УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДАЧИ ТРУБ Российский патент 1998 года по МПК B21D39/06 B21D41/02 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено преимущественно для раздачи труб в трубных досках при изготовлении трубчатых теплообменников и подобных изделий, в которых трубы установлены заподлицо с трубной доской при обеспечении их плотного прилегания по контактным поверхностям и соединены с ней по периметру торца труб сваркой.

Устройства для прессовой раздачи труб в трубных досках в технике известны. Наиболее близким к заявляемому по техническому существу (прототипом) является устройство, содержащее смонтированные на штоке подвижный и неподвижный поршни с конусными торцовыми поверхностями, пластичную втулку, а между торцами эластичной втулки и каждого из поршней - разрезной вкладыш и промежуточное кольцо.

При относительной конструктивной простоте это известное устройство имеет ряд существенных недостатков. Оно предусматривает раздачу труб в отверстиях трубной доски на определенном участке по толщине трубной доски, в каждом из которых предварительно выполнена кольцевая проточка. В эту проточку как в матрицу и предусмотрено выдавливание стенки трубы при сжатии эластичной втулки. Такой способ раздачи труб существенно увеличивает затраты на изготовление трубной доски и изделия в целом и предполагает увеличение толщины перемычек между смежными отверстиями в трубной доске, что ограничивает возможную плотность размещения труб, увеличивает габариты теплообменника при прочих равных условиях (площадь теплообменной поверхности в единице объема резко уменьшается) и ограничивает возможности изменения теплотехнических характеристик оборудования. Кроме того, разрезные конические вкладыши с углом при вершине конуса 90^o и меньше при сжатии эластичной втулки разжимаются и воздействуют на трубу с очень большим радиальным усилием, вызывая не только пластическую деформацию трубы, но и прочное сцепление их с трубой, препятствуя смещению вкладыша на торце подвижного поршня по трубе вместе с подвижным поршнем и обеспечению требуемого по технологии раздачи осевого сжатия эластичной втулки в зоне кольцевой проточки в трубной доске. Это снижает качество раздачи труб и надежность готового изделия в эксплуатации. Наконец, поступательное перемещение по валу (штоку) вкладыша, втулки, кольца и т.п. без перекосов и заклинивании возможно при достаточной длине направляющей (контактной) поверхности (с учетом зазора между поверхностями). И если разрезной конический вкладыш в процессе раздачи трубы разжимается и практически не взаимодействует с неподвижным штоком, то шайба (кольцо), перемещаемая подвижным штоком через сопряженный с его торцом вкладыш, не имеет достаточной поверхности контакта со штоком и при случайных перекосах может заклиниться на штоке. Если это и не станет препятствием для ее перемещения, то вызовет неравномерное по сечению осевое сжатие эластичной втулки и неравномерную по сечению раздачу трубы, перекос разрезного вкладыша с образованием зазоров, в которые частично будет вдавлен материал эластичной втулки, который после снятия осевой нагрузки будет защемлен в зазоре. Это дополнительно снижает надежность и долговечность эксплуатации устройства, качество раздачи труб.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков: обеспечение надежной раздачи труб без выполнения на стенках отверстий в трубной доске кольцевых проточек, усовершенствование конструкции устройства с точки зрения удобства и надежности в эксплуатации, исключение деформации труб разрезными вкладышами и сцепления последних с трубой, препятствующего раздаче.

Поставленные цели достигаются тем, что в устройстве для раздачи труб, содержащем собранные на штоке подвижный и неподвижный поршни с конусными торцовыми поверхностями; размещенную между ними эластичную втулку, а между торцами эластичной втулки и каждого из поршней - промежуточное кольцо (шайбу) и разрезной вкладыш, - в соответствии с настоящим изобретением шток одним концом соединен с поршнем силового цилиндра; неподвижным выполнен свободно установленный на штоке поршень, зафиксированный от осевых перемещений в процессе раздачи трубы жестким креплением к корпусу силового цилиндра и выполненный с упором, взаимодействующим с трубной доской при установке устройства в рабочее положение, а конусные торцовые поверхности подвижного и неподвижного поршней и ответные им поверхности разрезных вкладышей выполнены с одинаковым углом при вершине конуса в пределах 130-145^o. При этом жесткое крепление, свободно установленное на штоке неподвижного поршня к корпусу силового цилиндра, может быть выполнено с помощью переходника в форме стакана, имеющего съемное крепление на корпусе силового цилиндра, и фиксатора (чеки), установленного в радиальных диаметрально противоположных пазах в стенке переходника.

