СИЛЬФОН Российский патент 2001 года по МПК F16J3/04 F16L51/02 

Изобретение относится к машиностроению и приборостроению, может быть использовано в различных приборах и механизмах, в которых сильфон предназначен для компенсации температурных колебаний и гашения вибрации трубопровода.

Известен сильфон, содержащий корпус, выполненный из гофр, стенки которых выполнены в виде колец, причем внешние диаметры и внутренние диаметры колец сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями соответственно [1].

В этом техническом решении за счет сопряжения кольцевых гофр выпуклыми и вогнутыми поверхностями удается несколько уменьшить напряжения в местах соединения гофр между собой. Однако в этом техническом решении все гофры выполнены вдоль продольной оси корпуса одинаковой ширины, поэтому при приложении осевых нагрузок наибольшие напряжения испытывают вогнутые поверхности тех гофр, которые ближе к месту приложения нагрузки, они сильно деформируются, а дальние гофры практически не изменяют своей формы, т.е. не принимают участия в компенсации нагрузки. В результате сильфон обладает небольшой временной наработкой, и его разрушение обычно происходит по вогнутой поверхности одной из гофр, близкой к тому торцу корпуса сильфона, к которому прикладывается нагрузка.

Наиболее близким к изобретению является сильфон, содержащий корпус, выполненный из узких гофр и, по меньшей мере, одной широкой гофры, стенки которых сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями соответственно [2].

В этом техническом решении гребни и канавки гофр выполнены синусоидальной формы, и узкие гофры чередуются с широкими. Кроме того, на внешней поверхности корпуса сильфона установлен продольный элемент, служащий для обеспечения равномерной деформации гофр при угловых перемещениях торцов корпуса. Сильфон выполняет функцию компенсатора больших угловых перемещений и не предназначен для компенсации осевых нагрузок. Наличие в сильфоне продольного компенсирующего элемента практически не позволяет использовать конструкцию для компенсации осевых нагрузок.

Решаемая изобретением задача - повышение качества и технико-эксплуатационных показателей при работе сильфона в условиях осевой неустойчивости и при наличии внутреннего давления.

Технический результат, который может быть получен при выполнении изобретения, - повышение долговечности, уменьшение габаритов, экономия материала, из которого изготовлен сильфон.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном сильфоне, содержащем корпус, выполненный из узких гофр и, по меньшей мере, одной широкой гофры, стенки которых сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями соответственно, согласно изобретению выпуклые поверхности и вогнутые поверхности выполнены в продольном сечении корпуса в виде полуокружностей, отношение радиуса R выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу r выпуклой поверхности узкой гофры выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, отношение высоты H между выпуклой поверхностью широкой гофры и сопряженной с ней вогнутой поверхностью узкой гофры к высоте h между выпуклой поверхностью и вогнутой поверхностью узкой гофры - в диапазоне от 0,5 до 1,5, отношение радиуса R₁ вогнутой поверхности между широкой гофрой и узкой гофрой к радиусу r₁ вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне от 1,0 до 2,2.

Возможны дополнительные варианты выполнения сильфона, в которых целесообразно, чтобы:
- корпус был выполнен из стали;
- корпус был выполнен из пластмассы;
- корпус был выполнен из резины;
- широкая гофра была смещена вдоль продольной оси относительно середины корпуса;
- широкая гофра была расположена вдоль продольной оси посередине корпуса;
- широкие гофры были расположены вдоль продольной оси по краям корпуса;
- узкие гофры и широкие гофры были выполнены чередующимися;
- количество широких гофр было выбрано равным количеству узких гофр;
- количество узких гофр было выбрано большим, чем количество широких гофр;
- с одной стороны корпуса число узких гофр между широкими гофрами было выбрано большим, чем число узких гофр между широкими гофрами с другой стороны корпуса.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг. 1 изображает схематично сечение верхней части корпуса сильфона.

Фиг. 2 - асимметричное расположение широкой гофры сильфона.

Фиг. 3 - симметричное расположение широкой гофры сильфона.

