МУФТА И ФОРМА КАНАВКИ, ПРОХОДЯЩЕЙ ПО ОКРУЖНОСТИ
COUPLING AND CIRCUMFERENTIAL GROOVE SHAPE

Ссылка на сопутствующую заявку
Настоящая заявка основана на предварительной заявке на патент США № 62/449,765, поданной 24 января 2017, по которой испрашивается приоритет и содержание которой включено в настоящее описание путем отсылки.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к трубным муфтам для соединения элементов полимерных труб и к элементам труб, соединенных трубными муфтами.
Предпосылки
Механические муфты для соединения друг с другом элементов труб торец в торец содержат соединяемые друг с другом сегменты, которые располагаются по окружности, окружая концевые участки выровненных соосно элементов труб. Термин "элемент трубы" применяется в настоящем описании для описания трубчатого изделия или компонента, имеющего трубчатую форму. К элементам труб относятся трубы, фитинги, такие как угловые муфты, заглушки и тройники, а также компоненты управления текучей средой, такие как задвижки, редукторы, дроссели, регуляторы давления и пр.
Элементы труб подвержены разрушениям на соединениях, где соединены два или более элемента трубы. Разрушения на соединениях могут быть вызваны приложенными силами, создающими напряжения в элементах труб или муфтах, которые превышают предел прочности на растяжение материала, из которого сформированы элементы труб или муфты, при значительно меньших нагрузках, прилагаемых циклично, что вызывает усталостное разрушение, или, когда изгибающие силы добавляют дополнительное напряжение. Независимо от усталостного режима, концентрации напряжений в элементах трубы могут играть основную роль в снижении эксплуатационных характеристик в трубных соединениях, особенно механических трубных соединениях, собранных из полимерных труб, поскольку некоторые полимерные материалы чувствительны к концентрации напряжений.
Концентрации напряжений могут возникать, например, когда элементы полимерных труб соединяются механическими муфтами, обычно изготавливаемыми из металла, имеющими дугообразные выступы, известные как "замки", которые входят в зацепление с проходящими по окружностями канавками в элементах труб. Канавки, сформированные операциями машинной обработки или холодной обработкой (выдавливанием роликами), имеют области концентрации напряжений в "углах" канавки, где стороны канавки встречаются с дном канавки и такие области расположены рядом с местом зацепления замка в канавке или прилегают к этому месту и, поэтому, в этом месте силы и напряжения переносятся муфтой через соединение. Далее, известные инженерные соображения, определяющие геометрию канавки и контакт канавки с замком, имеют тенденцию к увеличению напряжений в углах канавки, и к таким соображениям относится известная потребность довести до максимума высоту зацепления между сторонами замков и сторонами канавки для улучшения характеристик и, в то же время, минимизируя или устраняя сжимающие силы, прилагаемые замком к дну канавки, что приводит к увеличению напряжений в углах канавки. Там, где на соединение действуют другие силы, например, изгибающие силы, и воспринимаются только интерфейсом замок/канавка, в углах канавки напряжение увеличивается еще больше. На этих углах концентрации напряжений формируются как естественное следствие острого угла или имеющегося малого радиуса в месте, где встречаются две поверхности. Такие концентрации напряжений усугубляются необходимостью учета в практическом трубном соединении производственных допусков на сами муфты и элементы труб. Такие производственные допуски создают изменчивость геометрии в каждом элементе, учет которых ограничивает степень, в которой конструкторы муфт могут снижать эффект концентрации напряжений. Увеличенное напряжение в углах канавки и концентрации напряжений, возникающие в них естественным образом, способствуют возникновению трещин в некоторых элементах полимерных труб, которые могут привести к полному разрушению при высоких приложенных нагрузках, или к усталостному разрушению под напряжением, создающим циклические нагрузки. Имеется очевидное преимущество в уменьшении или устранении увеличенных напряжений в углах канавок в полимерных трубах и концентрации напряжений в этих местах, включая уменьшение эффекта геометрических изменений интерфейса замок/канавка.
