МЕХАНИЧЕСКАЯ МУФТА ДЛЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ ТРУБ
MECHANICAL COUPLING FOR MACHINE BUILDING AND STRUCTURAL PIPES

Перекрестная ссылка на родственные заявки
В настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США № 62/453,548, поданной 2 февраля 2017 и предварительной заявке на патент США № 62/482,376, поданной 6 апреля 2017, обе из которых включены в настоящее описание путем отсылки.
Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к муфтам для соединения машиностроительных и конструкционных труб.
Предпосылки
Полые стальные трубы разных геометрических форм, включая круглые, квадратные, прямоугольные и многоугольные (например, восьмиугольные) применяются для создания разнообразных структур, от промышленных ограждений и структур, работающих при легких нагрузках, таких как крытые автостоянки и аттракционы, для зданий, башен и ферм всех тиров. Такие строительные трубы, обычно именуемые конструкционными трубами или машиностроительными трубами (в зависимости от стандартов, которым они соответствуют), также применяются для создания опор всяких тиров, включая опоры для знаков, солнечных панелей и солнечных электростанций. Применение конструкционных труб для любой структуры часто требует соединения отдельных сегментов конструкционных труб друг с другом, включая ситуации, где их требуется соединять соосно в линию. Такие соединения типично являются сварными, и сварка требует затрат времени и наличия квалифицированных сварщиков на месте производства работ. Также используются накладки и болтовые соединения, но такие соединения также требуют приваривания накладок к конструкционным трубам на производственном предприятии, хотя последующая сборка на месте может выполняться с помощью болтов. Поскольку многие возможные дефекты сварных соединений могут быть не видны невооруженным глазом, часто требуются дополнительные проверки качества сварных швов, как для приваренных накладок, так и при сварке на месте производства работ. Имеется возможность улучшить соосное соединение конструкционных труб с помощью механического соединения, которое для завершения соединения не требует сварки в цеху или на месте установки.
Краткое описание изобретения
Один аспект настоящего изобретения относится к предварительно собранной муфте для соединения элементов конструкционных труб друг с другом торец в торец. Иллюстративный вариант такой муфты содержит множество сегментов, соединенных конец в конец, окружая центральное пространство. Каждый сегмент имеет крепежный элемент на своих противоположных концах для регулируемого соединения одного сегмента с другим. Каждый сегмент имеет внутреннюю поверхность, обращенную к центральному пространству. На внутренней поверхности по меньшей мере одного из сегмента расположен по меньшей мере один язычок. Этот по меньшей мере один язычок выступает в направлении центрального пространства. На внутренней поверхности каждого сегмента имеется множество зубьев. Эти зубья выступают в направлении центрального пространства. Между сегментами расположено множество проставок. Проставки удерживают сегменты в разнесенном друг от друга положении вокруг центрального пространства. В одном иллюстративном варианте проставки выполнены с возможностью удерживать сегменты в разнесенном положении, достаточном для того, чтобы элементы конструкционных труб можно было вставить в центральное пространство.
В одном иллюстративном варианте крепежные элементы содержат множество соединительных деталей, проходящих между сегментами. В этом примере каждая проставка окружает по меньшей мере часть соответствующего одной из соединительных деталей. Соединительные детали могут содержать, например, гайки и болты. Далее, например, крепежные элементы могут содержать множество проушин. Каждая проушина определяет отверстие для приема одной из соединительных деталей. В одном иллюстративном варианте по меньшей мере одна из проушин по меньшей мере на одном из сегментов содержит пару выступов, отходящих от нее. Другая проушина другого сегмента определяет углубление, предназначенное для приема этих выступов.
Например, по меньшей мере один язычок содержит множество дискретных выступов. В другом примере, по меньшей мере один язычок проходит продольно вдоль сегмента по внутренней поверхности. В дополнительном примере по меньшей мере один язычок расположен посередине между противоположными концами по меньшей мере одного сегмента.
В иллюстративном варианте на внутренней поверхности по меньшей мере одного язычка могут находиться первый и второй рельефные пазы, проходящие продольно вдоль сегмента. В другом примере по меньшей мере в одном сегменте имеется смотровое отверстие.
