СОЕДИНЕНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 2002 года по МПК F16L19/08 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к резьбовым соединениям трубопроводов с врезающимся кольцом для осевого монтажа, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где применяются гидро- и пневмосистемы, работающие под высоким давлением.

Известны аналоги заявляемого изобретения. Одним из них является действующий ГОСТ 23354-78 "Соединения трубопроводов резьбовые. Кольца врезающиеся". Данное соединение на одном конце соединяемого трубопровода имеет штуцер. На конец другого соединяемого трубопровода надевается накидная гайка и врезающееся кольцо. Врезающееся кольцо имеет переднюю кромку, врезающуюся в трубопровод при выполнении соединения, и утолщенную заднюю часть в виде кольцевого выступа, который имеет приемный конус с углом 90^o с торцевой части для улучшения контакта с буртом накидной гайки. Однако такое выполнение налагает определенные ограничения на условия его применения, так как надежное соединение возможно при высокой точности исполнения врезающегося кольца и использовании труб повышенной точности, то есть калиброванных труб при условии, что зазор между наружным диаметром трубы и диаметром кольца не превышает 0,1...0,15 мм.

Другим аналогом является изобретение "Соединение трубопроводов" (А. с. 1634931, МПК 5 F 16 L 19/08), содержащее штуцер, уплотнительное кольцо и накидную гайку. В передней части уплотнительного кольца выполнена наружная коническая поверхность, сопрягающаяся с конической поверхностью штуцера, причем угол конуса штуцера выполнен больше, чем угол конуса передней части уплотнительного кольца на величину его упругой деформации при врезании, и составляет не менее одного и не более двух градусов.

К недостаткам аналога относится большая радиальная жесткость уплотнительного кольца, что увеличивает аксиальные усилия и снижает эффективность его врезания. Разность углов конусности внутренней конической поверхности штуцера и наружной поверхности передней части уплотнительного кольца приводит к врезанию в штуцер, что тоже увеличивает аксиальные усилия и выводит штуцер из строя или требует его термообработки.

За прототип заявляемого изобретения принято "Соединение трубопровода" (Патент 2119607 МПК 6 F 16 L 19/08). Известное устройство для соединения трубопровода содержит штуцер, накидную гайку и обжимное или врезающееся кольцо, наружная и внутренние поверхности которого выполнены с криволинейными образующими с образованием переменного относительно трубопровода зазора по всей длине врезающегося кольца, а задняя часть содержит замыкающую кромку. К недостаткам прототипа относится переменная толщина стенки врезающегося кольца, что затрудняет возможность его изготовления методами обработки металлов давлением из стандартного проката, так как в этом случае толщина стенки кольца в передней и задней частях врезающегося кольца будет практически одинакова. Вследствие этого прочность задней части врезающегося кольца уменьшается, что может привести к его разрушению либо на стадии монтажа, либо в процессе эксплуатации. Увеличение толщины стенки кольца требует приложения больших аксиальных усилий и одновременно снижает эффект герметизации соединения за счет уменьшения кривизны наружной поверхности врезающегося кольца в зоне контакта с внутренней конической поверхностью штуцера.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение их прочности, оптимизация величины врезания кольца и повышение герметичности соединения, возможность изготовления врезающихся колец из проката.

Технический результат, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, заключается в увеличении радиальной и осевой жесткости задней части кольца и снижении аксиальных усилий при затяжке соединения за счет уменьшения радиальной и осевой жесткости передней части кольца.

Сущность заявляемого изобретения - соединение трубопроводов, содержащее штуцер, накидную гайку и врезающееся кольцо с рабочей кромкой в передней части и задней частью с переменным зазором относительно трубопровода по всей длине кольца, - состоит в том, что передняя часть выполнена с криволинейными внешней и внутренней поверхностями, связанными между собой переходной поверхностью, с рабочей кромкой, образованной в месте пересечения внешней поверхности врезающегося кольца и переходной поверхности, а задняя часть кольца выполнена с бандажом в виде отбортованной наружу части кольца с образованием незамкнутого петлеобразного сечения, причем бандаж содержит опорную поверхность и хвостовой элемент с возможностью саморегулирования функций бандажа и процесса герметизации соединения.

