УПЛОТНЕНИЕ И СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ СОЕДИНЕНИЕ
SEAL AND CORRESPONDING JOINT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к соединению, в частности герметическому соединению в замок двух чугунных труб.
Уровень техники
В документе ЕР-А-526373 описано составное уплотнение, содержащее уплотнительное тело и крепежный буртик из эластичного материала, а также множество замковых вставок из твердого материала, утопленных в крепежном буртике. Указанные вставки равномерно распределены по периметру тела. Каждая вставка выполнена из металла и содержит крепежную головку для упора в дно крепежной канавки, предусмотренной на конце с раструбом, а также зубья зацепления, предназначенные для взаимодействия с наружной поверхностью нормального конца для предупреждения осевых смещений, при которых может произойти разъединение между нормальным концом и концом с раструбом под действием осевых усилий, вызываемых давлением жидкости при ее протекании через нормальный конец и конец с раструбом.
Величина наклона каждой замковой вставки зависит от зазора между наружным диаметром нормального конца и внутренним диаметром конца с раструбом. Сцепление вставки с нормальным концом порождает реакцию связи, при этом угол ее наклона в срединном направлении изменяется в зависимости от величины зазора между соединяемыми концами.
Чем больше угол реакции, измеренный в радиальном направлении, тем устойчивее запирание против внутреннего давления жидкости, протекающей через соединение. И напротив, сцепление вставки с наружной поверхностью нормального конца тем больше, чем меньше указанный угол реакции. Действительно, в том случае когда угол слишком большой, то присутствует риск того, что зубья вставки не будут находиться в зацеплении с нормальным концом под давлением и будут скользить по нему, вызывая недостаточное запирание.
Риск недостаточной стойкости под давлением становится критическим при максимальных зазорах, когда угол реакции является, естественно, небольшим, а риск недостаточного зацепления вставок является критическим при минимальных зазорах, когда угол реакции является, естественно, большим.
Раскрытие изобретения
Цель изобретения состоит в том, чтобы на основе соединения, известного из приведенного выше документа, оптимизировать компромисс между надежностью сцепления вставки с нормальным концом и стойкостью запирания против давления.
Поэтому объектом изобретения является соединение, характеризующееся признаками п.1 формулы изобретения.
В предпочтительных вариантах выполнения соединение согласно изобретению характеризуется одним или несколькими признаками зависимых пунктов формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Подробнее изобретение поясняется ниже в описании, приводимом исключительно в качестве примера, со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1-3 - виды в меридианном сечении на половину соединения двух труб и составного уплотнения, расположенного между ними, соответственно перед, во время и после образования соединения в замок согласно изобретению;
фиг.4, 5 - увеличенные виды в меридианном сечении на часть соединения согласно изобретению на разных этапах образования соединения, при этом конец с раструбом и нормальный конец имеют минимальный зазор между собой;
фиг.6, 7 - увеличенные виды в меридианном сечении на часть соединения согласно изобретению на разных этапах образования соединения, при этом конец с раструбом и нормальный конец имеют максимальный зазор между собой;
фиг.8 - вид в меридианном направлении на замковую вставку в варианте изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг.1-3 изображено герметическое соединение в замок согласно изобретению, обозначенное общей позицией 2.
Герметическое соединение 2 содержит нормальный конец 4 или охватываемый конец, жестко соединенный с первой трубой 6, конец с раструбом 8 или охватывающий конец, жестко соединенный со второй трубой 10, и уплотнение 12.
Соединение 2 расположено по центральной оси Х-Х. Применяемые ниже выражения «радиально», «по оси», «по окружности», «в меридианном направлении» соотносятся с указанной осью.
Уплотнение 12 содержит, в меридианном сечении, кольцо 14 из упругого или эластичного материала, например эластомера, расположенное по центральной оси Х-Х, в которое утоплено множество замковых вставок 20.
Эластичное кольцо 14 содержит кольцевой массивный корпус 16 в основании раструба, а также крепежный буртик 18 со стороны входного отверстия раструба, выступающий радиально наружу, и круглую уплотнительную кромку 24, выступающую радиально внутрь.
Корпус 16 и буртик 18 разделены между собой периферийной канавкой 22. Согласно варианту изобретения, который не показан, вместо канавки 22 могут применяться углубления, расположенные по одной линии на окружности вместе со вставками.
Кромка 26 проходит практически радиально по оси Х-Х до участка, расположенного возле минимального внутреннего диаметра корпуса 16. Вставки 20 равномерно распределены по периметру кольца 14. Каждая замковая вставка 20 изготовлена из тянутого или спеченного материала высокой твердости, например из прочного металлического сплава или керамики.