В иллюстративном варианте может иметься первая и вторая рельефные выемки, расположенные на противоположных концах каждого сегмента. В этом примере каждая рельефная выемка сформирована во внутренней поверхности.
Иллюстративный вариант муфты далее может содержать вставной элемент, расположенную в центральном пространстве. Вставной элемент определяет пространство между вставным элементом и внутренними поверхностями сегментов для приема элементов конструкционных труб. В конкретном примере вставной элемент содержит втулку цилиндрической формы. Далее, например, втулка может определять отверстие. Дополнительно, например, вставной элемент может содержать первый и второй установочные выступы, расположенные диаметрально противоположно друг другу и выступающие наружу от втулки. В другом примере вставной элемент содержит фланец, проходящий по окружности вокруг втулки. В иллюстративном варианте вставной элемент может определять множество каналов, проходящих продольно вдоль втулки. Конкретный иллюстративный вариант предварительно собранной муфты по настоящему изобретению может содержать не более двух сегментов.
Настоящее изобретение также охватывает муфту для соединения элементов конструкционной трубы. В примере муфты каждый элемент трубы имеет конец, выполненный с возможностью зацепления с муфтой. Например, муфта содержит множество сегментов, соединенных конец в конец, окружая центральное пространство. Каждый сегмент имеет на своих противоположных концах крепежные элементы для регулируемого соединения сегментов друг с другом. Каждый сегмент имеет внутреннюю поверхность, обращенную к центральному пространству. На внутренней поверхности по меньшей мере одного из сегментов расположен по меньшей мере один язычок. Этот по меньшей мере один язычок выступает в направлении центрального пространства и выполнен с возможностью зацепления с концами элементов труб, когда элементы трубы вставлены в центральное пространство. На внутренней поверхности каждого из сегментов расположено множество зубьев. Зубья выступают в направлении центрального пространства.
В иллюстративном варианте крепежные элементы содержат множество соединительных деталей, проходящих между сегментами. В конкретном примере соединительные детали содержат гайки и болты. Далее, например, крепежные элементы содержат множество проушин. Каждая проушина определяет отверстие для приема одной из соединительных деталей. В иллюстративном варианте по меньшей мере одна из проушин на по меньшей мере одном сегмента содержит пару выступов, отходящих от нее, а другая из проушин сегментов содержит выемку для приема выступов.
В иллюстративном варианте этот по меньшей мере один язычок содержит множество дискретных выступов. Далее, например, этот по меньшей мере один язычок проходит продольно вдоль сегмента вдоль внутренней поверхности. В другом примере этот по меньшей мере один язычок расположен посередине между противоположными сторонами по меньшей мере одного сегмента. Иллюстративная муфта далее может содержать первый и второй рельефные пазы во внутренней поверхности, расположенные на противоположных сторонах этого по меньшей мере одного язычка. В этом примере рельефные пазы проходят продольно вдоль сегмента.
Иллюстративный вариант муфты далее может содержать по меньшей мере одно смотровое отверстие по меньшей мере в одном из сегментов. Например, первая и вторая рельефные выемки могут быть расположены на противоположных концах каждого сегмента. В этом примере каждая рельефная выемка сформирована во внутренней поверхности.
Иллюстративная муфта далее может содержать вставной элемент, расположенную в центральном пространстве. Вставной элемент определяет пространство между вставным элементом и внутренними поверхностями сегментов для приема элементов конструкционной трубы. В одном примере вставной элемент содержит втулку, имеющую цилиндрическую форму. Далее, например, втулка определяет отверстие. В другом примере вставной элемент содержит первый и второй установочные выступы, расположенные диаметрально противоположно друг другу и выступающие наружу от втулки.
Далее, например, вставной элемент может содержать фланец, проходящий по окружности вокруг втулки. В другом примере вставной элемент определяет множество каналов, проходящих продольно вдоль втулки. В конкретном примере муфта по настоящему изобретению содержит не более двух сегментов.