Фиг. 4 - асимметричное расположение широких гофр и узких гофр сильфона.

Фиг. 5 - симметричное расположение широких гофр по краям корпуса сильфона.

Фиг. 6 - расположение широких гофр и узких гофр с их чередованием через одну.

Фиг. 7 - расположение широких гофр с чередованием через одинаковое количество нескольких узких гофр сильфона.

Фиг. 8 - асимметричное расположение широких гофр и узких гофр с их чередованием.

Сильфон (фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный из узких гофр 2 и, по меньшей мере, одной широкой гофры 3. Стенки узких гофр 2 и широкой гофры 3 сопряжены между собой выпуклыми поверхностями 4 и вогнутыми поверхностями 5 соответственно.

Выпуклые поверхности 4 и вогнутые поверхности 5 выполнены в продольном сечении корпуса 1 в виде полуокружностей. Отношение радиуса R выпуклой поверхности 4 широкой гофры 3 к радиусу r выпуклой поверхности 4 узкой гофры 2 выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5. Отношение высоты H между выпуклой поверхностью 4 широкой гофры 3 и сопряженной с ней вогнутой поверхностью 5 узкой гофры 2 к высоте h между выпуклой поверхностью 4 и вогнутой поверхностью 5 узкой гофры 2 выбрано в диапазоне от 0,5 до 1,5. Отношение радиуса R₁ вогнутой поверхности 5 между широкой гофрой 3 и узкой гофрой 2 к радиусу r₁ вогнутой поверхности 5 между узкими гофрами 2 выбрано в диапазоне от 1,0 до 2,2.

Введение в конструкцию широкой гофры 3 с указанными размерами позволяет повысить технико-эксплуатационные показатели при работе сильфона в условиях осевой неустойчивости и при наличии внутреннего давления.

Как показали испытания, подобная геометрия узких гофр 2 и широкой гофры 3 изменила характер нагрузки на узкие гофры 2 и в целом на корпус 1 независимо от длины и диаметра сильфона, а также места расположения широкой гофры 3. Увеличилась устойчивость сильфона, нагруженного внутренним давлением и осевым усилием. Узкие гофры 2 (фиг. 1), расположенные от широкой гофры 3 слева и справа, стали работать с симметричным распределением нагрузки и с одинаковой величиной хода независимо от других геометрических размеров гофр, их количества и симметрии расположения. Выполнение выпуклых поверхностей 4 и вогнутых поверхностей 5 узких гофр 2 и широких гофр 3 в продольном сечении корпуса 1 в виде полуокружностей позволяет уменьшить концентрацию напряжений в вершинах упомянутых гофр.

Испытания проведены при избыточном давлении и принудительном ходе на механическом стенде. Геометрия широкого гофра 3 (фиг. 1) отличается от узких гофр 2, она изменила жесткость корпуса 1 и чувствительность сильфона. Но самое главное она изменила характер распределения нагрузки на все узкие гофры 2 и широкий гофр 3, увеличила устойчивость сильфона, нагруженного внутренним давлением P и осевым усилием Q. Узкие гофры 2 слева и справа стали работать с симметричным распределением нагрузки и одинаковой величиной хода. При различных сочетаниях давления и осевой силы (или заданного хода) цикл напряжений распределяется равномерно по всем гофрам, уменьшая критические напряжения в отдельных точках и увеличивая время нароботки сильфона на отказ. Сильфон заявленной конструкции приобретает улучшенные эксплуатационные характеристики и становится долговечней.

Геометрия широкого гофра 3 (фиг. 1, 2) позволяет равномерно распределить нагрузку по всему корпусу 1, сохранив устойчивость сильфона согласно математическому выражению n₁/L = n₂/n₁ = 0,618, где
n₁ - большее количество узких гофр 2, например, слева от широкого гофра 2;
L - длина сильфонной части корпуса 1;
n₂ - меньшее количество узких гофр 2, например, справа от широкого гофра 2.