Каждая вставка 20 содержит, если смотреть в меридианном направлении, радиально направленную наружу головку 30 и радиально направленное внутрь основание 32. Головка 30 располагается практически радиально по отношению к оси Х-Х, при этом основание 32 наклонено по отношению к этой оси таким образом, что оно сближается с осью Х-Х в направлении I введения нормального конца 4 в конец с раструбом 8. Следовательно, вставка 20 имеет изогнутый профиль.
Каждая вставка 20 частично утоплена в крепежном буртике 18 уплотнения 12 и частично перекрыта его эластичным материалом. Кроме того, буртик 18 содержит выемки 36, расположенные под прямым углом к вставкам 20. Выемки 36 открыты радиально наружу таким образом, что радиально направленный наружу конец головки 30 не контактирует с эластичным материалом. Выемки 36 выполнены также открытыми по оси в направлении I ввода.
Кроме того, уплотнение 12 содержит выемки 38, открытые радиально внутрь и расположенные возле вставок 20 таким образом, что радиально направленный внутрь конец основания 32 не контактирует с эластичным материалом.
Как более четко показано на фиг.6, головка 30 содержит на своем направленном радиально наружу конце профильный участок, образующий два радиальных выступа 40, 42, смещенных по оси между собой. Кроме того, головка 30 содержит фиксирующий носик 48 с острой кромкой, направленной по оси в сторону I. Благодаря выемке 36 носик не контактирует с эластичным материалом.
Головка 30 содержит также два лобовых выступа 50, 52, радиально смещенных между собой и расположенных практически параллельно центральной оси Х-Х.
Практически ровная поверхность S1 находится между двумя радиальными выступами 40, 42, еще одна практически ровная поверхность S2 располагается между двумя лобовыми выступами 50, 52. Поверхности S1 и S2 образуют между собой угол а, составляющий менее 90°.
Кроме того, основание 32 содержит на своем направленном радиально внутрь конце три зуба зацепления 56, 58, 60, которые смещены по оси и предназначены для зацепления с наружной поверхностью 70 нормального конца 4 (см. ниже) и которые, в нерабочем положении уплотнения, выходят за пределы упругого кольца 14. Если смотреть в меридианном направлении, то зубья 56, 58, 60 будут располагаться по выгнутой кривой С. Кроме того, основание 32 содержит на осевой стороне, противоположной головке 30, ограничитель зацепления 62, утопленный в корпус 16. Ограничитель зацепления 62 имеет, если смотреть в меридианном направлении, профиль, закругленный по отношению к профилю зубьев зацепления 56, 58, 60.
Ограничитель 62, предназначенный для ограничения проникания вставки 20 внутрь нормального конца 4 с тем, чтобы предупредить разрушение последнего, имеет закругленную или выпуклую форму, способствующую «течению» эластомера при раструбном соединении с нормальным концом 4, исключая при этом концентрацию напряжений, способных вызвать разрывы эластомера. Предпочтительно боковые поверхности 63 ограничителя 62 вставки в осевом направлении скошены или закруглены для предупреждения повреждения эластомера острыми кромками во время раструбного соединении.
max
min
max
min
На фиг.1 можно видеть, что нормальный конец 4 содержит цилиндрическую наружную поверхность 70 диаметром d с входной фаской 72. Нормальный конец 4 изготавливают с допусками на диаметр таким образом, чтобы фактический диаметр d составлял от максимального наружного диаметра d до минимального наружного диаметра d. Диаметры d и d показаны на фиг.1 штрихлинией.
Конец с раструбом 8 содержит последовательно, если смотреть по оси от входного отверстия раструба вглубь, входную закраину 80, кольцевую крепежную канавку 82, служащую для размещения в ней крепежного буртика 18 уплотнения, ступенчатый участок 84, внутренний гребень 86 и полость 88 для свободного размещения нормального конца 4.
Кольцевая крепежная канавка 82 образована кольцевой лобной поверхностью 90 входной закраины 80, цилиндрической поверхностью дна 92 круглого сечения по оси Х-Х и лобовой поверхностью 94 ступенчатого участка 84. Как правило, лобовая поверхность 90 располагается под углом, составляющим не менее 80°, по отношению к центральной оси Х-Х и содержит осевую составляющую, ориентированную в направлении I. Лобовая поверхность 90 образует с осью Х-Х предпочтительно угол, равный не менее 85°. Кроме того, кольцевая лобовая поверхность 90 непосредственно сопрягается с поверхностью дна 92 таким образом, что при любом зазоре между поверхностями 70 и 92, лежащем в диапазоне разрешенных допусков, вставка 20 прилегает к лобовой поверхности 90 и поверхности дна 92 в том случае, когда трубы внутри подвергаются давлению от протекающей по ним жидкости.