Поставленные цели достигаются также и тем, что разрезные вкладыши выполнены каждый в виде втулки из набора секторных сухарей, оба торца которой имеют одинаковую конусную поверхность с обращенными друг к другу вершинами конусов, а сухари подвижно в радиальном направлении скреплены между собой по меньшей мере одним пружинным кольцом, при этом промежуточные кольца на обращенном к разрезным вкладышам торце выполнены с конусной поверхностью, ответной конусной поверхности вкладыша. Конусные торцовые поверхности подвижного и неподвижного поршней (или хотя бы одного из них) могут быть образованы соответствующей установкой дополнительного промежуточного кольца с одной конусной торцовой поверхностью, сопряженного плоской торцовой поверхностью с плоским торцом поршня.

Поставленные цели достигаются еще и тем, что промежуточные кольца с одной конусной торцовой поверхностью со стороны этой поверхности выполнены заодно с тонкостенной втулкой одинакового с промежуточным кольцом внутреннего диаметра, а разрезные вкладыши со стороны установки таких колец имеют расточку по внутреннему диаметру, соответствующую толщине втулки, длина расточки от торца вкладыша превышает длину втулки по меньшей мере на одну четверть рабочего хода штока в процессе раздачи труб, но не превышает половины длины вкладыша.

Действительно, соединение штока устройства с поршнем силового цилиндра делает подвижным в процессе раздачи труб сам шток и закрепленный на его конце поршень, а фиксация свободно установленного на штоке поршня от осевых перемещений жестким креплением к корпусу силового цилиндра и выполнение на этом поршне упора, взаимодействующего с трубной доской при установке устройства в рабочее положение и в процессе раздачи, делает свободно установленный на штоке поршень неподвижным. При этом отпадает необходимость в отдельном приводе перемещения подвижного поршня, в нагружателе, дистанционирующем кольце, защитном стакане, упрощается конструкция поршня и устройства в целом, упрощается его обслуживание, повышается удобство и надежность в эксплуатации. Выполнение конусных торцовых поверхностей подвижного и неподвижного поршней и ответных им поверхностей разрезных вкладышей с углом при вершине конуса в пределах 130-145^o существенно ограничивает радиальное усилие на трубу при раздаче вкладышей, исключая пластическую деформацию ими стенки трубы и жесткое сцепление вкладышей с трубой. При таком выполнении поверхностей указанных элементов обеспечивается плотное прилегание поверхности вкладышей к стенке трубы, исключающее выдавливание материала эластичной втулки при ее сжатии, но не препятствует перемещению разрезного вкладыша и подвижного поршня, обеспечивая необходимое сжатие эластичной втулки для радиальной раздачи трубы с заданным по технологии усилием раздачи. Это позволяет осуществить равномерную раздачу трубы не только в пределах всей трубной доски, но и на некотором участке перед трубной доской, что значительно повышает плотность соединения труб с трубной доской без избыточной деформации труб и позволяет обеспечить плотное соединение без выполнения кольцевой проточки на стенках отверстий в трубной доске. А это означает, что заявляемое устройство позволяет изготавливать изделия с более плотным расположением трубных пучков и уменьшить их габариты при высоком качестве и надежности соединений.

Предложенное разъемное жесткое крепление неподвижного поршня к корпусу силового цилиндра позволяет в случае заклинивания устройства в раздаваемой трубе легко извлекать его из трубы с помощью силового цилиндра, как при выполнении раздачи трубы. Это повышает удобство устройства в эксплуатации и снижает возможные непроизводительные потери времени.

Предложенное выполнение разрезных вкладышей в виде втулки из набора секторных сухарей с одинаковой конусностью обеих торцовых поверхностей и выполнение обращенной к вкладышу торцовой поверхности промежуточного кольца с ответным конусом гарантирует равномерную раздачу вкладыша по всей его длине и равномерное прижатие образующих его сухарей к поверхности трубы без их перекоса и заклинивания при относительном перемещении, что повышает надежность в эксплуатации и не вызывает появления дефектов на поверхности трубы в зоне контакта с вкладышами.

Прелагаемая замена конусных торцовых поверхностей подвижного и неподвижного поршней соответствующей установкой дополнительных промежуточных колец позволяет осуществить раздачу труб разного диаметра одним устройством при замене вкладышей, промежуточных колец и эластичной втулки такими же деталями соответствующих раздаваемой трубе размеров.

Предложенное выполнение промежуточных колец заодно с тонкостенной втулкой одинакового с кольцами внутреннего диаметра и соответствующих расточек по внутреннему диаметру вкладышей от их торцов исключает вероятность перекоса промежуточных колец при раздаче труб, их заклинивание и нарушение технологических режимов раздачи труб, что повышает надежность устройства в эксплуатации и качество раздачи труб.

