Соединение цилиндрических деталей
CONNECTION OF CYLINDRICAL PARTS

Изобретение относится к общему машиностроению, а именно к элементам для соединения цилиндрических поверхностей.
В инженерной практике, в частности, при разработке глубинного насосного оборудования для механизированной добычи нефти, а именно, гидромеханических редукторов, осуществляющих преобразование вращательного движения вала гидромотора в возвратно-поступательное движение штока привода плунжерного насоса, достаточно часто стоит задача нежесткого соединения торцов 2-х и более цилиндрических деталей друг с другом.
В классической инженерной практике используются следующие торцевые соединения 2-х деталей типа тел вращения:
1. Разъемные резьбовые соединения с помощью элементов крепления (болтов, винтов, шпилек с гайками), зачастую также предусматривающие элементы базирования в виде торцевых направляющих штифтов, торцевых шпонок и пр. Предусматривают жесткое неподвижное соединение без степеней свободы друг относительно друга.
2. Неразъемные соединения (сварные, паяные, клеевые и пр.), которые предусматривают жесткое крепление деталей и отсутствие степеней свободы. Часто требуют тщательной предварительной подготовки поверхностей соединяемых деталей, разделки кромок и пр.
3. Разъемные резьбовые соединения, предусматривающие навинчивание одной детали на другую, например, некоторые варианты крепления токарного патрона к шпинделю токарного станка. При затяжке характеризуются отсутствием степеней свободы деталей.
Описанные выше типы соединений, наряду с их достоинствами, обладают также рядом характерных недостатков в случае, когда внутренние или наружные поверхности соединяемых деталей базируются по различным видам поверхностям (резьба ходового винта, гладкая поверхность цилиндрической втулки), а также в случае большой длины соединяемых деталей, при которых неизбежно возникают погрешности их взаимного базирования, вызванные несоосностью базовых опорных поверхностей. При этом отсутствие возможности хотя бы незначительного взаимного перемещения деталей увеличивает риск возникновения значительных внутренних напряжений при наличии несоосности ответных деталей, погрешностей их изготовления, а также температурных колебаниях.
Кроме того, иногда присутствует необходимость применения сложных технологических процессов при использовании материалов с плохой свариваемостью, а именно - тугоплавких высоколегированных сталей, титановых, вольфрамовых и др. сплавов - предварительного подогрева свариваемых деталей, применения защитных газов, вакуума, медленного охлаждения сварного соединения и пр. Велика вероятность возникновения внутренних сварных напряжений, вызванных неравномерным нагревом и/или охлаждением сварного узла.
Известно байонетное соединение цилиндрических поверхностей, содержащее обхватывающую деталь с пазами и выемкой на ее внутренней поверхности и обхватываемую деталь с пальцами и выемкой со скосом в сторону пальцев, в которой установлено уплотнительное кольцо, поджатое подшипником и пружиной, установленными в выемке обхватывающей детали. Пальцы обхватываемой детали установлены в выемках охватывающей детали (патент РФ №2370677. опубл. 2009 год).
Известное соединение обладает повышенной герметичностью и обеспечивает достаточную надежность от самопроизвольного рассоединения, однако оно не предусматривает никакой возможности взаимного перемещения соединяемых деталей, которое необходимо для компенсации геометрических погрешностей этих деталей, их несоосности и температурных колебаний, что повышает риск возникновения внутренних напряжений и, как следствие снижает надежность работы соединения.
Известно соединение цилиндрических деталей, содержащих трубчатый корпус и концевую деталь, выполненные с кольцевой проточкой для установки в них стопорного элемента, в качестве которого использовано незамкнутое кольцо с отогнутыми наружу и внутрь концами, установленное в совмещенных кольцевых проточках обеих деталей, при этом в пределах совмещенных кольцевых проточек сформирован сквозной паз в трубчатом корпусе и глухой паз на концевой детали, переходящие друг в друга, при этом в глухом пазу выполнено отверстие для фиксации конца незамкнутого кольца и резьбовые отверстия для позиционирования деталей друг с другом с помощью стопорных винтов (Патент РФ №2447332, публ. 2012 год).