Кроме того, кольцевая лобовая поверхность 90 и поверхность дна 92 образуют между собой угол, превышающий угол α между плоскими поверхностями S1 и S2.
Лобовая поверхность 94 ориентирована в сторону входной закраины 80 и встречно направлению I.
max
min
Как показано на фиг.3, для поверхности дна 92 также предусмотрены допуски на обработку, в результате чего ее действительный диаметр D может колебаться между максимальным диаметром D и минимальным диаметром D.
Сборка соединения согласно изобретению производится следующим образом. Сначала в конец с раструбом 8 помещают уплотнение 12, при этом корпус 16 прилегает к ступенчатому участку 84, а крепежный буртик 18 заходит в кольцевую крепежную канавку 82 таким образом, чтобы ось уплотнения 12 совместилась с осью конца трубы с раструбом.
После этого нормальный конец 4 трубы выравнивают с раструбом и заводят через уплотнение 12 в направлении I, отбортовывая кромку 26, которая с определенным усилием прилегает к наружной поверхности 70. После прохождения нормального конца 4 через границу вставок 20 последние наклоняются, совершая угловое движение встречно этому корпусу. Нормальный конец 4 вводится до тех пор, пока его фаска 72 не приблизится ко дну полости 88. Затем нормальный конец 4 по оси смещают назад с тем, чтобы вставки 20 совершили движение в обратном направлении. При этом вставки 20 изменяют величину своего наклона по отношению к оси Х-Х в результате углового перемещения, обратного первоначальному, с малой амплитудой. Во время указанного движения в обратном направлении, по меньшей мере, один из зубьев 56, 58, 60 сцепляется с наружной поверхностью 70 нормального конца 4 трубы и оказывает значительное сопротивление продолжению осевого обратного смещения нормального конца 4. Таким образом обеспечивается запирание соединения.
Ниже приводится описание со ссылками на фиг.4-7 принципа действия уплотнения согласно изобретению в зависимости от допусков на диаметры d и D при воздействии находящейся под давлением жидкости. В целях большей наглядности кольцо 14 на этих фигурах не показано.
После указанного углового перемещения вставок 20 во время соединения труб 6 и 10 каждая вставка 20 принимает наклонное положение, которое изменяется в зависимости от разницы между диаметрами d и D.
min
max
min
max
На фиг.4 показано положение вставки 20 при закреплении на нормальном конце 4 трубы при воздействии давления в случае, когда зазор J1 между трубами является минимальным. Для этого на конце трубы с раструбом 8 предусмотрена крепежная канавка 82, диаметр D которой соответствует минимальному диаметру D, при этом нормальный конец 4 имеет поверхность 70, наружный диаметр d которой соответствует максимальному диаметру d. Таким образом, оба диаметра D и d образуют минимальный зазор J1 между обеими поверхностями 92 и 70.
Кроме того, можно видеть, как во время зацепления с нормальным концом 4 трубы вставка 20 прилегает в двух точках к поверхности канавки 82 с одной стороны своим радиальным вторым выступом 42 к поверхности дна 92 и с другой стороны своим первым лобовым выступом 50 к лобовой поверхности 90. Кроме того, только зуб зацепления 56, расположенный наиболее близко к входному отверстию раструба, прилегает к наружной поверхности 70.
Вставка 20 наклонена под углом реакции, определяемым следующим образом. В меридианном направлении обе линии L1 и L2, перпендикулярные к поверхностям 92, 90 на уровне расположения соответственно выступов 42, 50, прижимающих вставку 20 к канавке 82, пересекаются в точке Р. Точка приложения зуба 56 к поверхности 70 образует вместе с точкой Р третью линию L3, по которой действует реакция связи вставки 20. Угол β1, замеряемый между линией L3 и плоскостью, перпендикулярной к оси Х-Х, называется «углом реакции».
Сцепление вставки 20 тем надежнее, чем меньше угол реакции. Благодаря наличию второго радиального выступа 42, расположенного по оси ближе к зубу 56, чем первый радиальный выступ 40, точка Р занимает положение, которое в осевом направлении находится относительно близко от зуба 56, в результате чего угол β1 имеет небольшую величину при заданном зазоре J1, что способствует сцеплению замковой вставки 20 с поверхностью 70.
На фиг.5 показана часть соединения на фиг.4 в момент создания давления.
Здесь можно видеть, что после закрепления вставки 20 она совершает качание по часовой стрелке по отношению к положению на фиг.4 и что три зуба зацепления 56, 58, 60 теперь проникают в материал нормального конца 4.
