Устройство для соединения фланцев
DEVICE FOR CONNECTING FLANGES

Изобретение относиться к вакуумной уплотнительной технике и технике герметизации, а именно к фланцевым соединениям. Изобретение может быть использовано в качестве устройства для создания быстроразъемного надежного герметичного и/или высоковакуумного соединения двух круглых фланцев.
При эксплуатации вакуумной аппаратуры, особенно в экспериментальных и научных установках, часто возникает необходимость в быстром монтаже фланцевых соединений. Предлагаемое авторами устройство предназначено для соединения двух фланцев, между которыми находится уплотнитель. Обычно подобные фланцы стягиваются либо посредством болтов или струбцин, либо с помощью хомутов, которые при затягивании оказывают давление на внешние скошенные стороны фланцев, что обеспечивает сжатие уплотнительного кольца между фланцами и создание вакуумно-плотного герметичного соединения.
Известны конструкции быстроразъемных накидных шарнирных хомутов, соединяемых тем или иным механизмом, например, «барашковой» гайкой для быстрого крепления вакуумных соединений (см. https://www.intech-group.ru/uploaoVVACOM.pdf). Основной недостаток таких хомутов состоит в том, что они предназначены для вакуумных соединений до условного диаметра (ДУ) проходного сечения небольших величин до 50-60 мм и имеют только стандартные типоразмеры. Также известны металлические многозвенные хомуты для сверхвысоковакуумных приложений, например, хомуты типа ISO Tapered от компании EVAC (см. evacvacuum.com/kf-systems). Основным недостатком предлагаемых стандартных хомутов является их высокая стоимость и возможность использовать только для фланцев определенного размера.
Известна конструкция устройства для сжатия двух конических фланцев под давлением (патент US 5499849 «Device for forcing two conical flanges of a pipe coupling together under pressure)), МПК F16L 23/08, F16L 23/00, публ. 19.03.1996). Устройство представляет собой цепь из расположенных в ряд и соединенных посредством шарниров упорных элементов, предназначенных для контакта с двумя коническими фланцами. Цепь соединяется в замкнутое кольцо и затягивается с помощью соединительного винта. Каждый упорный элемент при этом имеет на своих двух боковых сторонах по две взаимно разделенные зоны для контакта с двумя соединяемыми фланцами. Недостатком данной конструкции является сложность и большая стоимость ее изготовления, т.к. предполагается выполнение большого количества технологических операций. В случае применения устройства для фланцев большого диаметра (сотни мм) число элементов конструкции соответственно растет, что значительно увеличивает трудоемкость изготовления предложенного устройства.
Известно техническое решение, представленное в патенте US 5277458 «Chains for pipe flange connections having an electric tightener» (МПК F16L 23/10, F16L 23/00, публ. 11.01.1994). Устройство предназначено для соединения конических фланцев труб или емкостей, содержащих внутри вакуум или проводящих среды под высоким давлением. Устройство представляет собой соединенные последовательно в одну цепь с помощью соединительно-натяжных элементов U-образные в поперечном сечении звенья, которые шарнирно соединены друг с другом. Концы цепи замыкаются с помощью соединительного и натяжного элемента. При этом контактные поверхности звеньев цепи выполнены в виде кольцевых сегментных поверхностей, которые полностью опираются на скошенные внешние поверхности фланцев. Предполагается, что изготовленное таким образом устройство в рабочем состоянии образует почти замкнутое кольцо подшипника и оказывает оптимальное уплотняющее действие на соединяемые фланцы, обеспечивая герметизацию.
Недостатком заявленного устройства является технологическая сложность изготовления элементов и большой расход материала, особенно в случае диаметра соединяемых фланцев порядка нескольких сотен миллиметров, при этом значительно увеличивается стоимость и вес устройства в целом. Кроме того, предполагается, что при работе устройства вся или значительная площадь кольцевой сегментной поверхности каждого звена соприкасается и взаимодействует с поверхностью соответствующего прижимаемого фланца. Но при размыкании фланцев и последующего соединения взаимное расположение их конических поверхностей меняется, поэтому точного совпадения поверхности фланца и прижимающего его кольцевого сегмента не происходит. Контактные поверхности звеньев не полностью прижимаются к соответствующим областям стягиваемых фланцев, и контакт звеньев и фланцев происходит не по участкам поверхностей, а лишь в отдельных точках поверхности.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является взятое за прототип зажимное устройство для соединения фланцев, предложенное в патенте JP 4478937 «Chain clamp device» (МПК F16B 2/08, F16B 7/04, F16B L 23/04, публ. 03.02.2006 г). Устройство-прототип представляет собой множество звеньев -стягивающих элементов, имеющих внутренний профиль в целом V-образной формы, соответствующий профилю соединяемых фланцев, при этом звенья скреплены между собой в цепь с помощью соединительных пластин и штифтов. С помощью пары соединительных болтов, расположенных на противоположных сторонах цепи, ряд звеньев замыкается в кольцо и осуществляется регулировка натяжения устройства-прототипа. При этом дополнительно все зажимающие звенья скользящим образом соединены с пружинным стержнем, имеющим С-образную или U-образную форму. Благодаря наличию пружинного стержня зажимное устройство в разомкнутом состоянии сохраняет С-образную или U-образную форму, что облегчает монтаж устройства на соединяемые фланцы.
