Универсальное соединительное устройство для конического фланцевого соединения

Предлагаемая полезная модель относится к машиностроению, в частности к устройствам для соединения конических фланцевых соединений двух конструктивных элементов, каждый из которых на том конце элемента, на котором должно осуществляться соединение, имеет выступающий в радиальном направлении наружу фланец, который скошен на своей задней стороне, обратной свободной соединяемой стороне, образуя тем самым коническое фланцевое соединение.
Известны соединительные устройства для конических фланцевых соединений, содержащие, выполненные в форме кольца, стягиваемые в окружном направлении устройства, имеющие выступающие в радиальном направлении внутрь плечи, между которыми в осевом направлении образовано проемное пространство с увеличивающимся внутренним диаметром. Такое соединительное устройство часто выполнено в виде профильного хомута, у которого выступающие в радиальном направлении внутрь плечи имеют наклон, точно соответствующий углу наклона скоса конических фланцев. При стягивании профильного хомута его внутренний диаметр уменьшается, и внутренние поверхности плеч входят в контакт с коническими фланцами и прижимают их друг к другу в осевом направлении. Такие устройства (хомуты) известны, например, по US 6052873. Такие устройства требуют обеспечения достаточно жестких допусков на изготовление как для конических фланцев, так и для поперечного сечения профильного хомута для обеспечения как можно более полного контакта соответствующих поверхностей хомута и обоих фланцев с целью создания требуемого усилия сжатия фланцев и придания необходимой жесткости всему соединению, обеспечивающей нераскрытие стыка под действием осевых сил и/или изгибающих моментов. Это обстоятельство делает практически невозможным применение одинаковых соединительных хомутов для различных диаметров конических фланцев соединяемых конструктивных элементов, т.к. такой профильный хомут не может скомпенсировать даже малые величиной 1-2 мм различия диаметров. Поэтому для каждого диаметра фланцев соединяемых конструктивных элементов требуется индивидуальный профильный хомут. В свою очередь, для изготовления таких профильных хомутов и обеспечения точности соблюдения размеров требуется специализированные станочное оборудование, набор инструментов и приспособлений, что повышает материальные и временные затраты на изготовление профильных хомутов и фланцевого соединения в целом.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является соединительное устройство для конического фланцевого соединения, описанное в патенте RU 2538526, основной задачей создания которого по утверждению авторов является снижение затрат на изготовление соединительного устройства за счет снижения количества элементов, требующихся повышенной точности изготовления.
Такое соединительное устройство включает в себя стяжное устройство, внутри которого установлена вставка, выполненная в виде сплошной гибкой ленты, на которой выполнены плечи, соединенные между собой спинкой, прилегающей изнутри к стяжному устройству и скрепленной с ним, причем плечи имеют в окружном направлении несколько разрывов, а длина вставки соответствует длине окружности конического фланца. Вставка предпочтительно имеет в поперечном сечении имеет С-образный или Ω-образный изгиб, причем она может иметь и плоские поверхности, например, в области прилегания к стяжному устройству. Стяжное устройство предпочтительно выполнено в виде червячного резьбового хомута, который обеспечивает возможность охвата диаметров, отличающихся друг от друга. Высота конических фланцев в радиальном направлении больше, чем размер вставки в радиальном направлении, благодаря чему стягивая червячный резьбовой хомут, уменьшая тем самым его диаметр, можно ввести вставку в контакт с наружными в радиальном направлении областями конических фланцев, и, продолжая стягивание за счет изгиба вставки, можно достичь необходимого стягивающего усилия фланцев, уменьшая диаметр вставки вплоть до прилегания спинки к коническим фланцам. Величина силы стягивания, которая определяется из обеспечения условия нераскрытия стыка при воздействии эксплуатационных нагрузок на стык, зависит от материала, толщины ленты вставки, а также от количества и размеров (окружных и радиальных) разрывов плеч. При этом за счет достаточно больших упругих деформаций вставки при отгибе плеч удается снизить требования к точности изготовления профиля вставки, что заявляется как одно из основных условий снижения затрат на изготовление этих стяжных устройств.
Согласно патенту вставка предпочтительно закреплена на стяжном устройстве для удержания вставки в стяжном устройстве без возможности выпадения.
Согласно патенту вставка может быть изготовлена из ленты достаточно большой длины, которая тем не менее, ограничивается возможностями производственного оборудования, поэтому одну и ту же исходную ленту-заготовку можно использовать, разделяя на отрезки, соответствующие по длине разным диаметрам соединяемых фланцев, что также позволяет снизить затраты на производство.
К недостаткам прототипа можно отнести следующие обстоятельства.
Заданная длина вставки в процессе изготовления практически однозначно определяет диаметр фланца, для которого предназначено изготовленное соединительное устройство. Причем использовать конкретное соединительное устройство для фланцев меньшего диаметра без резкого снижения усилия стягивания из-за вынужденного уменьшения деформирования плеч в принципе невозможно, в то же время величина превышения диаметра незначительна.
