УЗЛОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1996 года по МПК E04B1/58 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в структурных конструкциях зданий и сооружений, в узловых соединениях сборных антенн, мачт, стоек вантово-тентовых сооружений, каркасов энергоустановок и других сборно-разборных сооружений.

Известно узловое соединение стержней пространственного каркаса "Октант", включающее сборный узловой элемент, состоящий из скрепленных между собой фасонок, крепежные детали и наконечники стержней. Недостатком известного узлового соединения является сложность постановки крепежной детали, например, болта, из-за труднодоступности или невозможности монтажа в экстремальных условиях, например, на Крайнем Севере, в космическом пространстве, при повышенной радиации и т.п. [1]
Наиболее близким техническим решением является узловое соединение стержней структурной конструкции, включающее узловой элемент, стержни и крепежные детали в виде штока с наружной конической поверхностью, прикрепленного к наконечнику стержня или узловому элементу и взаимодействующего с коническим раструбом, прикрепленным к узловому элементу или наконечнику стержня, причем раструб выполнен с внутренней конической поверхностью и снабжен шариковым фиксатором и пружинным прижимом. Недостатками известного технического решения являются большой расход материала и высокая стоимость [2]
Цель изобретения снижение материалоемкости, удешевление и расширение функциональных возможностей узлового соединения.

На фиг. 1 изображено узловое соединение, в котором раструб с шариковым фиксатором установлен в узловом элементе, а шток закреплен на конце стержня; на фиг. 2 стержень с закрепленным на конце штоком; на фиг. 3 узловое соединение со штоком, закрепленным в узловом элементе, и стержнем с прикрепленным на его конце раструбом и шариковым фиксатором; на фиг. 4 разрез узлового соединения; на фиг. 5 вариант узлового соединения в разрезе; на фиг. 6 в разрезе вариант составного раструба с пазом; на фиг. 7 разрез А-А на фиг. 6; на фиг. 8 вариант узлового соединения с упругой кольцевой накладкой штока и упругим конусным вкладышем раструба; на фиг. 9 вариант пустотелого штока, закрепленного в узловом элементе путем развальцовки концевой части; на фиг. 10 вариант пустотелого штока, закрепленного в узловом элементе, снабженного полостью в форме шестиугольной призмы; на фиг. 11 вариант пустотелого штока, закрепленного в узловом элементе болтом и гайкой; на фиг. 12 вариант пустотелого штока, закрепленного в узловом элементе и заглушенного с двух сторон; на фиг. 13 вариант пустотелого штока, закрепленного в узловом элементе и снабженного по образующей конической поверхности овальными канавками; на фиг. 14 разрез Б-Б на фиг. 13; на фиг. 15 вариант пустотелого штока, закрепленного в узловом элементе и снабженного кольцевой канавкой на рабочей конической поверхности; на фиг. 16 разрез стыка двух стержней; на фиг. 17 вариант узлового соединения с герметизированным каналом.

Узловое соединение строительных элементов включает узловой элемент 1, стержни 2 и крепежные детали.

