СОЕДИНЕНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ
CONNECTION OF PIPELINES

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к резьбовым соединениям трубопроводов с врезающимся кольцом для осевого монтажа, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где применяются гидро- и пневмосистемы, работающие под высоким давлением.
Известны аналоги заявляемого изобретения. Одним из них является действующий ГОСТ 23354-87 «Соединения трубопроводов резьбовые. Кольца врезающиеся». Данное соединение на одном конце соединяемого трубопровода имеет штуцер с внутренней уплотнительной конической полостью. На конец другого соединяемого трубопровода надеваются накидная гайка и врезающееся кольцо. Врезающееся кольцо имеет утолщенную заднюю часть в виде кольцевого выступа, который имеет приемный конус с углом 90° с торцевой части для улучшения контакта с ответной конической полостью накидной гайки, а в своей передней части рабочую кромку, врезающуюся в трубопровод под воздействием рабочей (герметизирующей) конической полости штуцера при выполнении соединения.
Другим аналогом является изобретение «Устройство для резьбового соединения трубопроводов с врезающимся кольцом» (Патент №2015442, МПК 5 F16L 19/08). Сущность изобретения: штуцер и накидная гайка обжимают врезающееся в трубопровод кольцо. В передней части кольца со стороны стыка выполнена кольцевая внутренняя проточка. В задней части кольца выполнены диаметрально расположенные прорези.
За прототип заявляемого изобретения принято «Соединение трубопроводов» (Патент RU 2180067 С1 МПК 7 F16L 19/08). Известное устройство содержит штуцер, накидную гайку и врезающееся кольцо с рабочей кромкой в передней части, выполненной с криволинейными внешней и внутренней поверхностями, связанными между собой переходной поверхностью, с рабочей кромкой, образованной в месте пересечения внешней поверхности врезающегося кольца и переходной поверхности. Задняя часть кольца выполнена с бандажом, в качестве которого использована отбортованная наружу часть кольца.
Все перечисленные аналоги, в том числе и прототип, имеют один и тот же недостаток: внутренняя уплотнительная полость штуцера содержит только одну поверхность - коническую. Известно, что соединение трубопроводов работает надежно, когда все сопрягаемые детали смонтированы в условиях взаимного самоторможения. В соединениях с шаровым ниппелем внутреннюю уплотнительную коническую полость штуцера выполняют с углом конуса 37°. В соединениях с врезающимися кольцами для внутренней уплотнительной конической поверхности штуцера ГОСТ 23354-87 рекомендует использовать угол конуса 24°. Это связано с тем, что в отличие от соединения ниппеля с трубой с помощью пайки или сварки в случае с врезающимися кольцами уплотнение их с трубой производится с помощью силового контакта рабочей кромки кольца с уплотнительным буртиком на трубе. Для образования этого буртика необходимы кроме достаточной остроты кромки значительные осевые и радиальные силы. Поэтому с целью снижения нагрузки на резьбовое соединение и применяют угол конуса, равный 24°. Однако этот угол не может обеспечить самоторможение соединения на контакте кольца со штуцером, и во время эксплуатации с характерными для гидравлических передач вибрационными и переменными циклическими нагрузками часто нарушается фактор самоторможения резьбового соединения штуцера и накидной гайки, что приводит к разгерметизации соединения. Вместе с тем при углах наклона образующей уплотнительной поверхности штуцера 3…7° (углах конуса 6…14°) практически обеспечивается эффект самоторможения и на контакте кольца со штуцером. Одновременно в несколько раз снижается нагрузка на резьбовое соединение штуцера с накидной гайкой. Однако применение указанных углов для штуцеров в конструкциях аналогов и прототипа увеличивает габариты штуцера и соответственно всего соединения. Легко подсчитать, что при одних и тех же диаметрах оснований конуса (одной и той же разнице между большим и малым основаниями конуса) высота его при угле наклона его образующей 3…7° увеличится от 2 до 4 раз по сравнению с углом 12°. Это является существенным недостатком, так как одной из важных позитивных характеристик соединения наряду с надежностью является его компактность. Кроме того, для образования уплотнительного буртика на трубе потребуется увеличение пути осевого перемещения врезающегося кольца и соответственно длины резьбы и габаритов контактирующей с ним накидной гайки.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение герметичности и эксплуатационной надежности соединения трубопроводов в гидравлических передачах.