Заявленная в прототипе доля снижения затрат на изготовление соединения не представляется определяющей в общей сумме затрат на изготовление, т.к. для изготовления профильной вставки требуется качественная пружинная сталь, например, в виде ленты, с высоким пределом упругости для обеспечения возможности получения как можно более высокого стягивающего усилия при меньшей толщине вставки при относительно небольшом усилии стягивания, что облегчает сборку соединения и обеспечивает многократное использование соединения без потери качества. В то же время изготовление вставки достаточно сложное технологически и, в целом, сравнительно затратное, т.к. включает в себя следующие основные операции - отжиг, формирование соответствующей формы вставки из ленты, для чего необходимо выполнить операции вырезки (например, лазером или вырубкой) из исходной ленты или листа, гибки из полученной сформованной ленты для придания заданной формы спинке и плечам вставки по заранее изготовленной оснастке, закалки и, наконец, химической обработки - очистки и антикоррозионного покрытия.
При этом жесткость стыка фланцевого соединения на нераскрытие относительно невелика, т.к. определяется изгибной жесткостью плеч, которые изгибаются по всей длине сечения плеча, поэтому в случае, например, аварийного относительно небольшого превышения нагрузки на фланец над величиной расчетной эксплуатационной нагрузки предварительного стягивания фланцев, сжатие стыка фланцевого соединения исчезает и нарушается его герметичность, что является критичным в ряде случаев применения таких фланцев.
Задачами предложенной полезной модели являются упрощение конструкции и универсализация соединительного устройства для обеспечения возможности соединения конических фланцев с различными диаметрами, улучшение его эксплуатационных характеристик, а также снижение затрат на его изготовление и общей стоимости устройства.
Задача упрощения конструкции предложенного соединительного устройства для конического фланцевого соединения решается за счет того, что в его состав входят всего два типа элементов - общедоступный стандартный стяжной червячный хомут, например, по ГОСТ 28191, и не менее трех одинаковых «дискретных» сегментов вставки, причем в предложенном устройстве не требуется закреплять сегменты вставки на стяжном устройстве.
Задача универсализации соединительного устройства для конического фланцевого соединения решается за счет того, что предложенное соединительное устройство может быть использовано для соединения фланцев с широким диапазоном диаметров, т.к. в зависимости от диаметра в соединительном устройстве используется большее или меньшее количество одинаковых сегментов вставки, причем один и тот же типоразмер по длине червячного хомута может использоваться для фланцев с достаточно широким диапазоном диаметров, а при очень сильном различии диаметров выбирается червячный хомут соответствующей длины.
Задача повышения эксплуатационных характеристик соединительного устройства, а именно повышение прочностных и жесткостных характеристик фланцевого соединения решается за счет простого увеличения количества вставок в устройстве соединении, причем, если при эксплуатации фланцевого соединения есть направление, в котором действуют заметно большие по величине эксплуатационные изгибающие моменты, то за счет уплотнения вставок при размещении их по окружности по линии действия больших моментов легко повысить прочность и жесткость фланцевого соединения в указанном направлении. В тоже время, высокая жесткость соединения в целом достигается также за счет того, что спинка сегмента вставки работает на растяжение, а не на изгиб. Приведенные обстоятельства повышают надежность соединения в целом.
Задача снижение затрат на изготовление и общей стоимости предложенного соединительного устройства решается за счет того, что сегменты вставки могут быть изготовлены из общедоступных конструкционных сталей на широко распространенном станочном оборудовании, т.к. не требуется высокой точности при изготовлении конических фланцев и вставок, а возможные несовпадения размеров компенсируются за счет незначительных изгибов спинок сегментов вставки, причем одни и те же сегменты могут быть использованы для фланцев с разными диаметрами, а используемые червячные хомуты в качестве стяжных устройств широко доступны и, обладая высокими прочностными характеристиками, имеют низкую стоимость.
Существенными признаками, отличающими заявляемую полезную модель в ее частных формах исполнения являются: выполнение вставки в виде набора дискретных элементов распределенных по окружности фланца, придающее устройству свойство универсальности в смысле способности соединения конических фланцев различных диаметров, а также возможность неравномерного распределения сегментов вставок по окружности фланца.
Сущность изобретения поясняется следующими рисунками и чертежами.
На фиг. 1 показан радиальный разрез конического фланцевого соединения в сборе.
На фиг. 2 показано универсальное соединительное устройство для конического фланцевого соединения, вид по оси.
На фиг. 3 показано универсальное соединительное устройство в аксонометрии.
На фиг. 4 показано универсальное соединительное устройство для конического фланцевого соединения, вариант неравномерного распределения сегментов вставки.
На фиг. 5, 6 показаны сечения соединительного устройства с возможными вариантами несовпадения углов конического фланцевого соединения и сегмента вставки перед стягиванием хомута.
На фиг. 7 показано перпендикулярное оси фланца сечение фланцевого соединения в зоне конического выступа с дискретными сегментами вставки соединительного устройства, выполненными в виде кольцевых секторов.