Недостатком устройства-прототипа является сложность конструкции: большое количество различных деталей, высокая трудоемкость сборки, а также большой расход материала и времени на изготовление устройства. Использование в качестве отдельного зажимного звена элемента, имеющего форму параллелепипеда с внутренним профилем, который входит в зацепление с фланцами, в виде наклонных поверхностей, является нецелесообразным. Т.к. при подобной конструкции зажимного звена контакт между ним и прижимаемым фланцем происходит в отдельных точках, а не по всей предполагаемой плоскости внутренней части звена.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка компактного, технологичного и недорого в изготовлении устройства для соединения фланцев, позволяющего обеспечить быстрое и надежное соединение вакуумных фланцев, в том числе при частых и многократных циклах монтажа/демонтажа устройства на соединяемых фланцах, обеспечивая необходимый уровень вакуума.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что заявляемое устройство, также как и устройство-прототип, содержит несколько скрепленных между собой в ряд звеньев и систему соединения звеньев в замкнутое кольцо и регулировки натяжения, причем звенья выполнены с возможностью охвата стягиваемых конических фланцев.
Новым в разработанном устройстве является то, что звенья скреплены между собой с помощью ленты, каждое звено выполнено с внутренним профилем в виде двух встречных конических поверхностей, причем угол уклона конических поверхностей близок к величине 90°-α, где α - угол уклона стягиваемых конических фланцев. При этом система соединения звеньев в замкнутое кольцо и регулировки натяжения выполнена в виде двух элементов, причем первый элемент обеспечивает быструю фиксацию устройства на фланцах, а второй элемент обеспечивает необходимую регулировку натяжения ленты, скрепляющей звенья.
В первом частном случае реализации разработанного устройства целесообразно первый элемент, обеспечивающий быструю фиксацию устройства на фланцах, выполнить в виде замка-стяжки с перекидным рычагом, а второй элемент, обеспечивающий необходимую регулировку натяжения ленты, выполнить в виде, по крайней мере, одной резьбовой шпильки.
В другом частном случае реализации разработанного устройства целесообразно угол уклона конических поверхностей внутреннего профиля каждого звена изготовить близким к величине 75°. Такой вариант изготовления схож с хорошо зарекомендовавшей себя конструкцией фланцев типа ISO-KF, где стандартный угол уклона α внешней стороны фланцев составляет 15°.
Технический результат данного изобретения, заключающийся как в снижении сложности изготовления устройства для соединения фланцев, скорости монтажа, так и в повышения надежности получаемого соединения, достигается за счет того, что в предлагаемой авторами конструкции содержится ряд одинаковых звеньев с клиновидным внутренним профилем, представляющим собой объединение двух усеченных конических поверхностей. Каждое звено образует зону контакта с поверхностью фланца в виде линии соприкосновения двух конических поверхностей с параллельными осями - конусной поверхности звена и конусной поверхности фланца, при этом каждую зону контакта можно рассматривать как эквивалент болта или струбцины. Указанный клиновидный профиль звена охватывает край двух фланцев и за счет давления, направленного по радиусу фланцев, за счет эффекта клина стягивает их. Равномерное стягивание фланцев по всему периметру достигается за счет равномерного распределения большого числа таких звеньев вдоль ленты. При увеличении диаметров соединяемых фланцев число звеньев, используемых в устройстве, пропорционально увеличивается, практически не увеличивая сложность устройства и не уменьшая скорость монтажа устройства на фланцы. При традиционном соединении фланцев значительного диаметра с использованием большего числа обычных крепежных элементов: болтов или струбцин, равного числу звеньев предложенного устройства, пропорционально (в разы) увеличивает время и трудоемкость соединения. Заявляемое устройство целесообразно использовать для соединения вакуумных фланцев диаметром от 100 до 1000 мм. При этом гибкая лента, на которую крепятся звенья, может сохранять упругую деформацию в процессе ее эксплуатации и являться пружинящим элементом, что позволяет, с одной стороны, сохранить форму устройства для соединения фланцев в разомкнутом состоянии, а с другой - при наложении его на соединяемые фланцы легко деформировать устройство без применения цепного механизма.