Таким образом, отличительные признаки заявляемого устройства во всех рассмотренных вариантах его осуществления обеспечивают достижение поставленных целей.

Наличие отличительных признаков заявляемого устройства по сравнению с прототипом делают его соответствующим критерию изобретения "новизна". Отсутствие сведений об известности использования отличительных признаков заявляемого устройства в этой же или в смежных областях техники для достижения аналогичного эффекта позволяет признать его соответствующим критерию изобретения "изобретательский уровень". Наконец, отсутствие препятствий технического, технологического или иного порядка для промышленной реализации заявляемого устройства и сам факт его изготовления и использования у заявителя позволяют признать заявляемый объект соответствующим критерию изобретения "промышленная применимость".

На чертеже изображено устройство для раздачи труб, продольный осевой разрез с введенной в одну из труб изделия для ее раздачи рабочей частью устройства.

Устройство содержит стержень 1, соосно закрепленный на штоке 2 силового цилиндра (не показан). Шток 2 укорочен и не выходит за пределы штоковой втулки 3 силового цилиндра. На стержне 1 свободно установлен неподвижный (относительно обрабатываемого изделия) поршень 4 с кольцевым упорным (дистанционирующим) выступом 5 и кольцевым выступом 6 для фиксации этого поршня от осевых перемещений жестким креплением к штоковой втулке 3 силового цилиндра, которое выполнено с помощью переходника 7 в форме стакана, и фиксатора (чеки) 8, установленного в диаметрально противоположных радиальных пазах в стенке переходника 7. На штоковой втулке 3 силового цилиндра переходник 7 установлен на резьбе и зафиксирован контргайкой 9. В показанном варианте конструкции рабочий торец неподвижного поршня выполнен конусным с углом при вершине конуса 130-145^o. Далее на стержне 1 установлен разрезной вкладыш 10, выполненный в виде втулки из набора секторных сухарей, оба торца которой имеют одинаковую конусную поверхность с обращенными друг к другу вершинами конусов, а сухари скреплены между собой пружинным кольцом 11. Второй торец разрезного вкладыша 10 находится в контакте с обращенной к нему ответной конусной поверхностью промежуточного кольца 12. При выполнении последнего заодно с тонкостенной втулкой одинакового с промежуточным кольцом внутреннего диаметра, разрезной вкладыш 10 со стороны промежуточного кольца 12 имеет кольцевую расточку по внутреннему диаметру, соответствующую толщине указанной втулки промежуточного кольца, при этом длина расточки от торца вкладыша превышает длину втулки по крайней мере на одну четверть рабочего хода штока (стержня 1) в процессе раздачи, но не должна быть больше половины длины вкладыша. К плоскому торцу промежуточного кольца 12 примыкает торец эластичной втулки 13, за которой на стержне 1 установлены промежуточное кольцо 14, аналогичное кольцу 12, второй разрезной вкладыш 15 предпочтительно большей длины, чем вкладыш 10, и еще одно аналогичное промежуточное кольцо 16. На конце стержня 1 жестко закреплен (по резьбе) подвижный относительно обрабатываемого изделия поршень 17 в форме колпачковой цилиндрической гайки.

Размеры рабочей части устройства для раздачи труб определяются размерами составляющих его элементов с учетом конструкции соединения труба - трубная доска. Если раздача трубы 18 должна быть выполнена в пределах толщины трубной доски 19, эластичная втулка 13 должна выступать за пределы трубной доски 19 со стороны трубного пучка (или трубы 18) по крайней мере на длину рабочего хода стержня 1 (штока 2) в процессе раздачи при исходном положении устройства в трубе 18 или несколько меньше. Если необходима повышенная плотность закрепления труб 18 в трубной доске 19 со стороны трубного пучка, эластичная втулка 13 в исходном положении должна выступать за пределы трубной доски на расчетную долину, превышающую величину рабочего хода стержня 1.

Предлагаемое устройство с комплектом собранных на стержне 1 элементов предназначено для раздачи труб одного конкретного размера с учетом допуска по диаметру труб и толщине стенки. При этом длина эластичной части 13 (и рабочей части устройства) определяется, как отмечено выше, конструкцией соединения труба - трубная доска. При выполнении торца неподвижного поршня 4 плоским с установкой дополнительного промежуточного кольца, аналогичного кольцам 12, 14 и 16, устройство может быть использовано для раздачи труб разных диаметров при замене только эластичной втулки 13, промежуточных колец и разрезных вкладышей на другие, соответствующие исходному диаметру раздаваемых труб. Исходная длина рабочей части устройства может регулироваться изменением глубины закрепления стержня 1 в штоке 2 силового цилиндра и фиксироваться, при необходимости, установкой на нарезной части стержня 1 перед штоком 2 контргайки (этот вариант на чертеже не показан). В ряде случаев экономически целесообразней иметь необходимое количество комплектов сменных деталей устройства по используемым типоразмерам труб для раздачи, чем отдельное устройство на каждый типоразмер труб.