Передняя часть кольца выполнена с криволинейными внешней и внутренней поверхностями, связанными между собой переходной поверхностью. Длина передней части кольца обусловлена максимальной глубиной его продвижения в приемный конус штуцера.

Кривизна внешней поверхности передней части кольца и острота ее рабочей кромки обусловлены разностью между диаметрами окружности рабочей кромки и окружности, на которой расположен центр кривизны образующей внешней криволинейной поверхности передней части в окрестности рабочей кромки, при этом внешняя криволинейная поверхность является одновременно задающей.

Длина задней части кольца определяется длиной бандажа.

Длина бандажа составляет не менее 25% общей длины кольца.

В заявляемом техническом решении оптимизация герметизирующих свойств кольца достигается посредством изменения формы криволинейной внешней поверхности передней части и регулированием остроты рабочей кромки кольца за счет изменения разности между диаметром окружности рабочей кромки и диаметром окружности, на которой находится центр кривизны образующей криволинейной внешней поверхности в окрестности рабочей кромки. Необходимо отметить, что криволинейная внешняя поверхность выполняет функцию задающего элемента для формообразования передней части кольца при деформировании, что позволяет управлять процессом герметизации соединения. Наличие криволинейной внешней поверхности в передней части врезающегося кольца существенно изменяет последовательность процесса герметизации соединения. В отличие от прототипа сначала происходит герметизация в зоне контакта врезающегося кольца со штуцером, а затем с трубой. В то же время криволинейная внешняя поверхность в передней части предохраняет от повреждения коническую контактную поверхность штуцера. Важной отличительной особенностью заявляемой конструкции кольца является то, что его рабочая кромка образована в месте пересечения внешней поверхности врезающегося кольца и переходной поверхности. Это позволяет упростить технологию изготовления и контроля передней части врезающегося кольца и тем самым повысить его качество.

В заявляемом техническом решении бандаж, являющийся элементом врезающегося кольца, обусловливает увеличение радиальной жесткости задней части врезающегося кольца при уменьшении радиальной жесткости передней части врезающегося кольца. Одновременно выполнение кольца с бандажом позволяет увеличить потенциальную энергию, которую кольцо аккумулирует в процессе его врезания в трубопровод, за счет сложной формы кольца и увеличения длины ее образующей. Бандаж в виде отбортованной наружу части кольца с образованием незамкнутого петлеобразного сечения обеспечивает переменный зазор между бандажом и задней частью кольца, который позволяет управлять процессом врезания и герметизации соединения за счет регулируемого изменения формы кольца. В исходном положении зазор между бандажом и задней частью врезающегося кольца в зоне контакта врезающегося кольца с накидной гайкой определяется оптимальными размерами опорной поверхности бандажа, а в зоне кромки хвостового элемента бандажа зазор является регулятором момента усиления бандажом задней части кольца. Одновременно величина зазора в зоне кромки хвостового элемента бандажа является регулятором процесса герметизации, так как после вступления кромки хвостового элемента бандажа в контакт с кольцом его задняя часть усиливается, и деформирование кольца перемещается преимущественно в переднюю часть, что способствует интенсификации процесса герметизации. Одновременно наличие зазора между остальной частью бандажа и кольцом позволяет аккумулировать потенциальную энергию равномерно по всему объему врезающегося кольца. Этот эффект сохраняется практически до конца процесса врезания кольца в трубу. Длина бандажа оказывает влияние на кривизну поверхности контакта кольца с конической поверхностью штуцера: чем больше длина бандажа, тем короче передняя часть врезающегося кольца и тем интенсивнее увеличивается ее кривизна в процессе деформирования - это повышает эффект герметизации соединения в зоне контакта кольца со штуцером. Максимальная длина бандажа ограничена параметрами штуцера. Вместе с тем при длине бандажа менее 25% общей длины кольца снижается эффект усиления задней части кольца, и это может привести к нерегулируемому его деформированию в зоне, свободной от контакта с накидной гайкой, бандажом и штуцером, и, как следствие, к разрушению кольца и разгерметизации соединения.