Настоящее изобретение далее охватывает соединение. В одном иллюстративном варианте соединение содержит муфту, имеющую первый и второй сегменты, соединенные друг с другом конец в конец, окружая центральное пространство. Каждый сегмент содержит внутреннюю поверхность, обращенную к центральному пространству. На внутренних поверхностях первого и второго сегментов расположено множество зубьев. Эти зубья выступают в направлении центрального пространства. Первый элемент конструкционной трубы расположен в центральном пространстве. Второй элемент конструкционной трубы расположен в центральном пространстве. Множество зубьев находится в зацеплении с наружными поверхностями первого и второго элементов конструкционной трубы, и каждый зуб образует соответствующую зону деформации в точке контакта каждого зуба и наружных поверхностей первого и второго элементов конструкционной трубы. Эти зоны деформации содержат соответствующие участки первого и второго элементов конструкционной трубы, которые деформированы в направлении центрального пространства.
В иллюстративном варианте соединение далее может содержать по меньшей мере один язычок, расположенный на внутренней поверхности по меньшей мере одного из сегментов. Этот по меньшей мере один язычок выступает в направлении центрального пространства. Первый элемент конструкционной трубы имеет конец, упирающийся в этот по меньшей мере один язычок с его первой стороны. Второй элемент конструкционной трубы имеет конец, упирающийся в этот по меньшей мере один язычок с его второй стороны, находящейся напротив первой стороны. Например, по меньшей мере в одном из сегментов имеется по меньшей мере одно смотровое отверстие. Концы первого и второго элементов конструкционной трубы видны сквозь это по меньшей мере одно смотровое отверстие.
Иллюстративное соединение далее может содержать первую и вторую рельефные выемки, расположенные на противоположных концах каждого сегмента. Каждая рельефная выемка сформирована во внутренней поверхности каждого сегмента. Части первого и второго элементов конструкционной трубы деформируются в направлении от центрального пространства и выступают в каждую рельефную выемку.
Иллюстративное соединение может далее содержать вставной элемент, расположенную в центральном пространстве. Вставной элемент содержит втулку, имеющую цилиндрическую форму. Втулка определяет кольцевое пространство между вставным элементом и внутренними поверхностями сегментов. Элементы конструкционной трубы вставлены в кольцевое пространство. Далее, например, вставной элемент может содержать первый и второй установочные выступы, расположенные диаметрально противоположно друг другу, и выступающих от втулки наружу. Первый выступ находится в зацеплении с первым смотровым отверстием в первом сегменте, второй выступ находится в зацеплении со вторым смотровым отверстием во втором сегмента. В другом иллюстративном варианте вставной элемент содержит фланец, проходящий по окружности вокруг втулки. Конец первого элемента конструкционной трубы упирается во фланец с его первой стороны, конец второго элемента конструкционной трубы упирается во фланец с его второй стороны, противоположной первой стороне. В другом иллюстративном варианте вставной элемент определяет множество каналов, проходящих продольно вдоль втулки. Каждая зона деформации выступает в соответствующий один из каналов.
Изобретение далее охватывает способ формирования соединения между первым и вторым элементами конструкционной трубы. Один иллюстративный вариант способа содержит этапы, на которых:
вставляют первый и второй элементы конструкционной трубы в центральное пространство, окруженное первым и вторым сегментами;
притягивают первый и второй сегменты в направлении центрального пространства;
деформируют элементы конструкционной трубы в направлении центрального пространства в соответствующих точках контакта между зубьями на внутренних поверхностях сегментов и наружными поверхностями первого и второго элементов конструкционной трубы.
Иллюстративный способ далее может содержать этап, на котором упирают соответствующие концы первого и второго элементов конструкционной трубы по меньшей мере в один язычок, выступающий наружу от внутренней поверхности по меньшей мере одного из сегментов.
Иллюстративный способ далее может содержать этап, на котором деформируют части первого и второго элементов конструкционной трубы в направлении от центрального пространства, и участки, находящиеся в зацеплении с рельефными выемками, позиционируют на противоположных концах первого и второго элементов.
Иллюстративный способ далее может содержать этап, на котором позиционируют первый и второй элементы конструкционной трубы в кольцевом пространстве, сформированном между вставным элементом в центральном пространстве и внутренними поверхностями сегментов.