Каждая крепежная деталь выполнена в виде полого штока 3, закрепленного на конце стержня 2 или в узловом элементе 1. Полый шток 3 взаимодействует с составным раструбом 4, закрепленным в узловом элементе 1 или на конце стержня 2. Полый шток 3 выполнен осесимметричным переменного сечения с наружной конической поверхностью 5 на рабочем участке. Составной раструб 4 выполнен осесимметричным переменного сечения с цилиндрической частью 6, примыкающей к месту крепления со стержнем 2 или узловым элементом 1 и с конической частью 7, в которой выполнено конусообразное гнездо 8 и установлен конический вкладыш 9 с внутренней рабочей поверхностью 10. Узловое соединение выполнено самозатягивающимся, автоматически фиксирующим полый шток 3 в составном раструбе 4, который снабжен фиксатором 11 с расклинивающимися шариками 12, размещенными в сквозных выемках 13, расширяющихся наружу и расположенных в плоскости, перпендикулярной продольной оси фиксатора 11. Корпус фиксатора 11 выполнен в виде пустотелой осесимметричной обоймы 14 с цилиндрической 15 или слегка конической внутренней поверхностью и конической наружной поверхностью 16 в зоне размещения шариков 12. Фиксатор 11 снабжен кольцевым упором 17 для постановки осесимметричной, например, цилиндрической или конической пружины 18, которая другим своим концом уперта в кольцевой упор 19, выполненный в корпусе раструба 4, снабженного полостью 20. Углы наклона образующей конуса рабочей конической поверхности 5 штока 3, рабочей поверхности 10 конического вкладыша 9 и конической наружной поверхности 16 фиксатора 11 согласованы между собой. Полый шток 3 выполнен с углом наклона образующей конической поверхности 5 к продольной оси 21 от 4 до 20^о. Конический вкладыш 9 выполнен с углом наклона образующей конической поверхности 7 и внутренней рабочей поверхности 10 к продольной оси 21 от 6 до 30^о. Коническая наружная поверхность 16 фиксатора 11 выполнена с углом наклона образующей к продольной оси 21 от 4 до 30^о. Полый шток 3 прикреплен к узловому элементу 1 или стержню 2 с помощью резьбы 22, болта 23, гайки 24 или посредством развальцовки 25 торца 26, противоположного рабочей конической части 5 штока 3. Корпус раструба прикреплен к стержню 2 или узловому элементу 1 с помощью штифтов 27, резьбы 22 или на сварке 28.

Составной раструб 4 выполнен в нескольких вариантах. В первом варианте на его наружной цилиндрической части 6 установлена подвижная размыкающая втулка 29, взаимодействующая с фиксатором 11 с помощью штифтов 30, пропущенных через сквозные выемки 31 в корпусе составного раструба 4. Во втором варианте отсутствует подвижная размыкающая втулка 29, а ее функции выполняет пропущенный через полый шток 3 толкатель 32 дистанционного размыкания, взаимодействующий с донной частью 33 корпуса фиксатора 11, выполненного в виде стакана. В третьем варианте составной раструб 4 снабжен пружинным стопором 34, установленным в пазу 35 на наружной поверхности раструба 4 и взаимодействующим своим выступом 36 с внутренней поверхностью 37 и пазом 38 подвижной размыкающей втулки 29, фиксируя при этом узловое соединение в разомкнутом состоянии. В четвертом варианте составной раструб 4 снабжен коническим вкладышем 9, имеющим разрез 39 по образующей конуса и выполненным из высокопрочного упругого материала. При этом внутренний диаметр цилиндрической части 6 корпуса раструба 4 принят меньшим по сравнению с диаметром основания конического вкладыша 9, что обеспечивает его надежную фиксацию в конусообразном гнезде 8 корпуса раструба 4.