В заявляемом техническом решении зазор между кольцом и трубопроводом является переменным по всей длине кольца. Оптимальный закон распределения зазора между кольцом и трубопроводом является функцией ряда факторов: размерных параметров сопрягаемых деталей, толщины стенки кольца, его прочностных и деформационных характеристик и других. Вместе с тем можно утверждать, что величина зазора между кольцом и трубопроводом в зоне рабочей кромки и торцевой поверхности задней части кольца является минимальной, так как эти участки являются практически посадочными, и величина зазора на этих участках определяется требованиями точности установки кольца на трубопровод при монтаже. По мере удаления от рабочей кромки зазор между трубопроводом и кольцом в его передней части увеличивается, а затем уменьшается при переходе к задней части - зоне бандажа.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором в изображении над осью представлено соединение до врезания врезающегося кольца в трубу, а в изображении под осью - соединение после врезания врезающегося кольца в трубу.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. Соединение трубопровода, включающее трубы 1 и 2, содержит присоединенный к концу трубы 2 штуцер 3 с внутренней уплотняющей поверхностью 4, накидную гайку 5 с контактной поверхностью 6.

Штуцер 3 и накидная гайка 5 с контактной поверхностью 6 - стандартные детали, ограниченные параметрами резьбы, с возможностью выполнения резьбового соединения.

Соединение содержит врезающееся кольцо 7, которое является оригинальной деталью. Кольцо 7, содержащее переднюю 8 и заднюю 9 части, выполнено с переменным зазором относительно трубопровода по всей длине кольца 7. Передняя часть 8 выполнена криволинейной с внешней 10 и внутренней 11 поверхностями, связанными между собой переходной поверхностью 12. В месте пересечения криволинейной внешней поверхности 10 с переходной поверхностью 12 образована рабочая кромка 13 кольца 7.

Криволинейная внешняя поверхность 10 позволяет оптимизировать герметизирующие свойства кольца 7 посредством изменения формы внешней поверхности 10 и регулированием остроты его рабочей кромки 13. В заявляемой конструкции диаметр окружности 14 рабочей кромки 13 больше диаметра окружности 15, на которой находится центр кривизны образующей криволинейной внешней поверхности 10 в окрестности рабочей кромки 13. В этом случае касательная 16 к образующей криволинейной внешней поверхности 10 в окрестности рабочей кромки 13 составит с осью соединения угол 17, меньший, чем 90^o. Наряду с углом 17 касательной 16 параметром, характеризующим остроту рабочей кромки 13 кольца 7, является также радиус кривизны 18 внешней поверхности 10 в окрестности рабочей кромки 13. Варьируя разность диаметров окружности 14 рабочей кромки 13 и окружности 15, а также радиус кривизны 18 внешней поверхности 10 в окрестности рабочей кромки 13, можно оптимизировать врезание кольца 7 в трубу 1 и, соответственно, герметичность соединения. Необходимо отметить, что криволинейная внешняя поверхность 10 в зоне рабочей кромки 13 интенсифицирует процесс образования уплотнительного буртика на трубе 1 и позволяет достичь герметизирующего эффекта при меньших аксиальных усилиях.

Задняя часть 9 кольца 7 выполнена с бандажом 19 в виде отбортованной наружу части кольца 7 с образованием незамкнутого петлеобразного сечения. При этом бандаж 19 содержит опорную поверхность 20 и хвостовой элемент 21 с кромкой 22, который обеспечивает выполнение функций бандажа 19.

Наибольший диаметр бандажа 19 ограничен параметрами резьбы штуцера 3 и накидной гайки 5. Длина бандажа 19 для обеспечения его функций должна составлять не менее 25% общей длины кольца 7. Зазор 23 между кромкой 22 хвостового элемента 21 и задней частью кольца 7 является регулятором момента включения бандажа 19 для выполнения его функций.

