КОМПЕНСАТОР ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПРИ КРУЧЕНИИ
COMPENSATOR OF MOVEMENTS DURING TORSION

Предлагаемое изобретение относится преимущественно к энергетическому машиностроению, может быть использовано для компенсации перемещения при кручении участков магистральных, технологических и других видов трубопроводов в процессе эксплуатации и в качестве пружин кручения, амортизаторов, устройств для снижения динамических нагрузок при кручении и пр.
Известно устройство для компенсации, представляющее собой стержень, компенсирующий перемещение кручения, при приложении к нему крутящего момента (В.И. Феодосьев, «Сопротивление материалов», изд-во «Наука», 1999 г. - 592 с.).
Однако такое устройство обладает существенными недостатками, допустимый угол поворота ограниченного участка стержня недостаточен для компенсации углов поворота трубопровода в реальных условиях его эксплуатации.
Прототипом является изобретение (РФ №1820146, МПК F16L 51/03) - компенсатор продольных перемещений, допускающий некоторое скручивание одной части относительно другой. Компенсатор имеет две гибкие гофрированные винтообразные оболочки, являющиеся компенсирующими элементами с разнонаправленными углами наклона винтовой линии, два патрубка с кольцами и кожух. На кожухе и патрубках выполнены зиги. Гофрированные оболочки закреплены обращенными друг к другу концами на зигах кожуха, а противоположными концами - на зигах патрубков.
Недостатком данного технического решения является малый угол закручивания, накладывающий ограничения на минимизацию размеров, что не позволяет получить устройство, компактное по длине.
Задачей предлагаемого технического решения является создание устройства, которое обеспечивало бы компенсацию угла закручивания одной части трубопровода относительно другой в допустимых пределах. Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что компенсирующий элемент изготавливается в виде многослойной обечайки из единичных тонкостенных обечаек с одинаковой или разной толщиной стенок, вставленных концентрично друг в друга. Эти обечайки последовательно соединяются между собой торцами и образуют непрерывные, меняющие направление на противоположное у торцов, внутреннюю и внешнюю поверхности.
Необходимая величина угла закручивания достигается за счет суммирования углов поворота единичных обечаек, вставленных друг в друга. В необходимых случаях для обеспечения равных по величине углов закручивания единичные обечайки делаются разнотолщинными, но с равными статическими моментами инерции.
Крутильная жесткость единичных обечаек может изначально устанавливаться в зависимости от толщины их стенок.
Кольцевые зазоры между единичными обечайками при необходимости заполняются разделительной средой, обеспечивающей малый коэффициент трения.
Компенсирующий элемент для обеспечения минимальной крутильной жесткости изготавливается с использованием единичных обечаек минимальной толщины, а максимальный угол поворота обеспечивается максимальным возможным количеством единичных обечаек. В условиях эксплуатации необходимо защитить компенсирующий элемент от давления транспортируемой среды и относительных перемещений элементов компенсатора, к которым приварена внешняя и внутренняя единичные обечайки, обеспечив одну степень свободы - поворот патрубков относительно друг друга.
Схема компенсатора перемещения при кручении представлена на фиг.1. Компенсирующий элемент 1 размещен в кожухе 2, внешняя обечайка 3 компенсирующего элемента соединена с кожухом 2, внутренняя обечайка 4 соединена с патрубком 5. Кожух 2 с помощью кольца 6 соединен с патрубком 7, а кольцом 8 - с кольцом 9 патрубка 5, в промежутки, между которыми устанавливаются тела качения 10, в совокупности образующие упорный подшипник для восприятия осевого распорного усилия. Торцы компенсирующего устройства 11а и 11б покрыты эластичным герметизирующим материалом, который изолирует внешнюю и внутреннюю поверхности компенсирующего элемента как от окружающей, так и от транспортируемой среды (жидкости, газа). Крутящий момент от патрубка 7 через кольцо 6 и кожух 2 передается на компенсирующий элемент 1 и далее на патрубок 5.
Устройство работает следующим образом. Транспортируемая среда (жидкость, газ) под избыточным давлением внутри компенсатора (фиг.1) создает распорное усилие, которое воспринимают тела качения 10, препятствующие осевому перемещению патрубков 5 и 7 относительно друг друга. Кольцевые полости компенсирующего элемента 1 закрыты эластичным герметизирующим материалом 11а от проникновения транспортируемой среды и 11б - от проникновения внешней среды. Внутренняя обечайка 4 компенсирующего элемента предохраняется от воздействия транспортируемой среды патрубком 5, а внешняя обечайка 3 - кожухом 2 от внешних воздействий.
В совокупности патрубок 7 с присоединенным к нему кожухом 2, кольцом 8 и патрубком 5 с кольцом 9 и телами качения 10 разгружают компенсирующий элемент от осевых, угловых и сдвиговых перемещений и обеспечивают одну степень свободы - относительный поворот патрубков 5 и 7 относительно друг друга.
Таким образом, влияние давления транспортируемой среды и внешних воздействий на компенсирующий элемент сведены к минимуму.
1
В процессе поворота части трубопровода относительно продольной оси происходит поворот патрубков 5 и 7 относительно друг друга, и, как следствие, - поворот внутренней и внешней обечаек 3 и 4 относительно друг друга. В результате все обечайки компенсирующего элемента, расположенные концентрично относительно друг друга и последовательно соединенные у торцов, начинают деформироваться кручением, каждая примерно на угол φ. При наличии единичных обечаек в количестве n полный угол закручивания устройства составит:
1
φ=φ·n.
1
Из закона Гука для единичной обечайки угол закручивания φ определяется по формуле
0
где J - геометрический полярный момент инерции; l - длина обечайки; G - модуль сдвига (Па), const; Т - крутящий момент.
Известна формула
где D - внешний диаметр, d - внутренний диаметр.
Крутильная жесткость β торсиона (при необходимости определения) рассчитывается по формуле:
где Т - крутящий момент; φ - угол закручивания.
Единичные обечайки компенсирующего элемента имеют разные диаметры и, следовательно, разные моменты инерции. Поэтому в необходимых случаях для обеспечения равной деформации сдвига необходимо обеспечить одинаковые моменты инерции за счет разной толщины обечаек.
Предлагаемую конструкцию устройства для компенсации перемещения при кручении можно использовать на трубопроводах, используемых для передачи энергоносителей и других газовых и жидких сред.