля входящая в муфту может иметь различный осевой профиль, который в каждом конкретном случае применения данного типа соединения будет выбираться индивидуально. Например, вместо одной кольцевой выемки возможно выполнение, двух или более, узких цилиндрических или конических выемок непосредственно под посадку колец пружины, а торец ниппеля, для облегчения посадки в пружину, может иметь сферическую или коническую форму.
В описанных выше конструкциях муфты и ниппеля (фиг.5а, б), частично сжатая сферическая пружина оказывает радиальное усилие на боковую поверхность ниппеля. Такие разъемные соединения могут использоваться для конструкционных разъемных соединений с фиксацией или без фиксации ниппеля, например для удержания концевого инструмента, в частности для крепления сменных бит в патронах инструмента, для закрепления съемных крышек и панелей.
Если диаметр кольцевой цилиндрической выемки на ниппеле меньше проходного сечения частично сжатой сферической пружины то сферическая пружина, разжимаясь, упирается в торец кольцевой выемки, не обжимая ее цилиндрическую поверхность, и поджимает ниппель к торцу муфты (фиг.6б). В данной конструкции частично сжатая сферическая пружина оказывает осевое усилие на торцевую поверхность кольцевой выемки. Такая конструкция разъема позволяет получать как негерметичные, так и герметичные разъемные соединения, используемые как быстроразъемные соединения для трубопроводов, работающих с различными средами под давлением и вакуумом. Предлагаемое разъемное соединение можно использовать для соединения различных типов труб, подсоединение их коллектору, для подсоединения к ним различных клапанных, запорных и измерительных устройств.
Усилие поджима ниппеля к торцу муфты зависит от степени сжатия пружины и жесткости пружины. Параметры пружины и степень ее сжатия для конкретного разъемного соединения могут быть рассчитаны с высокой точностью и соответственно усилие поджима ниппеля в муфте также рассчитываются с высокой точностью. Усилие поджима может меняться в широких пределах.
В случае, если разъемный соединительный узел изготавливается со сферической пружиной большой жесткости, то перед выполнением соединения данный пружинный элемент может быть предварительно сжат внешним устройством. Также предварительное сжатие пружинного элемента может использоваться для получения герметичных соединений с торцевой резиновой прокладкой (фиг.6а, б, поз.12), изображенной на рисунке (фиг.6а, б). Предварительное сжатие сферической пружины в муфте может производиться внешними устройствами как сделанными непосредственно на муфте, так и устройствами, размещаемыми на муфте только для выполнения сжатия пружины. Рассмотрен вариант сжатия сферической пружины с помощью двух болтов завинчиваемых в резьбовые отверстия симметрично расположенные на торцевой части муфты (фиг.6а, б, поз.10, 11). Для передачи усилия от болтов на сферическую пружину в цилиндрической выемке муфты размещена распределительная шайба (фиг.6а, б, поз.9). При равномерном закручивании болтов распределительная шайба передвигается в цилиндрической выемке муфты и оказывает осевое усилие на сферическую пружину, сжимая ее. Проходное сечение сферической пружины, при ее сжатии, увеличивается до наружного диаметра ниппеля. После установки ниппеля в муфте, осевое усилие внешнего устройства с пружины снимается, и пружина разжимается до радиального обжатия ниппеля или возникновения осевого усилия на поджатие ниппеля к торцевой поверхности цилиндрической выемки муфты (фиг.6б). Реализация предварительного сжатия сферической пружины в муфте возможна различными внешними устройствами, например через торцевые отверстия в муфте (фиг.6а, б, поз.10) или через продольные пазы на боковой поверхности муфты (фиг.6б, поз.13).