Полый шток 3 также выполнен в нескольких вариантах. В первом варианте он целиком изготовлен из высокопрочного материала и закреплен в узловом элементе 1 или стержне 2 с помощью резьбы 22. Во втором варианте полый шток 3 выполнен из менее прочного дешевого материала и снабжен конической накладкой 40, имеющей разрез 39 по образующей конуса и выполненной из высокопрочного упругого материала. При этом на конце шток 3 снабжен уступом 41, препятствующим смещению конической накладки 40. В третьем варианте полый шток 3 закреплен в узловом элементе 1 или на конце стержня 2 с помощью развальцовки торца 26, противоположного рабочей конической части 5 штока 3. При этом полый шток 3 со стороны рабочей конической части 5 снабжен упором 42, фиксирующим его положение в закрепленном состоянии. В четвертом варианте полый шток 3 закреплен в узловом элементе 1 или на конце стержня 2 с помощью резьбы 22 и снабжен на одном из торцов, например, со стороны рабочей конической части 5, шестигранным углублением 43 под ключ. В пятом варианте полый шток 3 закреплен снаружи узлового элемента 1 или на конце стержня 2 с помощью болта 23 и гайки 24. В шестом варианте полый шток закреплен в узловом элементе 1 или на конце стержня 2 с помощью болта 23, завернутого в резьбовой канал 44, выполненный в полом штоке 3, со стороны, противоположной его рабочей конической части 5. В седьмом варианте полый шток 3 закреплен в узловом элементе 1 или на конце стержня 2 одним из вышеперечисленных способов и заглушен с двух сторон винтами или пробками 45. В восьмом варианте полый шток 3 закреплен в узловом элементе 1 или на конце стержня 2 и снабжен овальными, например, цилиндрическими канавками 46, расположенными по образующей конуса на рабочей конической поверхности 5 штока 3, для более равномерного распределения контактных напряжений по поверхности штока 3 при взаимодействии его с расклинивающимися шариками 12 фиксатора 11. В девятом варианте полый шток 3 закреплен в узловом элементе 1 или на конце стержня 2 и снабжен овальной кольцевой канавкой 47, расположенной в плоскости, перпендикулярной продольной оси 21 штока 3, для более равномерного распределения контактных напряжений по его поверхности при взаимодействии штока 3 с расклинивающимися шариками 12 фиксатора 11 при замыкании узлового соединения. В десятом варианте полый шток 3 закреплен на конце одного трубчатого стержня 48 и снабжен цилиндрическим хвостовиком 49, сопряженным с концом второго трубчатого стержня 50, в котором закреплен составной раструб 4, взаимодействующий со штоком 3 через расклинивающиеся шарики 12 подпружиненного фиксатора 11. При этом через пустотелый шток 3 пропущен толкатель 32 с закрепленной на его конце рукояткой 51, который другим своим концом взаимодействует с донной частью 33 корпуса фиксатора 11, выполненного в виде стакана. В одиннадцатом варианте полый шток 3 закреплен в узлом элементе 1 и взаимодействует через расклинивающиеся шарики 12 подпружиненного фиксатора 11 с составным раструбом 4, закрепленным на конце трубчатого стержня 2. При этом внутри стержня 2 закреплена полая втулка 52, торец которой снабжен кольцевой канавкой 53 с установленным в ней герметизирующим кольцом 54 из упругого материала, в результате чего образуется проходной герметизированный канал 55.

Сборка узлового соединения состоит в подведении стержня 2 с закрепленным на его конце раструбом 4 или штоком 3 к узловому элементу 1 с закрепленным в нем штоком 3 или раструбом 4. Без каких-либо выверок небольшим усилием 2.5 кг, преодолевая сопротивление пружины 18, шток 3 вводят в раструб 4 и замыкают соединение с расклиниванием шариков 12 между рабочей конической поверхностью 5 штока 3 и рабочей конической поверхностью 10 вкладыша 9 составного раструба 4.

Соединение работает следующим образом.

При введении штока 3 во внутреннее пространство подпружиненного фиксатора 11, размещенного в составном раструбе 4, шток 3 своей концевой частью воздействует на шарики 12, выступающие из выемок 13 обоймы фиксатора 14, перемещая их вместе с фиксатором 14 по направлению продольной оси 21, преодолевая при этом сжатие осевой пружины 18. При этом шарики 12 скользят по внутренней поверхности 10 конического вкладыша 9 раструба 4, постепенно удаляясь от продольной оси 21 до тех пор, пока шток 3 не проходит между ними своей наиболее широкой частью рабочей конической поверхности 5, после чего давление штока 4 на шарики 12 прекращается и они под воздействием пружины 18 перемещаются в обратном направлении и расклиниваются между двумя конусными поверхностями: рабочей конической поверхностью 5 штока 3 и рабочей конической поверхностью 10 вкладыша 9.

Узловое соединение позволяет надежно передавать сжимающие и растягивающие усилия с сохранением своих характеристик. Усилие сжатия передается через торцевую поверхность раструба 4 и упор 42 штока 3, а надежность передачи растягивающих усилий обеспечивается за счет расклинивания шариков 12 между рабочими коническими поверхностями 10 и 5 вкладыша 8 и штока 3.

Наличие в одних вариантах подвижной размыкающей втулки 29, взаимодействующей с фиксатором 11 через штифты 30, а в других вариантах толкателя 32, взаимодействующего с донной частью 33 фиксатора 11, позволяет размыкать узловое соединение, преодолевая сопротивление пружины 18, отжимая фиксатор 11 и освобождая шарики 12 от расклинивания. Если необходимо создание неразъемного узлового соединения, то размыкающая втулка 29 или толкатель 32 могут отсутствовать. Наличие же пружинного стопора 34, установленного в пазу корпуса раструба 4, позволяет фиксировать положение втулки 29 в отжатом состоянии и обеспечивать беспрепятственное разъединение одного или нескольких узловых соединений одновременно.