Работа устройства заключается в следующем.

Рабочий конец устройства, подготовленного для выполнения раздачи труб, вводят в установленную в трубной доске 19 трубу 18 до упора выступа 5 в трубную доску 19. Подачей управляющей среды в штоковую полость силового цилиндра и повышением ее давления вызывают перемещение штока 2 со стержнем 1 вправо (по чертежу), при этом неподвижный (относительно изделия) поршень 4 оказывается надежно прижатым к трубной доске 19. Все элементы устройства, расположенные между торцами неподвижного 4 и подвижного 17 поршней, будут испытывать сжимающее осевое усилие. Промежуточное кольцо 16 будет перемещаться вместе со стержнем 1 и подвижным поршнем 17. Радиальная составляющая встречных осевых усилий на торцах разрезных вкладышей 15 и 10 заставит образующие их сухари раздвигаться, перемещаясь торцами по конусным поверхностям промежуточных колец 16 и 14, а также промежуточного кольца 12 относительно трубы 18, а перемещение разрезного кольца 12 и рабочего торца неподвижного поршня 4, преодолевая сопротивление скрепляющих сухари между собой пружинных колец 11. При этом разрезной вкладыш 15 будет одновременно перемещаться со стержнем 1, тогда как перемещение разрезного вкладыша 10 относительно стержня 1 будет определяться только его смещением по конусной поверхности торца неподвижного поршня 4. Промежуточное кольцо 14 тоже будет перемещаться со стержнем 1, но с меньшей чем стержень 1 скоростью относительно трубы 18 будет определяться смещением разрезного вкладыша 10 относительно неподвижного поршня 4 и самого кольца 12 относительно вкладыша 10 при его раздаче. Эластичная втулка 13 под действием сжимающих усилий на торцах начнет уменьшаться по длине и увеличиваться в диаметре. Наружная поверхность разрезных вкладышей 15 и 10 должна войти в контакт с внутренней поверхностью трубы 18 одновременно с эластичной втулкой 13 или несколько раньше, что определяется упругими свойствами эластичной втулки 13 и необходимо для исключения выдавливания материала эластичной втулки в зазор между стенкой трубы 18 и вкладышами, если он будет. Угол при вершине конуса образующих контактные поверхности разрезных вкладышей 15 и 10 на их торцах, промежуточных колец 16, 14 и 12 и рабочего торца неподвижного поршня 4 выбирается в пределах 130-145^o из расчета, чтобы радиальная составляющая разжимного усилия на вкладышах 15 и 10 не вызывала пластической деформации трубы 18 и обеспечивала возможность скольжения вкладыша 15 по поверхности контакта с трубой 18 при обеспечения достаточной плотности контакта. При дальнейшем рабочем ходе стержня 1 радиальное усилие от осевого сжатия эластичной втулки будет расти и в конечном итоге вызовет пластическую деформацию трубы 18 в зоне расположения сжатой эластичной втулки 13. Если эта зона выходит за пределы толщины трубной доски 19, раздача трубы 18 перед трубной доской 19 будет несколько больше, образуя перед трубной доской 19 на трубе 18 кольцевой выступ, который и обеспечивает увеличенную плотность соединения труба - трубная доска со стороны трубного пучка. После заданного по технологии раздачи подъема давления рабочей силы среды в силовом цилиндре процесс раздачи прекращают, подключая штоковую полость силового цилиндра к сливной магистрали. Давление в штоковой полости упадет до нормального, и под действием упругих сил эластичной втулки 13 и пружинных колец 11, разрезных вкладышей 10 и 15 устройство должно вернуться в исходное положение, что позволит извлечь его из трубы 18 после ее раздачи и установить в очередную трубу, подлежащую раздаче. В этом случае все указанные операции повторяют.