Своим вторым радиальным выступом 42 замковая вставка 20 более не прилегает к поверхности дна 92, зато она прилегает только своим первым радиальным выступом 40 к поверхности 92 и только первым лобовым выступом 50 к лобовой поверхности 90.
Точка Р является местом пересечения линий L1, L2 нормалей на поверхностях 92, 90, расположенных на участке выступов 40, 50.
Соединение образует линию L3, проходящую между точкой Р и точкой М, находящейся по оси на половине расстоянии между зубьями зацепления 56 и 60.
Линия L3 образует вместе с линией в радиальном направлении угол реакции β2, являющийся относительно большим при заданном зазоре J1, что обеспечивает высокую стойкость соединения в замок против давления.
Необходимо отметить, что при качании вставки 20 под воздействием давления потеря контакта на участке второго радиального выступа 42 позволяет увеличить угол реакции и, в числе прочего, компенсировать за счет этого уменьшение угла реакции, вызванное качанием вставки по часовой стрелке, в результате получают угол β2, который достаточно велик для обеспечения высокой стойкости против давления.
На фиг.6 изображено соединение, аналогичное соединению на фиг.4, но имеющее следующие отличия.
max
min
Поверхность 92 имеет диаметр D, поверхность 70 - диаметр d, в результате обе эти поверхности образуют между собой зазор J2, который больше зазора J1. Зазор J2 является максимальным, предусмотренным допусками на обработку для нормального конца 4 и конца с раструбом 8.
Здесь можно видеть, что во время зацепления с нормальным концом 4 при воздействии давления вставка 20 прилегает к поверхности канавке 82 в двух точках с одной стороны своим первым радиальным выступом 40 к поверхности дна 92 и с другой стороны своим первым лобовым выступом 50 к лобовой поверхности 90. Кроме того, к наружной поверхности 70 прилегает только зуб 60 зацепления, наиболее удаленный от входного отверстия раструба.
Получаемый при этом угол реакции β3 измеряется между радиальным направлением и линией, проходящей через точку Р, практически идентичную точке в соединении на фиг.5, а также через точку касания поверхности 70 с зубом 60. Этот угол β3 является малым и, следовательно, обеспечивает надежное зацепление вставки 20.
На фиг.7 показано соединение на фиг.6 при воздействии давления, т.е. после зацепления вставки 20 и после его качания по часовой стрелке.
В результате качания вставка 20 прилегает только своим первым радиальным выступом 40 к поверхности дна 92 и только вторым лобовым выступом 52 к лобовой поверхности 90, в то время как остальные выступы 42 и 50 находятся вне контакта с поверхностями 90 и 92. Кроме того, с поверхностью 70 конца 4 трубы сцепляются только промежуточный зуб 58 и зуб 60, наиболее удаленный от отверстия раструба.
При максимальном зазоре J2 контакт на участке второго лобового выступа 52 позволяет увеличить угол реакции и, в числе прочего, компенсировать уменьшение угла реакции, вызванное качанием вставки по часовой стрелке во время воздействия давления, таким образом, благодаря выступу 52, образующему точку Р, расположенную вблизи от оси Х-Х, конечный угол реакции β4 оказывается достаточно великим для обеспечения надежной стойкости против давления.
На фиг.8 изображен вариант выполнения вставки 20 согласно изобретению.
Ниже будут описаны только отличия упомянутой вставки от описанной выше вставки 20. Одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.
Замковая вставка 20 содержит три радиальных выступа 40, 42, 44, которые смещены по оси между собой и расположены, если смотреть в меридианном направлении, на выпуклой кривой С2.
Дополнительно замковая вставка 20 содержит три лобовых выступа 50, 52, 54, радиально смещенных по отношению к оси Х-Х и расположенных - в меридианном направлении - на выпуклой кривой С3.
Благодаря геометрическим характеристикам вставок 20 уплотнение представляет собой удачный компромисс между сцеплением вставок с нормальным концом трубы и стойкостью против давления независимо от имеющимся фактического зазора между поверхностями 70 и 92.
Кроме того, выемки 36 обеспечивают большую надежность прилегания вставок 20 при минимальных зазорах, снижают усилие, необходимое для раструбного соединения нормального конца 4, и исключают напряжения сжатия в эластомере, способные вызвать неправильное позиционирование вставок 20 при качании в направлении, увеличивающем угол реакции (и, следовательно, способные ослабить зацепление вставок 20 при минимальном зазоре). Кроме того, наряду с канавками 22 выемки 36 облегчают общую деформацию кольца 14 во время своей установки в уплотнении на конце трубы с раструбом.