Конический вкладыш 9 устанавливается в конической части 7 составного раструба 4 при его изготовлении либо обжатием конической части 7 вокруг конического вкладыша 9, либо постановкой конического вкладыша 9 в гнездо 8 за счет его упругого сжатия, что возможно, если конический вкладыш 9 изготовлен из упругого материала и снабжен разрезом 39 по образующей конуса. В обоих вариантах конический вкладыш 9 надежно удерживается в гнезде 8 благодаря своей конической форме, упругости материала, форме конической части 7 раструба 4, а также под воздействием расчетных усилий, возникающих при работе узлового соединения под нагрузкой. Так при действии растягивающих усилий, приложенных по оси 21 штока 3, они от штока передаются на расклинивающиеся шарики 12, а через них на конический вкладыш 9, надежно прижимаемый этими усилиями к стенкам гнезда 8. В аналогичном режиме работает и коническая накладка 40 штока 3, изготовленная из высокопрочного упругого материала и снабженная размером 39 по образующей конуса, которая при действии осевого усилия, приложенного к штоку 3, оказывается зажатой между его рабочей поверхностью 5 и расклинивающимися шариками 12, удерживаемая от смещения уступом 41.

Различные варианты закрепления штока 3 в узловом элементе 1 или конце стержня 2 также обеспечивают надежную работу узлового соединения. Сжимающие усилия во всех вариантах передаются упором штока 3 в узловой элемент 1 или в стержень 2, растягивающие усилия передаются с помощью резьбы 22, болта 23 и гайки 24 или развальцовки 25 торца 26 штока 3.

Различные варианты закрепления составного раструба 4 на конце стержня 2 или в узловом элементе 1 также обеспечивают его надежную работу: сжимающие усилия передаются упором, а растягивающие усилия передаются с помощью резьбы 22, штифтов 27 или сварных швов 28.

Варианты конструктивного исполнения полого штока 3 вносят особенности в его работу в составе узлового соединения и дают дополнительные преимущества. Если шестигранное углубление под ключ 43, облегчающее закрепление штока 3 в узловом элементе 1 или на конце стержня 2, и заглушки 45, герметизирующие внутреннюю полость узлового элемента 1 или стержня 2, не оказывают существенного значения на силовую работу узлового соединения, то наличие на рабочей конической поверхности 5 штока 3 овальных канавок 46 по его образующей или овальной кольцевой канавки 47, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси 21 штока 3, существенно влияет на распределение контактных напряжений на его рабочей конической поверхности 5. При этом канавки 46, согласованные по своему угловому положению с размещением шариков 12 в корпусе фиксатора 11, выравнивают контактные напряжения на всех стадиях работы фиксатора, а кольцевая канавка 47 выравнивает их в наиболее ответственный момент когда собранное узловое соединение находится под нагрузкой и шарики 12 расклинены между штоком 3 и вкладышем 9. Таким образом канавки 46 и 47 увеличивают несущую способность соединения в пределах их упругих деформаций. При этом радиус кривизны сечения овальных канавок 46 и 47 принимают равным или несколько большим по сравнению с радиусом шариков 12.

В варианте состыковки двух стержней 48 и 50, который может быть использован в мачтах и стойках вантово-тентовых сооружений, соединение способно воспринимать наряду с осевыми усилиями поперечные усилия и изгибающие моменты. Осевое усилие сжатия передается от одного стержня к другому через резьбовые соединения 22 и контактные поверхности штока 3 и раструба 4, осевое усилие растяжения передается через резьбовые соединения 22, шток 3, раструб 4 и расклинивающиеся шарики 12, поперечные усилия и изгибающий момент воспринимаются цилиндрическим хвостовиком 49, взаимодействующим с трубчатыми стержнями 48 и 50.

В варианте узлового соединения с образованием проходного герметизированного канала 55 соединение подобно предыдущему варианту способно воспринимать осевые и поперечные усилия, а также изгибающие моменты. Благодаря наличию герметизирующего кольца 54 и эффекту самозатягивания соединения при расклинивании шариков 12 между коническими поверхностями 10 и 5 вкладыша 9 и штока 3 происходит надежная герметизация проходного канала 55, что позволяет использовать такое узловое соединение в конструкциях двойного назначения: несущих функции силового каркаса и пневмо- или гидравлической сети.