На фиг. 8 показано перпендикулярное оси сечение фланцевого соединения в зоне конического выступа с призматическими прямолинейными дискретными сегментами вставки соединительного устройства
На фиг. 1 показан радиальный разрез конического фланцевого соединения, предназначенного для соединения первого конструктивного элемента 1 со вторым конструктивным элементов 2. Для этого первый конструктивный элемент 1 имеет ориентированный в радиальном направлении наружу выступ 3, наружная сторона которого, обращенная от второго конструктивного элемента 2, расположена наклонно к радиальному направлению 4. Второй конструктивный элемент 2 также имеет в радиальном направлении наружу выступ 5, наружная сторона которого обращенная от первого конструктивного элемента 1 и расположена наклонно к радиальному направления 4.
Предложенное соединительное устройство (фиг. 3) состоит из двух частей. Первая часть - это изогнутое в форме кольца стяжное устройство, выполненное в виде червячного резьбового хомута, который содержит стяжную ленту 6 на одном конце которой выполнена резьбовая дорожка, а на другом конце закреплена стяжная головка 7. В стяжной головке установлен стяжной винт 8, который находится в зацеплении с резьбовой дорожкой. При вращении стяжного винта изменяется внутренний диаметр кольца образованного стяжной лентой 6.
Вторая часть - это вставка (фиг. 1), на которой выполнены упруго соединенные между собой спинка 9 и выступающие в радиальном направлении внутрь плечи 10, 11, между которыми в осевом направлении образовано приемное пространство. На внешней стороне вставки выполнена ступенчатая обнизка для укладки в нее стяжной ленты 6 и формирования спинки 9.
Как видно на фиг. 2, 3, 4, вставка выполнена в виде одинаковых дискретных сегментов, 12 распределенных равномерно (фиг. 2) по окружности конического фланца. В зависимости от диаметра фланца выбирается длина ленты 6 хомута и необходимое количество сегментов 12. Количество сегментов 12 зависит от эксплуатационных нагрузок на фланец. При этом в случае, когда при эксплуатации фланцевого соединения есть направление, в котором действуют заметно большие по величине эксплуатационные изгибающие моменты, сегменты могут быть распределены с уплотнением по линии действия 13 больших моментов как показано на фиг. 4.
На фиг. 5, 6 показан способ компенсации возможных вариантов несовпадений углов наклонов поверхностей фланцев и плеч вставок Δθ, Δϕ в процессе затяжки соединительного устройства. Так при стягивании ленты 6 возникают прижимающие силы F, которые относительно точек контакта O1-O1 (фиг. 5), O2-O2 (фиг. 6) создают, соответственно, изгибающие моменты M1, М2, которые в свою очередь, упруго деформируют спинку 9 так, что устанавливается плотный контакт соответствующих поверхностей, как показано на фиг. 1.
На фиг. 7 показано перпендикулярное оси фланца сечение (Б-Б, фиг. 1) фланцевого соединения в зоне конического выступа с дискретными сегментами вставки соединительного устройства, выполненными в виде кольцевых секторов. Такие сегменты изготавливаются путем выполнения двух последовательных операций - точение цельного профильного кольца на универсальном токарном станке, поперечное сечение которого показано на фиг. 1, и разрезание кольца на дискретные сектора, например, на фрезерном станке.
На фиг. 8 показано перпендикулярное оси сечение (Б-Б, фиг. 1) фланцевого соединения в зоне конического выступа с призматическими прямолинейными дискретными сегментами вставки соединительного устройства. Эти сегменты, имеющие поперечное сечение, показанное на фиг. 1, могут быть изготовлены, например, на фрезерном станке.
Соединение конструктивных элементов с коническими фланцами с помощью предложенного универсального соединительного устройства осуществляется следующим образом.
Сначала оба конструктивных элемента 1, 2 с коническими фланцами предварительно совмещаются по оси фланцев до непосредственного сближения перпендикулярных оси контактирующих поверхностей фланцев. Затем свободный конец ленты 6 с резьбовой дорожкой вставляется в стяжную головку 7 и несколькими поворотами винта 8 лента фиксируется внутри головки так, чтобы собранный червячный хомут образовывал охватывающее фланец кольцо, диаметр которого был бы несколько больше наружного диаметра фланца. Далее образовавшееся кольцо червячного хомута смещается перпендикулярно оси фланца до касания лентой 6 боковой поверхности фланца, и в пространство между фланцами и кольцом вкладываются сегменты вставки так, чтобы они плечами 10, 11 базировались на конических поверхностях выступов 3, 5 фланцев, а ступенчатой обнизкой на ленте 6. При необходимости для установки всех сегментов и их распределения по окружности фланцев диаметр кольца может увеличиваться и последовательно уменьшаться для предотвращения выпадения сегментов путем вращения винта 8. После окончания процедуры распределения сегментов выполняется финишная затяжка стяжной ленты вращением винта 8, в результате чего вследствие изгиба спинок 9 устанавливается плотный контакт поверхностей плеч сегментов вставки и конусных выступов фланцев, и происходит осевое сжатие перпендикулярных оси контактных поверхностей фланцев. Таким образом, соединение конусных фланцев завершено.
Технический результат заключается в упрощении конструкции и универсализации соединительного устройства, улучшении его эксплуатационных характеристик, а также в снижении затрат на его изготовление и общей стоимости устройства.