Технический результат, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, заключается в увеличении герметичности соединения и достижении эффекта самоторможения на контакте врезающегося кольца со штуцером, а также в расширении управляющих и контрольных функций при сборке соединения трубопроводов за счет того, что внутренняя уплотнительная полость штуцера образована двумя взаимно пересекающимися коническими поверхностями. При этом обе указанные поверхности выполнены с общей осью, совпадающей с осью соединения.
Сущность заявляемого изобретения - соединение трубопроводов, содержащее штуцер с внутренней уплотнительной полостью, обращенной к передней части кольца, накидную гайку и врезающееся кольцо с рабочей кромкой в передней части и задней частью с переменным зазором относительно трубопровода по всей длине кольца, передняя часть которого выполнена с криволинейными внешней и внутренней поверхностями, связанными между собой переходной поверхностью, с рабочей кромкой, образованной в месте пересечения внешней поверхности врезающегося кольца и переходной поверхности, а задняя часть кольца выполнена с бандажом в виде отбортованной наружу части кольца с образованием незамкнутого петлеобразного сечения, отличающееся тем, что внутренняя уплотнительная полость штуцера образована двумя взаимно пересекающимися коническими поверхностями.
Обе взаимно пересекающиеся конические поверхности во внутренней уплотнительной полости штуцера выполнены с общей осью, совпадающей с осью соединения трубопроводов.
Обе пересекающиеся конические поверхности внутренней уплотнительной полости штуцера обращены к его наружному плоскому торцу с пересечением с ним последним большей конической поверхности.
Во внутренней уплотнительной полости штуцера у его большей конической поверхности диаметр большего основания, измеряемого на пересечении указанной поверхности с наружным плоским торцом штуцера, превышает диаметр передней части кольца, а диаметр меньшего основания, измеряемого на пересечении большей конической поверхности с меньшей, больше диаметра рабочей кромки кольца, но меньше диаметра его передней части.
В уплотнительной полости штуцера углы наклона образующих большей и меньшей взаимно пересекающихся конических поверхностей находятся соответственно в пределах 3…7° и 12…30°.
В заявляемом техническом решении выполнение штуцера с внутренней уплотнительной полостью, образованной двумя взаимно пересекающимися коническими поверхностями с общей осью, совпадающей с осью соединения, в отличие от прототипа, в котором в уплотнительной полости предусмотрена одна коническая поверхность с углом наклона ее образующей 12°, позволяет получить следующие положительные эффекты:
1. Создаются две уплотнительные зоны на контакте внутренней уплотнительной полости штуцера с передней частью кольца.
2. Обеспечивается самоторможение кольца на его контакте со штуцером за счет использования в уплотнительной полости штуцера для образующей большей конической поверхности углов наклона в пределах 3…7°.
3. Возможность оптимизации конструкции соединения: при выборе углов наклона образующих конических поверхностей, близких к нижним пределам, уменьшаются осевые силы затяжки в резьбовом соединении, но увеличиваются размеры штуцера и накидной гайки в осевом направлении и, наоборот, при увеличении указанных углов повышается требуемая сила затяжки соединения, однако оно становится компактнее. При этом увеличение сил на контакте передней части кольца с большей конической поверхностью штуцера усиливает эффект их взаимного самоторможения в этой зоне и одновременно повышает герметичность соединения трубопроводов.
4. Создаются условия для автоматического контроля и управления процессом врезания врезающегося кольца в трубу за счет того, что при вступлении в контакт передней части кольца со второй (меньшей) конической поверхностью (с углами наклона ее образующей 12…30°) штуцера силы затяжки его с накидной гайкой возрастают в несколько раз.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. Соединение трубопроводов, включающее трубы 1 и 2, содержит присоединенный к концу трубы 2 штуцер 3 с внутренними уплотнительными взаимно пересекающимися коническими поверхностями 4 и 5 и кольцевым буртом 6, накидную гайку 7 с опорной поверхностью 8.