Известное соединение может быть использовано в погружных установках добычи нефти в качестве механического соединения двух деталей и направлено на достижение надежного крепления и позиционирования соединяемых цилиндрических деталей в заданном положении.
Вместе с тем, данное соединение также не предусматривает никакой возможности взаимного перемещения соединяемых деталей, которое необходимо для компенсации геометрических погрешностей и температурных расширений, что снижает надежность работы соединения.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание нежесткого соединения 2-х и более цилиндрических деталей, дающего возможность незначительных взаимных перемещений их друг относительно друга для компенсации геометрических погрешностей ответных деталей большой длины, температурных деформаций и погрешностей взаимного базирования.
Технический результат достигается тем, что в соединении цилиндрических деталей, содержащем трубчатые корпуса соединяемых деталей, выполненные с кольцевой проточкой для установки в них стопорного элемента, и сам стопорный элемент, кольцевые проточки выполнены на ответных торцах соединяемых трубчатых корпусов, причем каждая кольцевая проточка выполнена в виде канавки с буртиком, при этом стопорный элемент выполнен из листового материала в виде профилированного упругого кольца с S-образной формой сечения с зубчатыми краями и установлен в кольцевых канавках трубчатых корпусов с возможностью зацепления с соответствующими буртиками торцевых канавок.
Выполнение кольцевых проточек соединяемых трубчатых корпусов на их ответных торцах и выполнение кольцевых проточек в виде канавок с буртиками и установка в этих канавках профилированного упругого кольца с S-образной формой сечения с зубчатыми краями с возможностью зацепления с соответствующими буртиками торцевых канавок позволяет произвести торцевое соединение цилиндрических деталей при сохранении в необходимых пределах всех степеней свободы их взаимного перемещения относительно друг друга, что позволяет компенсировать геометрические погрешности ответных деталей большой длины, погрешности их взаимного базирования, а также возникающие в процессе работы температурные деформации.
Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 показан общий вид предлагаемого соединения, на фиг. 2 показано укрупненно сечение соединения и на фиг. 3 показан его стопорный элемент.
Соединение цилиндрических деталей, содержит трубчатые корпуса 1 и 2, выполненные с канавками 3 и 4 с коническими буртиками 5 и 6, а также стопорный элемент 7, выполненный из листового материала в виде профилированного кольца, имеющего в сечении S - образную сильфонную форму, краевые части которого выполнены с изогнутыми зубьями 8, находящимися в зацеплении с буртиками 5, 6.
Стопорный элемент 7 в данном соединении является торцевой пружиной, которая может быть выполнена из тонкостенных цилиндрических заготовок сталей 55Г, 60Г, 65Г или 55ГС, 60ГС и 65ГС методом вырубки зубьев и последующего деформирования (сжатия) для придания профилю элемента S-образной формы с обязательной термообработкой для обеспечения необходимых пружинных свойств. Толщина стенки стопорного элемента 7 выбирается в зависимости от размеров соединяемых деталей и передаваемых усилий и может составлять от 0,5 до 1,5 мм. При возникновении осевых усилий такая конструкция позволяет стопорному элементу 7 деформироваться в определенных пределах.
Зацепление зубьев 8 стопорного элемента 7 производится за конические буртики 5, 6 канавок 3 и 4. На одном из корпусов 1, 2, например, корпусе 1, буртик 5 в канавке 4 располагается со стороны внешней поверхности корпуса 1, тогда на другом из соединяемых корпусов - корпусе 2 буртик 6 в канавке 4 располагается со стороны внутренней поверхности корпуса 2.
При работе соединения с помощью стопорного элемента 7 передается осевое усилие от цилиндрического корпуса 1 к цилиндрическому корпусу 2 или наоборот, причем зазор между торцами может уменьшаться до 0, при котором осуществляется непосредственный контакт («толкающее» усилие), или увеличиваться до 2-3 мм («тянущее» усилие). При этом пружина работает на разрыв только при «тянущем» усилии, при «толкающем» усилии торцы деталей упираются друг в друга, и пружина не работает.