Краткое описание изобретения
Изобретение относится к муфте для соединения элементов труб. В одном иллюстративном варианте муфта содержит множество сегментов, прикрепленных друг к другу конец в конец, окружая центральное пространство. Регулируемые соединительные элементы расположены на противоположных концах каждого сегмента для крепления сегментов друг с другом. Первый и второй дугообразные выступы расположены, соответственно, на противоположных сторонах каждого сегмента. Каждый дугообразный выступ обращен к оси, которая проходит через центральное пространство, и которая проходит продольно вдоль каждого сегмента. Каждая дугообразная секция имеет полукруглое сечение, проходящее параллельно оси. По меньшей мере часть дугообразного выступа имеет полукруглое сечение.
В иллюстративном варианте по меньшей мере один из дугообразных выступов содержит по меньшей мере одну область разгрузочного зазора, расположенную рядом с концом одного из сегментов. Далее, например, эта по меньшей мере одна область разгрузочного зазора содержит поверхность с увеличенным радиусом кривизны этого одного дугообразного выступа. Поверхность с увеличенным радиусом кривизны обращена к оси.
В иллюстративном варианте муфта содержит не более двух сегментов. В другом иллюстративном варианте каждый из дугообразных выступов на каждом из сегментов содержит первую и вторую области разгрузочного зазора, расположенные, соответственно, рядом с первым и вторым концами каждого из сегментов. В другом примере каждая из первой и второй областей разгрузочного зазора содержит поверхность с увеличенным радиусом кривизны. Поверхности с увеличенным радиусом кривизны обращены к оси.
Иллюстративная муфта далее содержит первую и вторую разгрузочные канавки. Первая разгрузочная канавка расположена рядом с первым дугообразным выступом. Вторая разгрузочная канавка расположена рядом со вторым дугообразным выступом. Каждая разгрузочная канавка проходит продольно вдоль каждого сегмента и обращена к оси. Иллюстративный вариант далее содержит первый уступ, расположенный рядом с первой разгрузочной канавкой. Первая разгрузочная канавка находится между первым уступом и первым дугообразным выступом. Второй уступ находится рядом со второй разгрузочной канавкой. Вторая разгрузочная канавка находится между вторым уступом и вторым дугообразным выступом. Первый и второй уступы выполнены с возможностью контакта с элементами труб.
В иллюстративном варианте каждый из первого и второго уступов имеет радиус кривизны приблизительно равный радиусу кривизны внешней поверхности элементов труб. Иллюстративный вариант далее может содержать по меньшей мере один крепежный элемент, расположенный на конце каждого сегмента. В конкретном иллюстративном варианте крепежные элементы могут содержать проушины, отходящие наружу от каждого сегмента. Другой пример содержит крепежные элементы, расположенные на противоположных концах каждого сегмента. Например, такие крепежные элементы содержат проушины, отходящие наружу от противоположных концов каждого сегмента. Каждая проушина определяет отверстие для приема соединительной детали.
Иллюстративная муфта далее содержит уплотнительное кольцо, расположенное в центральном пространстве. Уплотнительное кольцо имеет внешнюю поверхность, поддерживающую сегменты в разнесенном друг от друга положении на расстоянии, достаточном для введения элементов труб в центральное пространство. Крепежные элементы удерживают сегменты в контакте с уплотнительным кольцом.
Изобретение также охватывает в комбинации элемент трубы и муфту для соединения этого элемента трубы с другим элементом трубы. В иллюстративном варианте элемент трубы содержит боковую стенку, окружающую и определяющую внутренний канал. Боковая стенка имеет внешнюю поверхность, обращенную от канала. Во внешней поверхности боковой стенки имеется канавка. Канавка проходит по окружности вокруг канала. Например, канавка содержит первую боковую поверхность, сопрягающуюся с первой поверхностью дна. Первая боковая поверхность и первая поверхность дна совместно образуют первую дугу окружности длиной 90°, если смотреть в сечении, параллельном оси, проходящей соосно сквозь канал. Вторая боковая поверхность сопрягается со второй поверхностью дна. Вторая боковая поверхность и вторая поверхность дна образуют вторую дугу окружности длиной 90°, если смотреть в сечении, параллельном оси, проходящей соосно сквозь канал. Иллюстративная муфта содержит множество сегментов, прикрепленных друг к другу конец в конец, окружая центральное пространство. Регулируемые крепежные элементы расположены на противоположных концах каждого сегмента для крепления сегментов друг к другу. Первый и второй дугообразные выступы обращены к оси, проходящей сквозь центральное пространство и проходящей продольно вдоль каждого сегмента. Каждый дугообразный выступ имеет полукруглое сечение, проходящее параллельно оси. По меньшей мере часть дугообразного выступа имеет полукруглое сечение.