Иллюстративный способ далее может содержать этап, на котором устанавливают вставной элемент в центральное пространство, вводя в зацепление первый и второй установочные выступы, выступающие наружу от вставного элемента, с соответствующими первым и вторым смотровыми отверстиями в первом и втором сегменте.
Иллюстративный способ далее может содержать этап, на котором упирают соответствующие концы первого и второго элементов конструкционной трубы во фланец, проходящий вокруг вставного элемента.
Иллюстративный способ далее может содержать этап, на котором вводят в зацепление части первого и второго элементов конструкционной трубы с продольными каналами во вставном элементе в точках контакта между зубьями на внутренних поверхностях сегментов и наружными поверхностями первого и второго элементов конструкционной трубы.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид в изометрии иллюстративной муфты по настоящему изобретению, показанной в предварительно собранном состоянии.
Фиг.2 - вид в изометрии иллюстративного сегмента муфты по настоящему изобретению.
Фиг.3 - продольное сечение иллюстративной муфты в предварительно собранном состоянии, принимающий элементы конструкционной трубы.
Фиг.4 - продольное сечение соединения, образованного иллюстративной муфтой по настоящему изобретению.
Фиг.5 - внешний вид иллюстративного соединения конструкционной трубы, сформированного с помощью муфты по фиг.1.
Фиг.6 - вид в изометрии иллюстративного варианта другой муфты по настоящему изобретению в предварительно собранном состоянии.
Фиг.7 - вид в изометрии иллюстративной вставного элемента, применяемо вместе с муфтой, показанной на фиг.6.
Фиг.8 - внешний вид иллюстративного соединения конструкционной трубы, сформированного с помощью муфты по фиг.6.
Фиг.9 - продольное сечение муфты, показанной на фиг.6 в предварительно собранном состоянии, пронимающей конструкционные трубы.
Фиг.10 - продольное сечение соединения, сформированного муфтой, показанной на фиг.6.
Фиг.11 - вид в изометрии иллюстративного варианта другого сегмента муфты по настоящему изобретению, и
Фиг.12 - осевой вид собранной механической муфты по настоящему изобретению, в которой применяются сегменты муфты, показанные на фиг.11.
Подробное описание
На фиг.1 показан пример механической муфты 10 по настоящему изобретению. Муфта 10 содержит два сегмента 12 и 24, соединенных конец в конец и окружающих центральное пространство 16. Крепежные элементы 18, в этом примере содержащие проушины 20 под болты, позволяют регулируемо соединять сегменты друг с другом соединительными деталями, такими как боты 21 и гайки 22. Каждый сегмент 12, 14 далее содержит выступы 30 и углубления 32. Проставки 36 окружают болты 21 между сегментами 12 и 14 и поддерживают сегменты 12 и 14 в разнесенном друг от друга в предварительно собранном состоянии.
Как показано на фиг.1 и 2, каждый сегмент 12, 14 (показан сегмент 1) имеет внутреннюю поверхность 40. Язычок 42 выступает радиально внутрь от внутренней поверхности 40 в направлении центрального пространства 16. Язычок 42 может проходить непрерывно по внутренней поверхности 40 или он может образовывать дискретные выступы (как показано на фиг.2). Рядом с язычком 42 находятся рельефные канавки 44, которые проходят наружу, от центрального пространства и, следовательно, во внутреннюю поверхность 40. Канавки 44 обеспечивают рельеф для приема любых концевых расширений на элементах конструкционной трубы, когда они деформированы, как описано ниже. Множество зубьев 46 выступает внутрь от внутренней поверхности в направлении центрального пространства 16. Одно или более смотровое отверстие 48 расположено на язычке 42, когда язычок является непрерывным, или между дискретными выступами, когда язычок 42 состоит из дискретных выступов, как показано на чертеже.