Сущность изобретения поясняется следующими рисунками.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства сверху;
на фиг. 2 представлено объемное изображение отдельного звена устройства,
на фиг. 3 представлено в разрезе звено устройства, охватывающее соединяемые фланцы;
на фиг. 4 представлен вариант исполнения элемента, обеспечивающего быструю фиксацию устройства на фланцах, использованный в конкретном примере реализации заявленного устройства;
на фиг. 5 представлен вариант исполнения элемента, обеспечивающего необходимую регулировку натяжения ряда звеньев, использованный в конкретном примере реализации заявленного устройства;
на фиг. 6 представлена фотография конкретной реализации предлагаемого устройства;
на фиг. 7 представлена фотография криостата в сборе, верхняя и нижняя часть корпуса которого соединены заявленным устройством для соединения фланцев.
Разработанное устройство для соединения фланцев, изготовленное в соответствии с п. 1 формулы и представленное на фиг. 1, содержит несколько звеньев 1, расположенных в ряд и смонтированных на гибкой ленте 2. Элемент 3, обеспечивающий быструю фиксацию устройства в рабочем состоянии, и элемент 4, обеспечивающий необходимую регулировку натяжения ряда звеньев 1 за счет натяжения гибкой ленты 2, расположены в ряду элементов 1. Элементы 3 и 4 могут располагаться рядом друг с другом или могут быть разнесены на некоторое расстояние, например, на противоположные стороны ленты 2.
На наружной стороне каждого звена 1 (фиг. 2) выполнен паз 5, размеры которого определяются толщиной и шириной ленты 2. Каждое звено 1 имеет внутренний профиль с двумя встречными коническими поверхностями 6, угол уклона каждой из которых близок к величине 90°-α, где α - угол уклона каждого из фланцев 7, 8. Все звенья 1 закреплены в ряд на ленте 2, при этом количество звеньев 1 может изменяться в зависимости от диаметра соединяемых фланцев 7, 8 (фиг. 3).
Конкретный пример реализации заявленного устройства в соответствии с пунктами 2 и 3 формулы приведен ниже. На ленте 2, изготовленной из нержавеющей стали толщиной 0,75 мм и шириной 12 мм, расположено 20 звеньев 1, выполненных также из нержавеющей стали. Угол уклона конических поверхностей 6 каждого звена 1 составляет 75°, при этом конические поверхности 6 обработаны до шероховатости Ra 0,8 для обеспечения их хорошего контакта с фланцами 7 и 8. Каждое звено 1 прикреплено к ленте 2 посредством винта 9 М 4×8. Элемент 3 (фиг. 4), обеспечивающий быструю фиксацию устройства в рабочем состоянии, выполнен в виде замка-защелки типа «лягушка» и имеет удлиненную перекидную ручку-рычаг 10 для облегчения монтажа устройства на зажимаемые фланцы 7, 8. На концах ленты 2 (фиг. 5) закреплены втулки 11, в которые монтируется элемент 4, обеспечивающий необходимую регулировку натяжения ряда звеньев 1, состоящий из двух резьбовых шпилек 12, зафиксированных на обоих концах гайками 13.
-3
-4
Работа устройства иллюстрируется следующим конкретным примером. Разработанное устройство, представленное на фиг. 6, было многократно испытано в составе криостата (фиг. 7). С помощью заявляемого устройства соединялись фланцы верхней и нижней частей корпуса криостата, диаметр соединяемых фланцев составлял 315 мм. Монтаж, регулировка и затяжка устройства на фланцах корпуса криостата составляла 2-3 минуты. По окончании полной сборки криостата к одному из его патрубков присоединялся откачной пост, с помощью которого внутри криостата создавался необходимый уровень вакуума. В процессе откачки никакой дополнительной регулировки устройства для соединения фланцев не требовалось. Время выхода на режим криостата по вакууму составляло 8-9 часов. Это обычное время достижения необходимого уровня вакуума 10-10 мБарр для конструкций объема несколько десятков литров. Далее откачной пост выключался и производился запуск системы охлаждения замкнутого цикла. При захолаживании системы происходил постоянный контроль вакуума внутри корпуса криостата, и величина вакуума во время всего эксперимента (10-12 часов) значительно не изменилась. Этот факт свидетельствует о достаточной герметичности корпуса криостата, фланцы которого были уплотнены с помощью витонового кольца и соединены предлагаемым устройством. Дополнительная регулировка устройства, соединяющего фланцы, в течение испытаний требовалась только из-за высокого уровня вибраций используемой системы охлаждения.
Таким образом, предлагаемое устройство для соединения фланцев, простое и технологичное в изготовлении, способно обеспечить быстрое и надежное соединение конических фланцев, поддерживая при этом необходимую степень вакуума.