Иллюстративная комбинация далее содержит третью поверхность дна, сопрягающуюся с первой и второй поверхностями дна. Третья поверхность дна может быть плоской поверхностью. Например, канавка имеет полукруглую форму сечения, содержащую первую дугу окружности длиной 90°, и вторую дугу окружности длиной 90°. В иллюстративном варианте по меньшей мере один из дугообразных выступов содержит по меньшей мере одну область разгрузочного зазора, расположенную рядом с концом одного из сегментов. Например, эта по меньшей мере одна область разгрузочного зазора содержит поверхность с увеличивающимся радиусом кривизны на одном из дугообразных выступов. Поверхность с увеличивающимся радиусом кривизны обращена к оси.
Иллюстративная муфта может содержать не более двух сегментов.
Например, каждый из дугообразных выступов на каждом из сегментов может содержать первую и вторую области разгрузочного зазора, расположенные рядом, соответственно, с первым и вторым концами каждого из сегментов. В иллюстративном варианте каждая из первой и второй областей разгрузочного зазора содержит поверхность с увеличивающимся радиусом кривизны. Поверхность с увеличивающимся радиусом кривизны обращена к оси.
Иллюстративная комбинация далее может содержать первую и вторую разгрузочные канавки. Первая разгрузочная канавка расположена рядом с первым дугообразным выступом. Вторая разгрузочная канавка расположена рядом со вторым разгрузочным выступом. Каждая разгрузочная канавка проходит продольно вдоль каждого сегмента и обращена к оси.
Иллюстративная комбинация далее может содержать первый уступ, расположенный рядом с первой разгрузочной канавкой. Первая разгрузочная канавка находится между первым уступом и первым дугообразным выступом. Второй уступ расположен рядом со второй разгрузочной канавкой. Вторая разгрузочная канавка находится между вторым уступом и вторым дугообразным выступом. Первый и второй уступы выполнены с возможностью контакта с элементами труб.
В иллюстративном варианте каждый из первого и второго уступов имеет радиус кривизны, приблизительно равный радиусу кривизны наружной поверхности элементов труб. Например, комбинация далее может содержать по меньшей мере один крепежный элемент, расположенный на конце каждого сегмента. В конкретном иллюстративном варианте крепежные элементы содержат проушины, отходящие наружу от каждого сегмента. Каждая проушина определяет отверстие для приема соединительной детали. Например, крепежные элементы расположены на противоположных концах каждого сегмента.
В иллюстративном варианте крепежные элементы содержат проушины, отходящие наружу от противоположных концов каждого сегмента. Каждая крепежная проушина определяет отверстие для приема соединительной детали. Иллюстративный вариант далее может содержать уплотнительное кольцо, расположенное в центральном пространстве. Уплотнительное кольцо имеет наружную поверхность, поддерживающую сегменты в разнесенном друг от друга положении на расстояние, достаточное для введения элементов труб в центральное пространство. Крепежные элементы удерживают сегменты в контакте с уплотнительным кольцом.