Как показано на фиг.3, когда муфта 10 применяется для соединения элементов 50 и 52 конструкционной трубы, она поставляется потребителю в предварительно собранном состоянии, в котором сегменты 12, 14 соединены друг с другом на соединительных элементах 18 болтами 21 и гайками 22 (см. фиг.1). Проставки 36 удерживают сегменты 12, 14 в разнесенном друг от друга положении вокруг центрального пространства 16, достаточном для того, чтобы конец 51 конструкционной трубы 50 прошел между сегментами 12, 14 (включая выступающие зубья 46), вошел в центральное пространство 16 и уперся в язычок 42. Конец 53 конструкционной трубы 52 также вставлен в центральное пространство 16 так, чтобы он был обращен к концу 51 конструкционной трубы 50, и также упирается в язычок 42. Сборку болтов 21 и гаек 22 (см. фиг.1) затем затягивают, постепенно деформируя проставки 36 и сводя сегменты 12 14 по направлению друг к другу, помещая выступы 30 в углубления 32 и приводя зубья 46 в тесный контакт с наружными поверхностями 54 и 56 конструкционных труб 50 и 52, соответственно. Как показано на фиг.1 и 4, продолжение затягивания сборки болтов 21 и гаек 22 приводит к образованию зон 70 локализованной деформации конструкционных труб 50 и 52 в точке контакта с каждым зубом 46. Эти зоны 70 локализованной деформации обеспечивают прочный закусывающий контакт между муфтой 10 и конструкционными трубами 50 и 52, увеличивая сопротивление растяжению, а также сопротивление кручению и изгибу соединения, образованного муфтой 10. Упор каждого из концов 51, 53 конструкционных труб 50, 52 в язычок 42 позволяет принимать сжимающие нагрузки непосредственно на язычок 42.
На фиг.5 показана завершенная сборка муфты 10 с конструкционными трубами 50 и 52, если смотреть из положения, обращенного непосредственно к смотровому отверстию 48. Как показано на фиг.5, смотровые отверстия 48 позволяют пользователю визуально контролировать положение и, следовательно, упор концов 51, 53 конструкционных труб 50, 52 в язычок 42.
В другом иллюстративном варианте, показанном на фиг.6 и 9, муфта 100 по настоящему изобретению, содержащая сегменты 120 и 140, может применяться с вставным элементом 80, предназначенной для установки в концы 51 и 53 труб 50 и 52. Как более подробно будет описано ниже, вставной элемент 80 действует как опора для внутренних поверхностей 58 и 59 труб 50 и 52, соответственно. Как лучше всего показано на фиг.7, вставной элемент 80 содержит втулку 89 с фланцем 81, выступающим радиально по окружности втулки 89. Установочные выступы 82 выступают радиально наружу от фланца 81. На втулке 89 имеются каналы 83, разнесенные на такое расстояние, чтобы соответствовать положению зубьев 46 сегментов 12, 140.
Муфта 100 может поставляться потребителю в предварительно собранном состоянии, показанном на фиг.6, в котором сегменты 120, 140 соединены друг с другом на соединительных элементах 18 болтами 21 и гайками 22. Вставной элемент 80 находится в центральном пространстве 16. В одном иллюстративном варианте установочные элементы, такие как установочные выступы 82, предназначены для установки и центрирования вставного элемента 80 между сегментами 120, 140 в центральном пространстве 16. В варианте, показанном на фиг.8, установочные выступы 82 могут находиться в зацеплении с одним или более из смотровых отверстий 48, и такое зацепление служит для позиционирования и центрирования вставного элемента 80 перед сборкой и во время сборки, а также позволяет пользователю проверять положение и ориентацию вставного элемента 80 в соединении после сборки. Могут иметься дополнительные смотровые отверстия 48, не занятые выступами 82, позволяющие пользователю проверять положение конструкционных труб 50, 52 в собранном соединении, как описано выше. Как показано на фиг.6 и 9, сегменты 120, 140 удерживаются в разнесенном друг от друга положении вокруг центрального пространства проставками 36, так, чтобы конец 51 конструкционной трубы 50 мог пройти между сегментами 120, 140 (включая выступающие зубья 46) и над втулкой 89 вставного элемента 80, чтобы конструкционная труба 50 вошла в центральное пространство 16 и конец 51 уперся во фланец 81. Таким же образом, конец 53 конструкционной трубы 52 затем вставляют в центральное пространство 16 над втулкой 89, чтобы он был обращен к концу 51 конструкционной трубы 50 и также упирался во фланец 81. Сборку болтов 21 и гаек 22 затем затягивают, постепенно деформируя проставки 36 и сводя сегменты 12 и 140 по направлению друг к другу, а также устанавливая выступы 30 в углублениях 32 (см. фиг.6) и приводя зубья 46 в тесный контакт с наружными поверхностями 54 и 56 конструкционных труб 50 и 52, соответственно. Как показано на фиг.10, продолжающееся затягивание сборки болтов 21 и гаек 22 приводит к возникновению зон 70 локализованной деформации конструкционных труб 50 и 52 в точке контакта с каждым из зубьев 46, и эти зоны локализованной деформации входят в каналы 83 вставного элемента 80. В этом варианте каждый сегмент 120, 140 может не иметь язычка (см. фиг.3), и сжимающая нагрузка через конструкционные трубы 50, 52 может вместо него восприниматься через упорный контакт каждого конца 51, 53 конструкционных труб 50, 52 фланце 81 вставного элемента 80.