Штуцер 3 - оригинальная деталь, а накидная гайка 7 с опорной поверхностью 8 - стандартная деталь, ограниченная параметрами резьбы, с возможностью выполнения резьбового соединения со штуцером 3. Соединение содержит врезающееся кольцо 9, являющееся оригинальной деталью и содержащее заднюю 10 и переднюю 11 части. Задняя часть 10 кольца 9 выполнена с бандажом 12, которая сопряжена с опорной поверхностью 8 накидной гайки 7, а передняя часть 11 содержит рабочую кромку 13 и сопряжена с ней криволинейной внешней поверхностью 14.
Геометрические параметры внутренней уплотнительной полости штуцера 3 и передней части 11 врезающегося кольца 9 (см. фиг.2) для решения поставленных задач могут быть определены следующей формулой:
где А - высота первой (большей) конической поверхности 4 штуцера 3, α и β - углы наклона образующих соответственно большей 4 и меньшей 5 конических поверхностей, Z - зазор между рабочей кромкой 13 кольца 9 и трубой 1, определяемый разностью (см. фиг.2)
раб. кромки
трубы
где d - диаметр окружности рабочей кромки 13; d - диаметр трубы 1; К - задаваемая глубина врезки рабочей кромки 13 в трубу 1; R - радиус кривизны внешней криволинейной поверхности 14 передней части 11 кольца 9.
Превышение принятой в конструкции штуцера 3 высоты А первой (большей) конической поверхности 4 по сравнению с расчетной величиной, определяемой по формуле (1), не должно быть меньше 5%. Эту величину превышения можно принять и для отношения
штуцера
кольца
где d - диаметр большего основания большей конической поверхности 4 штуцера 3, а d - наибольший диаметр передней части 11 кольца 9 в исходном состоянии (см. фиг.2).
Заявляемое устройство работает следующим образом. На свободный конец трубы 1, подлежащей подсоединению, сначала надевают накидную гайку 7 и затем врезающееся кольцо 9. Свободный конец этой трубы 1 вводят в штуцер 3, который присоединен к трубе 2, и продвигают до тех пор, пока он своим торцом не коснется бурта 6 штуцера 3. Затем начинают навинчивать накидную гайку 7 на штуцер 3. Накидная гайка 7 своей опорной поверхностью 8 давит на опорную поверхность бандажа 12. Врезающееся кольцо 9 начинает перемещаться и своей криволинейной внешней поверхностью 14 в передней части 11 входит сначала в контакт с конической поверхностью 4 штуцера 3. На этом этапе за счет обжима передней части 11 кольца 9 конической поверхностью 4 штуцера 3 создается первая зона герметизации и обеспечиваются условия самоторможения на контакте штуцера 3 с врезающимся кольцом 9. Одновременно начинается врезание кольца 9 в трубу 1. Варьируя углы наклона образующей большей конической поверхности 4 в пределах 3…7°, можно управлять процессом врезания кольца 9 в трубу 1 с учетом ее механических свойств, точности изготовления, а также давления в трубопроводе. При дальнейшем вращении накидной гайки 7 продолжается продвижение врезающегося кольца 9 в уплотнительную полость штуцера 3 и криволинейная внешняя поверхность 14 в передней части 11 кольца 9 вступает в контакт со второй (меньшей) конической поверхностью 5 штуцера 3. При этом в несколько раз возрастает сила затяжки соединения, что является сигналом окончания сборки соединения.
Таким образом, предлагаемое устройство существенно отличается от прототипа. Использование в качестве уплотнительной полости штуцера 3 двух взаимно пересекающихся конических поверхностей 4 и 5 с переменными углами наклона их образующих позволяет в отличие от прототипа создать две уплотнительные зоны на контакте штуцера с кольцом и обеспечить эффект их взаимного самоторможения, оптимизировать конструкцию соединения, добиваясь меньших сил затяжки соединения при достаточной его компактности. Кроме того, появляется возможность управлять процессом сборки соединения и контролировать его с помощью соответствующих приборов. Это позволит практически исключить влияние человеческого фактора на сборку соединения трубопроводов с врезающимся кольцом и автоматизировать этот процесс.