Настоящее изобретение также охватывает элемент трубы для использования с трубной муфтой, содержащей множество сегментов, прикрепленных друг к другу конец в конец, окружая центральное пространство для приема элемента трубы. В иллюстративном варианте по меньшей мере один дугообразный выступ расположен на одной стороне муфты и обращен к оси, проходящей сквозь центральное пространство. Дугообразный выступ имеет полукруглое сечение, параллельное оси. Иллюстративный элемент трубы содержит боковую стенку, окружающую и определяющую внутренний канал. Боковая стенка имеет наружную поверхность, обращенную от канала. В наружной поверхности боковой стенки выполнена канавка. Эта канавка проходит по окружности вокруг канала. В иллюстративном варианте канавка содержит первую боковую поверхность, сопрягающуюся с первой поверхностью дна. Первая боковая поверхность и первая поверхность дна совместно образуют первую дугу окружности длиной 90°, если смотреть в сечении, проходящем параллельно оси, проходящей соосно сквозь канал. Вторая боковая поверхность сопрягается со второй поверхностью дна. Вторая боковая поверхность отнесена от первой боковой поверхности и обращена к ней. Вторая боковая поверхность и вторая поверхность пола совместно образуют вторую дугу окружности длиной 90°, если смотреть в сечении, проходящем параллельно оси, проходящей соосно сквозь канал.
Иллюстративный элемент трубы далее может содержать третью поверхность дна, сопрягающуюся и с первой, и со второй поверхностями дна. Третья поверхность дна может содержать плоскую поверхность. Например, канавка имеет полукруглое сечение, содержащее первую дугу окружности длиной 90° и вторую дугу окружности длиной 90°.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - вид в изометрии иллюстративной муфты по настоящему изобретению.
Фиг. 2 - вид в изометрии части муфты по фиг. 1.
Фиг. 3 - частичное продольное сечение соединения, сформированного муфтой по фиг. 1 и иллюстративными элементами труб по настоящему изобретению.
Фиг. 3A и 3B - частичные сечения канавок иллюстративного элемента трубы по настоящему изобретению, показанные в увеличенном масштабе.
Фиг. 3C и 3D - схематические виды, иллюстрирующие влияние производственных допусков на интерфейс муфты и элементов труб.
Фиг. 4 - продольное сечение трубного соединения, в котором применяется иллюстративная муфты и иллюстративные элементы труб по настоящему изобретению, и
Фиг. 5 и 6 иллюстрируют пример способа формирования трубного соединения, показанного на фиг. 3 и 4, с применением иллюстративной муфты и иллюстративных элементов труб по настоящему изобретению.
Подробное описание
На фиг. 1 показан пример трубной муфты 10 по настоящему изобретению. Муфта 10 содержит множество сегментов, в этом примере - два сегмента 12 и 13, прикрепленных друг к другу конец в конец, окружая центральное пространство 16. Для соединения сегментов 12 и 14, на противоположных концах каждого сегмента расположены крепежные элементы 18. В этом примере крепежные элементы 18 содержат проушины 20, отходящие радиально от концов сегментов 12 и 14. Проушины 20 на сегменте 12 обращены к проушинам 20 на сегменте 14 и имеют сквозные отверстия 22, в которые вставлены регулируемые соединительные детали 24, в этом примере болты 26 и гайки 28. Затягивание соединительных деталей 24 стягивает сегменты друг к другу и вводит в зацепление с соединяемыми элементами труб, как будет описано ниже. В других вариантах крепежные элементы 18 могут находиться только на одном конце каждого сегмента, а противоположные концы могут быть соединены, например, шарниром.
Как показано на фиг. 2, каждый сегмент 12 и 14 (показан сегмент 12) имеет первый и второй дугообразные выступы 30 и 32, расположенные на противоположных сторонах 34 и 36 каждого сегмента 12 и 14. Каждый дугообразный выступ 30, 32 обращен к оси 38, проходящей сквозь центральное пространство 16. Дугообразные выступы 30 и 32 проходят продольно вдоль каждого сегмента 12 и 14. Как показано на фиг. 3, каждый дугообразный выступ 30, 32 на сегментах 12 и 14 (показан сегмент 14) имеет полукруглое сечение 40, параллельное оси 38. Рядом с каждым дугообразным выступом 30, 32 проходят разгрузочные канавкм 31. Как показано на фиг. 2, каждый дугообразный выступ 30, 32 по меньшей мере на части своей длины имеет полукруглое сечение 40. В показанной иллюстративной муфте дугообразные выступы 30 и 32 также содержат области 42 разгрузочного зазора, Такие области разгрузочного зазора обеспечивают зазор между сегментами 12 и 14 и элементами труб после установки элементов труб в предварительно собранную муфту (как описано ниже). В показанном примере области разгрузочного зазора имеют поверхности 42 с увеличивающимся радиусом 44 кривизны. Радиусы 44 поверхностей 42 измеряют от цента 46 кривизны дугообразных выступов 30, 32, имеющих полукруглое сечение. Поверхности 42 расположены рядом с концами сегментов 12 и 14 и представляют плоскую поверхность, обращенную к оси 38, где выступы 30 и 32 в обратном случае мешали бы введению элементов труб при сборке.