Применение вставного элемента 80, имеющей каналы 83, повышает сопротивление растяжению, изгибу и, особенно, кручению соединения, образованного муфтой 100, поскольку не только зубья 64, зажатые в закусывающий контакт с внешними поверхностями 54 и 65 конструкционных труб 50 и 52, но и зоны локализованной деформации вталкиваются в каналы 83, усиливая механическое взаимное зацепление между муфтой 100 и конструкционными трубами 50 и 52. Хотя вставной элемент 80 показана имеющей отверстие 84 (см. фиг.7), она также может иметь сплошной элемент, не имеющий отверстия 84, когда диаметр отверстия 84 влияет на жесткость вставного элемента 80 и, следовательно, на величину поддержки, которую вставной элемент 80 может создать для конструкционных труб 50, 52, когда они деформируются сегментами 120 и 140.
Как показано на фиг.9 и 11, при использовании муфты 100 с вставным элементом 80, желательно создать рельефные выемки 122 на внутренней поверхности 40 сегментов 120 и 140. Рельефные выемки 122 показаны для примера на фиг.11 на сегменте 120. Как лучше всего видно на фиг.12 (с преувеличением для ясности), рельефные выемки 122 создают зазор для материала конструкционных труб 50 и 52, который затекает в них при деформации зубьями 46. Конструкционные трубы 50 и 52 заключены между сегментами 120 и 140 и вставным элементом 80, когда болты 21 и гайки 22 затягивают, создавая соединения, содержащее муфту 100. Допуская небольшую, направленную наружу деформацию конструкционных труб 50 и 52 в рельефные выемки 122, механическое взаимное зацепление конструкционных труб 50, 52 и муфты 100 дополнительно усиливается, дополнительно повышая сопротивление крутящим силам, воздействующим на соединение.
Хотя муфты 10 и 100 по настоящему изобретению показаны на примере вариантов, предназначенных для конструкционных труб круглого сечение, муфты по настоящему изобретению можно применять для конструкционных труб других замкнутых форм, например, квадратных и многоугольных, как известно специалистам, подбирая форму сегментов (и, следовательно, внутренней поверхности 40) в соответствии с формой сечения трубы. Дополнительно, хотя муфты 10 и 100 показаны на примере иллюстративных вариантов, содержащих два сегмента муфты, может возникнуть необходимость в муфте, содержащей более двух сегментов, соединенных конец в конец. Это может быть особенно предпочтительно при соединении конструкционных труб не круглого сечения. Например, при соединении конструкционных труб квадратного сечения может быть желательна муфта с четырьмя сегментами, которые соединены конец в конец соединительными деталями, расположенными ближе к углам квадратной конструкционной трубы.
Ожидается, что муфты по настоящему изобретению позволят создавать соединения для конструкционных труб, которые не потребуют сварки ни в цеху, ни на месте монтажа, но смогут выдерживать высокие сжимающие, растягивающие и крутящие нагрузки.