Если в процессе раздачи трубы 18 произойдет выдавливание материала эластичной втулки 13 в образовавшиеся зазоры с заклиниванием элементов устройства в трубе после снятия давления рабочей среды, или если заклинивание произошло по другим причинам и устройство не извлекается из трубы, его удаляют с помощью силового цилиндра. Для этого удаляют чеку 8, снимая осевую фиксацию неподвижного поршня 4 в закрепленном на штоковой втулке 3 силового цилиндра переходнике 7 и подают в штоковую полость силового цилиндра рабочую среду под давлением. Если стержень 1 с собранными на нем элементами заклинен в трубе 18, это вызовет смещение силового цилиндра влево по чертежу. Поскольку чека 8 снята, а неподвижный поршень упирается в трубную доску 19, перемещение силового цилиндра относительно штока 2 вызовет смещение переходника 7 по неподвижному поршню 4 до упора переходника 7 в трубную доску 19. Поскольку дальнейшее перемещение корпуса силового цилиндра исключено, подача рабочей среды в штоковую полость силового цилиндра и подъем ее давления вызовет появление на штоке 2 осевого усилия, которое и обеспечит перемещение стержня 1 со всеми собранными на нем элементами устройства, включая неподвижный поршень 4, вместе с поршнем 2 через штоковую втулку 3 в полость силового цилиндра. После извлечения устройства из трубы 18 переключением потока рабочей среды обеспечивают ее подачу на поршень силового цилиндра, подключая штоковую полость к сливной магистрали. При этом поршень 2 со стержнем 1 и собранными на нем элементами будет выведен из полости силового цилиндра. После осмотра устройства, устранения дефектов или замены неисправных или разрушенных элементов устройство готовят к работе.

Предлагаемое устройство обеспечивает высокое качество раздачи труб без образования дефектов на их внутренней поверхности в зоне контакта с разрезными втулками, проще и удобнее в эксплуатации по сравнению с прототипом, надежнее в эксплуатации.

Изобретение предназначено для раздачи труб в трубных досках, в которых трубы установлены заподлицо с трубной доской (без выступающих концов) и могут быть дополнительно соединены с ней по периметру сваркой. Устройство для раздачи труб содержит шток, одним концом связанный с поршнем силового цилиндра. На штоке смонтированы подвижный и неподвижный поршни с конусными торцовыми поверхностями, выполненными с одинаковым углом при вершине конуса, равным 130-145^o. На штоке также смонтированы эластичная втулка, а между торцами эластичной втулки и каждого из поршней - разрезной вкладыш и промежуточное кольцо. Поверхности разрезных вкладышей, ответные к поверхностям обоих поршней, выполнены с одинаковым углом при вершине конуса, равным 130-145^o. Неподвижный поршень свободно установлен на штоке, жестко зафиксирован на корпусе силового цилиндра для предотвращения осевого перемещения в процессе раздачи трубы и выполнен с упором для взаимодействия с трубной доской при установке в рабочее положение. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для раздачи труб, содержащее смонтированные на штоке подвижный и неподвижный поршни с конусными торцевыми поверхностями, эластичную втулку, а между торцами эластичной втулки и каждого из поршней разрезной вкладыш и промежуточное кольцо, отличающееся тем, что шток одним концом связан с поршнем силового цилиндра, неподвижный поршень свободно установлен на штоке, жестко зафиксирован на корпусе силового цилиндра для предотвращения осевого перемещения в процессе раздачи трубы и выполнен с упором для взаимодействия с трубной доской при установке в рабочее положение, а конусные торцевые поверхности обоих поршней и ответные им поверхности разрезных вкладышей выполнены с одинаковым углом при вершине конуса, равным 130 145^o. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что жесткая фиксация неподвижного поршня к конусу силового цилиндра выполнена посредством съемного переходника в виде стакана и фиксатора, размещенного в диаметрально противоположных пазах стенки стакана. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что разрезные вкладыши выполнены в виде втулки с торцами одинаковой конусности из набора подвижных в радиальном направлении секторных сухарей, скрепленных между собой по меньшей мере одним пружинным кольцом, при этом промежуточные кольца на обращенном к разрезным вкладышам торце выполнены с конусной поверхностью, ответной конусной поверхности торца вкладыша. 4. Устройство по любому из пп. 1 3, отличающееся тем, что по меньшей мере один из поршней выполнен с плоским торцом, а конусная поверхность его образована установкой дополнительного промежуточного кольца поверхностью, сопряженного своим плоским торцом с плоским торцом поршня. 5. Устройство по любому из пп. 1 4, отличающееся тем, что промежуточные кольца с одной конусной торцевой поверхностью со стороны этой поверхности выполнены за одно с тонкостенной втулкой одинакового с промежуточным кольцом внутреннего диаметра, а разрезные вкладыши со стороны установки таких колец имеют расточку по внутреннему диаметру, соответствующую толщине втулки, длина расточки от торца вкладыша превышает длину втулки по меньшей мере на одну четверть рабочего хода штока в процессе раздачи труб, но не превышает половины длины вкладыша.