Как далее показано на фиг. 3 и 4, настоящее изобретение также охватывает элементы 48 и 50 труб, соединенные муфтой 10. В этом примере каждый элемент 48 и 50 трубы содержит боковую стенку 52, окружающую и определяющую внутренний канал 54. Боковая стенка, далее, имеет наружную поверхность 56, обращенную от канала 54. На наружной поверхности 56 боковой стенки 52 имеется канавка 58. Канавка 58 проходит по окружности вокруг канала 54. В иллюстративном варианте, показанном на фиг. 3 и 3A, канавка 58 содержит первую боковую поверхность 60, сопрягающуюся с первой поверхностью 62 дна. Если смотреть в сечении, параллельном оси 38 (проходящей соосно сквозь канал 54), первая боковая поверхность 60 и первая поверхность 62 дна совместно образуют первую дугу 64 окружности длиной 90°. Канавка 58 далее содержит вторую боковую поверхность 66, сопрягающуюся со второй поверхностью 68 дна. Вторая боковая поверхность 66 отнесена от первой боковой поверхности 60 и обращена к ней. Если смотреть в сечении, параллельном оси 38, вторая боковая поверхность 66 и вторая поверхность 68 дна совместно образуют вторую дугу 70 окружности длиной 90°. В этом иллюстративном варианте канавка 58 далее содержит третью поверхность 72 дна. Третья поверхность дна сопрягается с первой и второй поверхностями 62 и 68 дна и является плоской поверхностью, или поверхностью, имеющей бесконечный радиус кривизны. На фиг. 3B показан другой вариант канавки 58, содержащей первую боковую поверхность 60, сопрягающуюся с первой поверхностью 62 дна, которые совместно образуют первую дугу 64 окружности длиной 90°. Канавка 58 по фиг. 3B далее содержит вторую боковую поверхность 66, сопрягающуюся со второй поверхностью 68 дна, которые совместно образуют вторую дугу 70 окружности длиной 90°. В этом варианте канавка 58 имеет полукруглое сечение, содержащее первую дугу 64 окружности длиной 90° и вторую дугу 70 окружности длиной 90°.
Канавка 58, сформированная по любому из вариантов, существенно снижает или даже устраняет области концентрации напряжений, традиционно связанные с проходящими по окружности канавками в элементах труб. В экспериментах, проводимых на элементах труб из ХПВХ наблюдалось сопутствующее улучшение характеристик соединения, когда увеличивались и предельная прочность, и ресурс по усталости элементов труб, имеющих канавки с сечением, описанным для канавки 58.
Влияние производственных допусков на интерфейс замок/канавка показан на фиг. 3C и 3D. Каждый сегмент (показан сегмент 14) имеет расчетный профиль 33, а также приемлемый верхний предел 35 допуска и приемлемый нижний предел 37 допуска. Аналогично, элементы труб (показан элемент 50) имеют расчетный профиль 39, приемлемый верхний предел 41 допуска и приемлемый нижний предел 43 допуска. Конструкция механического соединения должна учитывать эти зоны допусков без натяга. Однако, нежелательный натяг между выступами 30 и 32 и канавками 58 возникнет, когда и муфта, и элементы труб находятся на своих допустимых верхних пределах допуска. Разгрузочные канавки 31 (см. фиг. 3 и 3D) устраняют зону наибольшего натяга, зону 45, показанную на фиг. 3C для муфты с верхним пределом 35 допуска и элементом трубы с верхним пределом 41 допуска. Посадка между дугообразным выступом 32 и канавкой 58 в этом случае такова, что верхний предел 35 допуска муфты показан натянутым (т.е., проходящим ниже) на линию 41 верхнего предела допуска элемента трубы. Однако наличие разгружающей канавки (см. фиг. 3D) устраняет этот натяг и позволяет создать более подходящую посадку дугообразных выступов 30, 32 в канавке 58. В отсутствии разгружающих канавок 31 зоны 45 натяга либо приведут к созданию дополнительных напряжений в элементах 48, 50 труб, поскольку муфта 10, изготовленная из металла, попытается смять угол полимерных элементов 48, 50 труб, или не позволит дугообразным выступам 30 и 32 сесть в канавку 58 как можно глубже.