Отношение плеча с меньшим количеством узких гофр 2 к плечу с большим количеством узких гофр 2 независимо от размеров гофр, их количества и симметрии является величиной постоянной на уровне 0,618, а это позволяет иметь распределение суммарных напряженностей и распределение нагрузок по всему сильфону независимо от симметрии расположения широкого гофра 3 на таком же уровне (0,618), обеспечивая устойчивость конструкции в различных приборах и механизмах. При этом плечо с большим количеством узких гофр 2 принимает нагрузку около 60%, а на плечо с меньшим количеством узких гофр 2 распределяется около 40% нагрузки. При симметричном расположении узких гофр 2 (фиг. 3) распределение нагрузки будет 50% на 50% на каждое плечо (с равномерным распределением по гофрам).

Корпус 1 сильфона может быть выполнен из стали, или из пластмассы, или из любого иного конструкционного материала, например резины, удовлетворяющего техническим требованиям к условиям эксплуатации. В частности для компенсации температурных колебаний и гашения вибрации трубопровода системы отработанных газов двигателей несколько различных вариантов конструкции (фиг. 2-8) были изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, используемой на практике для изготовления таких трубопроводов, с наружным диаметром корпуса 1 - 105 мм и длиной 180 мм и больше. Обычно для увеличения срока службы сильфона пытаются увеличить длину корпуса 1 сильфона и количество узких гофр 2. Однако испытания показали, что увеличение количества узких гофр 2 практически не влияет (или влияет незначительно) на увеличение времени службы сильфона, поскольку основные нагрузки в сильфоне с узкими гофрами 2 испытывают те гофры, которые расположены ближе к месту приложения осевой нагрузки. Они и выходят из строя по своим вогнутым поверхностям 5, на которых образуются трещины. Использование широкого гофра 3 (фиг. 2-8) позволяет, не увеличивая длины корпуса 1, более равномерно распределить нагрузку на каждую из узких гофр 3, и они практически работают с одинаковой величиной хода при приложении осевой нагрузки. Понятно, что ничто не препятствует заявленному техническому решению компенсировать и поперечные нагрузки в соответствии с обычной работой корпуса 1 сильфона на изгиб или кручение.

Кроме того, использование широких гофр 3 позволяет уменьшить количество материала при раскройке карт для изготовления корпуса 1 сильфона пропорционально количеству широких гофр 3. Увеличение количества широких гофр 3 приводит к увеличению жесткости корпуса 1, что часто бывает необходимо для исключения провисания корпуса 1 под действием сил тяжести, например, при изготовлении корпуса 1 из резины.

Поскольку место расположения широкого сильфона 3 с описанной выше геометрией не является критичным к функционированию устройства в целом, то на практике, как показали испытания, в зависимости от технико-эксплуатационных требований могут быть использованы различные конструктивные варианты (фиг. 2-8).

Варианты устройства (фиг. 3, 5, 7) с симметричным расположением узких гофр 2 и широких гофр 3 целесообразно использовать при приложении осевых нагрузок, действующих попеременно с обоих торцов корпуса 1, а варианты устройства (фиг. 2, 4, 6, 8) с асимметричным расположением узких гофр 2 и широких гофр 3 целесообразно использовать при приложении осевой нагрузки в основном только с одной стороны корпуса 1 (с тем, чтобы распределить нагрузку между плечами корпуса 1 на указанном уровне 0,618).

В зависимости от изгибающих и крутящих нагрузок, а также в зависимости от требуемой жесткости корпуса 1 сильфона при осевых нагрузках могут быть выбраны различные варианты (фиг. 2-8) с различным количеством узких гофр 2 и широких гофр 3 и с их различным чередованием. Узкие гофры 2 и широкие гофры 3 могут быть выбраны одинаковой высоты (H=h) для упрощения конструкции.

Работает сильфон (фиг. 2-8) следующим образом.