Заявляемое устройство работает следующим образом. На свободный конец трубы 1, подлежащей подсоединению, сначала надевают накидную гайку 5 и затем врезающееся кольцо 7. Свободный конец этой трубы 1 вводят в штуцер 3, который присоединен к трубе 2, и продвигают до тех пор, пока он своим торцом не коснется бурта штуцера 3. Затем начинают навинчивать накидную гайку 5 на штуцер 3. Накидная гайка 5 своей контактной поверхностью 6 давит на опорную поверхность 20 бандажа 19. Врезающееся кольцо 7 начинает перемещаться и криволинейной внешней поверхностью 10 в передней части 8 входит в контакт с конической поверхностью 4 штуцера 3. При дальнейшем вращении накидной гайки 5 происходит продвижение врезающегося кольца 7 внутрь штуцера 3. При этом начинается радиальное обжатие врезающегося кольца 7. Рабочая кромка 13 передней части 8 прижимается к наружной поверхности трубы 1 и врезается в нее с образованием буртика, который фиксирует дальнейшее осевое продвижение врезающегося кольца 7 и создает уплотнение. При воздействии аксиальных усилий зазор между задней частью 9 кольца 7 и бандажом 19 уменьшается за счет положительных радиальных деформаций в задней части 9 врезающегося кольца 7 и, когда зазор 23 в зоне кромки 22 хвостового элемента 21 бандажа 19 уменьшится до нуля, кромка 22 вступит в контакт с задней частью 9 врезающегося кольца 7, препятствуя дальнейшей ее неконтролируемой деформации, которая может привести к разрушению кольца 7. Теперь, получив усиление бандажом 19, задняя часть 9 врезающегося кольца 7 обретает необходимую прочность, и очаг деформации перемещается преимущественно в переднюю часть 8 с криволинейной внешней поверхностью 10. Дальнейшее завинчивание накидной гайки 5 приведет к деформированию кольца 7 в передней части 8 с формообразованием ее в соответствии с задающей криволинейной внешней поверхностью 10 и увеличению усилий на контакте ее с поверхностью 4 штуцера 3 и, соответственно, интенсивной герметизации соединения.

Таким образом, заявляемая конструкция врезающегося кольца 7 обеспечивает при меньших аксиальных усилиях, чем в прототипе, и, соответственно, минимальных энергетических затратах надежное герметичное соединение. Это объясняется тем, что в заявляемом изобретении, в отличие от прототипа, процесс герметизации соединения практически происходит сначала в зоне контакта конической поверхности 4 штуцера 3 с криволинейной внешней поверхностью 10 врезающегося кольца 7, а затем в зоне его врезания в трубу 1. При этом врезающееся кольцо 7 с бандажом 19 является аккумулятором потенциальной энергии и работает надежно как при статических, так и при динамических циклических нагрузках. Одновременно предложенная конструкция врезающегося кольца 7 расширяет технологические возможности, так как позволяет использовать прокат при изготовлении кольца 7 и таким образом уменьшить его цену при более высоком качестве.

Изобретение относится к резьбовым соединениям трубопроводов с врезающимся кольцом (ВК) и может быть использовано в гидро- и пневмосистемах, работающих под давлением. В соединении передняя часть врезающегося кольца выполнена с криволинейной внешней и внутренней поверхностями. Рабочая кромка расположена на внешней поверхности. Задняя часть снабжена бандажом. Форма бандажа в виде незамкнутой петли. Изобретение увеличивает радиальную и осевую жесткость задней части кольца и снижает аксиальные усилия при затяжке соединения за счет уменьшения радиальной и осевой жесткости передней части врезающегося кольца. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Соединение трубопроводов, содержащее штуцер, накидную гайку и врезающееся кольцо с рабочей кромкой в передней части и задней частью с переменным зазором относительно трубопровода по всей длине кольца, отличающееся тем, что передняя часть выполнена с криволинейными внешней и внутренней поверхностями, связанными между собой переходной поверхностью, с рабочей кромкой, образованной в месте пересечения внешней поверхности врезающегося кольца и переходной поверхности, а задняя часть кольца выполнена с бандажом в виде отбортованной наружу части кольца с образованием незамкнутого петлеобразного сечения, причем бандаж содержит опорную поверхность и хвостовой элемент с возможностью саморегулирования функций бандажа и процесса герметизации соединения. 2. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что кривизна внешней поверхности передней части кольца и острота ее рабочей кромки обусловлены разностью между диаметрами окружности рабочей кромки и окружности, на которой расположен центр кривизны образующей внешней криволинейной поверхности передней части в окрестности рабочей кромки, при этом внешняя криволинейная поверхность является одновременно задающей. 3. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что длина бандажа составляет не менее 25% общей длины кольца.