На фиг. 5 и 6 показана работа комбинации муфты и элемента трубы. Как показано на фиг. 5 (см. также фиг. 1), муфта 10 находится в предварительно собранном состоянии, в котором она поставляется с предприятия или от дистрибутора. В предварительно собранном состоянии сегменты 12 и 14 прикреплены друг к другу конец в конец регулируемыми крепежными элементами 18 (в данном примере, проушинами 20 и соединительными деталями 24), но и поддерживаются в разнесенном друг от друга состоянии уплотнительным кольцом 74, расположенным между ними. Уплотнительное кольцо 74 сформировано из эластомера, такого как синтетический каучук, и в недеформированном состоянии имеет наружную поверхность 75 (см. фиг. 4) такого размера, чтобы поддерживать сегменты 12 и 14 в разнесенном друг от друга состоянии на расстоянии, достаточном для введения элементов 48 и 50 труб в центральное пространство 16 без разборки муфты 10. Регулируемые крепежные элементы 18 в предварительно собранном состоянии удерживают сегменты 12 и 14 в контакте с уплотнительным кольцом 74 (см. фиг. 1 и 5) и могут быть отрегулированы, чтобы немного сжать уплотнительное кольцо 74, чтобы сегменты не были свободны. Установка элементов труб, как показано на фиг. 5, облегчается за счет областей разгрузочного зазора, в данном примере поверхностями 42 с увеличивающимся радиусом кривизны (см. фиг. 1 и 2), расположенными рядом с концами сегментов 12 и 14. Поверхности 42 с увеличивающимся радиусом кривизны образуют зазор в областях дугообразных выступов 30 и 32, которые, в противном случае могли бы сталкиваться с элементами 48 и 50 труб во время установки.
Как показано на фиг. 6, соединительные детали 24 затягивают для стягивания сегментов 12 и 14 по направлению друг к другу и для стягивания дугообразных выступов в зацепление с канавками 58 в элементах 48, 50 труб и для формирования трубного соединения. Как показано на фиг. 4, разгрузочные канавки 31 уменьшают или устраняют вредное влияние комбинированных допусков элементов 48, 50 труб и сегментов 12, 14, что приводит к увеличению усталостного ресурса и максимальных нагрузок, когда прилагаются растягивающие нагрузки, а также, когда допуски отклоняются от номинальных. Разгрузочные канавки 21 также не допускают добавления напряжений на элементы 48, 50 труб в результате натяга (которые возникают в случае из отсутствия). Когда сегменты 12 и 14 стягиваются по направлению друг к другу, уплотнительное кольцо 74 сжимается и деформируется между сегментами и элементами 48, 50 труб и образует герметично уплотненное соединение. Разгрузочные канавки 31 далее позволяют увеличить жесткость при изгибе сформированного соединения. Жесткость при изгибе обеспечивается контактом между элементами труб и уступами 33 сегментов, которые имеют радиус кривизны приблизительно равный радиусу кривизны наружной поверхности элементов труб. Разгрузочные канавки 31 не допускают натяга в углу 45 (см. фиг. 3D) и обеспечивают полный контакт между элементами труб и уступами 33, тем самым повышая жесткость при изгибе сформированного соединения.
Соединения, сформированные комбинацией муфт и элементов труб по настоящему изобретению, показали увеличенный усталостный ресурс и улучшенные характеристики максимального давления по сравнению с известными конструкциями.