При приложении осевой нагрузки осевым усилием Q на корпус 1 сильфона, нагруженного внутренним давлением P, происходит сжатие-растяжение (в зависимости от знака осевой нагрузки) узких гофр 2 и широкой гофры 3. Широкая гофра 3 с описанной выше геометрией является менее упругим демпфирующим звеном по сравнению с узкими гофрами 2. Поэтому происходит равномерное перераспределение нагрузки по всей длине корпуса 1 с практически одинаковой величиной хода узких гофр 2, что позволяет в вершинах и впадинах выпуклых и вогнутых поверхностей 4, 5 узких гофр 2 соответственно уменьшить концентрацию возникающих там напряжений. Поскольку эти поверхности в продольном сечении корпуса 1 выполнены в виде полуокружностей, то эпюра напряженностей по отдельным узким гофрам 2 и широким гофрам 3 имеет плавный характер и приблизительно одинаковое максимальное значение. Широкая гофра 3 подвержена большему сжатию-расширению по сравнению с узкими гофрами 1, но ее геометрия как раз выбрана такой, чтобы уменьшить концентрацию напряжений в вершинах выпуклых и вогнутых поверхностей 4, 5 широких гофр 3 и в наибольшей степени обеспечить перераспределение нагрузки по узким гофрам 2.

Наиболее успешно заявленный сильфон может быть промышленно применим в приборах и механизмах, в которых сильфон функционирует в условиях осевой неустойчивости и при наличии внутреннего давления.

Источники информации
1. Патент США N 3169785, н.п.к. 285-226, опубл. 16.02.65.

2. Патент США N 3794080, н.п.к. 138-121, опубл. 22.10.74.

Изобретение относится к строительству и используется для компенсации температурных колебаний и гашения вибрации трубопровода. Корпус сильфона выполнен из узких гофр и, по меньшей мере, одной широкой гофры. Стенки гофр сопряжены между собой выпуклыми и вогнутыми поверхностями соответственно. Выпуклые поверхности и вогнутые поверхности выполнены в продольном сечении корпуса в виде полуокружностей. Отношение радиуса R выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу r выпуклой поверхности узкой гофры выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5. Отношение высоты Н между выпуклой поверхностью широкой гофры и сопряженной с ней вогнутой поверхностью узкой гофры к высоте h между выпуклой поверхностью и вогнутой поверхностью узкой гофры - в диапазоне от 0,5 до 1,5. Отношение радиуса R₁ вогнутой поверхности между широкой гофрой и узкой гофрой к радиусу r₁ вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне от 1,0 до 2,2. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Сильфон, содержащий корпус, выполненный из узких гофр и, по меньшей мере, одной широкой гофры, стенки которых сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями соответственно, отличающийся тем, что выпуклые поверхности и вогнутые поверхности выполнены в продольном сечении корпуса в виде полуокружностей, отношение радиуса R выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу r выпуклой поверхности узкой гофры выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, отношение высоты Н между выпуклой поверхностью широкой гофры и сопряженной с ней вогнутой поверхностью узкой гофры к высоте h между выпуклой поверхностью и вогнутой поверхностью узкой гофры - в диапазоне от 0,5 до 1,5, отношение радиуса R₁ вогнутой поверхности между широкой гофрой и узкой гофрой к радиусу r₁ вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне от 1,0 до 2,2. 2. Сильфон по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из стали. 3. Сильфон по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из пластмассы. 4. Сильфон по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из резины. 5. Сильфон по п.1, отличающийся тем, что широкая гофра вдоль продольной оси смещена относительно середины корпуса. 6. Сильфон по п.1, отличающийся тем, что широкая гофра расположена вдоль продольной оси посередине корпуса. 7. Сильфон по п.1, отличающийся тем, что широкие гофры расположены вдоль продольной оси по краям корпуса. 8. Сильфон по п. 1, отличающийся тем, что узкие гофры и широкие гофры выполнены чередующимися. 9. Сильфон по п.1, отличающийся тем, что количество широких гофр выбрано равным количеству узких гофр. 10. Сильфон по п.1, отличающийся тем, что количество узких гофр выбрано большим, чем количество широких гофр. 11. Сильфон по п.1, отличающийся тем, что с одной стороны корпуса число узких гофр между широкими гофрами выбрано большим, чем число узких гофр между широкими гофрами с другой стороны корпуса.