Изготовление конструкции возможно в различных вариантах. Полый шток, корпус раструба, конический вкладыш и корпус фиксатора могут быть выполнены горячепрессованными, штампованными или литыми с применением различных металлов, металлокерамики, высокопрочных пластмасс и стекла, причем возможны комбинации различных материалов. При этом рабочие поверхности штока и вкладыша должны быть достаточно твердыми, чтобы сопротивляться продавливанию шариков. Они могут быть изготовлены из более твердых материалов или могут быть дополнительно упрочнены с помощью термообработки, напыления высокопрочных материалов, оплавления рабочих поверхностей или с использованием других способов физико-химических воздействий.

Рабочие конические поверхности штока и вкладыша должны быть геометрически согласованы в пределах вышеприведенных углов наклона образующей конуса к продольной оси для обеспечения надежного расклинивания шариков.

В конкретном примере полый шток, конический вкладыш и корпус фиксатора выполнены стальными, закаленными по рабочим поверхностям, а шарики приняты стальными, используемыми в шарикоподшипниках. Узловой элемент, стержни, корпус раструба и размыкающая втулка выполнены из алюминиевого сплава с защитным покрытием. Угол наклона конической поверхности к продольной оси принят для штока 15^о, для вкладыша раструба 22^о, для корпуса фиксатора 20^о. Наружный габаритный размер узлового элемента 50.90 мм, сечение трубчатых стержней от 32х1,5мм до 60х3 мм, соответственно наружный диаметр цилиндрической части раструба 32.60 мм, длина раструба 50.100 мм, длина штока 30.60 мм, диаметр шариков 5.8 мм. Эти узловые соединения использованы в структурных конструкциях общепринятых размеров.

Применение соединения обеспечивает упрощение монтажа и ускорение сборки структурных конструкций в связи с простотой выполнения рабочих операций, заключающихся в подведении друг к другу узлового элемента и стержня и самозащелкивании узлового соединения. Простота монтажных операций делает возможным применение роботов и манипуляторов. Структурные конструкции с предлагаемым узловым соединением могут монтироваться в экстремальных ситуациях при повышенной радиации, под водой, в космосе, на высокогорье, при низких и высоких температурах и т.д. Благодаря конструктивному решению предлагаемого узлового соединения и возможности комбинации различных материалов достигается снижение веса конструкции на 25.30% и ее удешевление в 2.2,5 раза по сравнению с известными решениями. Расширяются функциональные возможности использования узлового соединения: помимо структурных конструкций здания и сооружений оно может быть применено в конструкциях технологических каркасов, рекламных щитов, выставочных стендов, сборных антенн и мачт тентово-вантовых сооружений, а также для крепления сменного инструмента и оборудования в машиностроении и на транспорте, при создании сборно-разборных протезов и инвалидных колясок и т.п.

Область использования: в структурных конструкциях зданий и сооружений, а также в других строительных каркасах. Узловое соединение включает в себя узловой элемент, стержни и крепежные детали. Крепежная деталь выполнена в виде пустотелого штока с конической наружной поверхностью, закрепленного на конце стержня или в узловом элементе и взаимодействующего через подпружиненный шариковый фиксатор с составным раструбом с конической внутренней поверхностью, закрепленным в узловом элементе или на конце стержня. Пустотелый шток выполнен с углом наклона образующей конической поверхности к продольной оси от 4 до 20^o, а составной раструб с углом наклона образующей конической поверхности к продольной оси от 6 до 30^o. Предусмотрены варианты выполнения узлового соединения. 17 з. п. ф-лы, 17 ил.

УЗЛОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, включающий узловой элемент, стержни и крепежные детали в виде штока с конической наружной поверхностью, закрепленного на конце стержня или в узловом элементе, и раструба с конической внутренней поверхностью, закрепленного в узловом элементе или наконце стержня и имеющего подпружиненный фиксатор с расклинивающимися шариками, отличающееся тем, что шток выполнен с углом наклона образующей конической поверхности к продольной оси 4 - 20^o, а раструб выполнен с углом наклона образующей конической поверхности к продольной оси 6 - 30^o.